关于磁性材料的论文题目大全高中
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先介绍一下居里点the Curie temperature 居里点或居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。19世纪末,著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性,就是当磁石加热到一定温度时,原来的磁性就会消失。后来,人们把这个温度叫“居里点”。在地球上,岩石在成岩过程中受到地磁场的磁化作用,获得微弱磁性,并且被磁化的岩石的磁场与地磁场是一致的。这就是说,无论地磁场怎样改换方向,只要它的温度不高于“居里点”,岩石的磁性是不会改变的。根据这个道理,只要测出岩石的磁性,自然能推测出当时的地磁方向。这就是在地学研究中人们常说的化石磁性。在此基础之上,科学家利用化石磁性的原理,研究地球演化历史的地磁场变化规律,这就是古地磁说。 为了寻找大陆漂移说的新证据,科学家把古地磁学引入海洋地质领域,并取得令人鼓舞的成绩。 第二次世界大战之后,科学家使用高灵敏度的磁力探测仪,在大西洋洋中脊上的海面进行古地磁调查。之后,人们又使用磁力仪等仪器,以密集测线方式对太平洋进行古地磁测量。两次调查的资料使人们惊奇地发现,在大洋底部存在着等磁力线条带,而且呈南北向平行于大洋洋中脊中轴线的两侧,磁性正负相间。每条磁力线条带长约数百千米,宽度在数十千米至上百千米之间不等。海底磁性条带的发现,成为本世纪地学研究的一大奇迹。1963年,英国剑桥大学的一位年轻学者FJ瓦因和他的老师DH马修斯提出,如果“海底扩张”曾经发生过,那么,大洋中脊上涌的熔岩,当它凝固后应当保留当时地球磁场的磁化方向。就是说在洋脊两侧的海底应该有磁化情况相同的磁性条带存在。当地球磁场发生反转时,磁性条带的极性也应该发生反转,磁性条带的宽度可以作为两次反转时间的度量标准。这个大胆的假说,很快被证实了,人们在太平洋、大西洋、印度洋都找到了同样对称的磁性条带。不仅如此,科学家还计算出在7600万年中,地球曾发生过171次反转现象。 研究还发现,地球磁场两次反转之间的时间最长周期约为300万年,最短的周期约为5万年,两次反转的平均周期约为42~48万年。目前,地球的磁场方向己保留70万年了,所以,人们预感到一个新的磁场变化可能正在向我们靠近。 对于海底磁性条带的研究仍在继续之中,许多问题仍找不到令人满意的答案。例如,对于地球磁场为什么要来回反转这个最基本的问题,就无法解释清楚。尽管科学家们提出过种种假说,但其真正的原因还是不清楚的。也就是说,地球发生磁场转向的内在规律之谜,有待于科学家们去继续探索。再介绍铁磁材料 (1)铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和,不但磁化率>0,而且数值大到10-106数量级,其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。这种类型的磁性称为铁磁性。 (2)铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性;在居里温度以上,由于受到晶体热运动的干扰,原子磁矩的定向排列被破坏,使得铁磁性消失,这时物质转变为顺磁性。 (3)特点 A、磁性很强,通常所说的磁性材料主要是指这类物质。 B、磁滞现象。 C、自发磁化: 铁磁性物质内的原子磁矩,通过相邻晶格结点原子的电子壳层的作用,克服热运动的无序效应,原子磁矩是按区域自发平行排列、有序取向,按不同的小区域分布,这种现象称为自发磁化。 未配对的3d电子壳层: Fe、Ni、Co、Mn D、磁畴 自发磁化的小区域,称为磁畴。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 然后说明一下测量实验铁磁材料的居里点实验目的:初步了解铁磁物质有铁磁性转变为顺磁性的微观原理,学习用JLD——Ⅱ型居里点测试仪测量居里温度的原理和方法。实验仪器:JLD——Ⅱ型居里点测试仪一套(主机一台、加温炉一台、样品5只)、ST16B型示波器实验原理:对于铁磁物质来讲,由于有磁畴的存在,因此在外加的交变磁场作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热到一定的温度,由于金属点阵中的热运动的加剧,磁畴遭到破坏时,铁磁物质将转变为顺磁物质,磁滞现象消失,铁磁物质这一转变温度称为居里点。本居里点测试仪就是通过观察示波器上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。本仪器通过给绕在样品上的线圈通交变电流,从而产生交变磁场。在给加热炉加热过程中,在示波器上找出居里点。 实验步骤:1、将加热炉的连线接于电源箱前面的两接线柱上。将铁磁材料样品与电源箱用专用线连接,并把样品放在加热炉中。将温度传感器、降温风扇的接插件与接在电源前面板上的传感器接插件对应相接。2、将B输出与示波器上的Y输入,H输出与X输入用专用线相连接,“升温——降温”开关打向升温,开启电源箱上的电源开关,并适当调节示波器上Y、X调节,示波器上就显示出了磁滞回线。3、炉上的两风门(旋钮方向和加热炉的轴线方向垂直),将“测量——设置”开关打向“设置”,设定好炉温后,打向“测量”,加热炉工作,炉温逐渐升向设置的温度。4、温达到该样品的居里点时,磁滞回线消失,同时数显温度表显示测量的温度值——居里点。打开加热炉上的两风门(风门上的旋钮方向和加热炉的轴线方向平行),把“升温——降温”开关打向降温,让加热炉降温后,换一样品重复上述过程,直到样品测完为止。
“成功啦!”“成功啦!”“哈哈……”从我家里传出一阵阵笑声和欢呼声,这是我和伙伴们在做一个有趣的实验。在学校里,老师常在科技兴趣课上做许多有趣的实验,引起了我浓厚的兴趣。于是,在星期天,我邀来几个要好的朋友,神秘地说:“咱们做一个实验好吗?”听说我要做实验,邻居的小弟弟也被吸引过来。伙伴们七嘴八舌地问:“什么实验?”“是什么?”我像变戏法似地拿出一支蜡烛、一块磁铁和一根铁条。伙伴们不知我葫芦里卖的是什 么药,被我搞得丈二和尚摸不着头脑。我胸有成竹地把蜡烛点燃,立在桌面上,用一根铁条吸住磁铁,拿到火上去烧。开始,磁铁紧紧地贴在铁条上。蜡烛的火焰贪婪地舔着磁铁。不一会儿,磁铁像生病似的,有气无力地粘在铁条上,快要掉下来了。终于,“砰”的一声,磁铁落地了。“实验成功喽!成功喽!”大家手舞足蹈,那高兴劲儿就别提了。为什么磁铁遇热会失去磁性呢?大家心里不禁打起了一个问号,连忙去翻书找答案。我突然想起《少年科学画报》里有介绍科学知识的内容,就去翻《少年科学画报》。“找到了!”我惊喜地叫了起来,像哥伦布发现新大陆一般高兴。原来,磁和电子是分不开的,运动的电子周围就有磁,这叫电磁效应,电磁铁烧红了,它内部的分子热得乱窜,破坏了电子运动方向的一致性,磁效应作用互相抵消,所以整块“磁铁”不再显示磁性。我想:在家用电器中,收音机喇叭上有磁铁,就不能让高温物体接近。可想而知,电视机上也有喇叭,上面也有磁铁,原理不正是一样吗?如果高温物体靠近带有磁性的冰箱,冰箱不就被损坏了吗?怪不得说明书上强调不能接近高温物体。我把自己想法告诉大家,他们恍然大悟。邻居小弟弟似懂非懂,皱着眉头,一本正经地说:“好像懂了,又好像没懂。”一句话把我们逗得哈哈大笑。
自己上百度找,不过最好自己写,这里有一参考: 摘 要:介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态,对几种富有代表性的算法做了介绍,并比较了各自的优势和不足,包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。 关键词:矩量法;有限元法;时域有限差分方法;复射线方法 1 引 言 1864年Maxwell在前人的理论(高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在)和实验的基础上建立了统一的电磁场理论,并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律,这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式,最后得到解析解。这种方法可以得到问题的准确解,而且效率也比较高,但是适用范围太窄,只能求解具有规则边界的简单问题。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧,甚至无法求得解析解。20世纪60年代以来,随着电子计算机技术的发展,一些电磁场的数值计算方法发展起来,并得到广泛地应用,相对于经典电磁理论而言,数值方法受边界形状的约束大为减少,可以解决各种类型的复杂问题。但各种数值计算方法都有优缺点,一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决,常需要将多种方法结合起来,互相取长补短,因此混和方法日益受到人们的重视。 本文综述了国内外计算电磁学的发展状况,对常用的电磁计算方法做了分类。 2 电磁场数值方法的分类 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等,频域技术发展得比较早,也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑,某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时,频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算,然后做傅里叶反变换才能求得解答,计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化,采用时域法更加直接。另外还有一些高频方法,如GTD,UTD和射线理论。 从求解方程的形式看,可以分为积分方程法(IE)和微分方程法(DE)。IE和DE相比,有如下特点:IE法的求解区域维数比DE法少一维,误差限于求解区域的边界,故精度高;IE法适合求无限域问题,DE法此时会遇到网格截断问题;IE法产生的矩阵是满的,阶数小,DE法所产生的是稀疏矩阵,但阶数大;IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题,DE法可直接用于这类问题〔1〕。 3 几种典型方法的介绍 有限元方法是在20世纪40年代被提出,在50年代用于飞机设计。后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。目前,作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法,有限元法已非常著名。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。其定解问题为: 应用变分原理,把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题,利用对区域D的剖分、插值,离散化变分问题为普通多元函数的极值问题,进而得到一组多元的代数方程组,求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。一般要经过如下步骤: ①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。 ②剖分场域D,并选出相应的插值函数。 ③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题,得到如下一组代数方程组: 其中:Kij为系数(刚度)矩阵;Xi为离散点的插值。 ④选择合适的代数解法解式(2),即可得到待求边值问题的数值解Xi(i=1,2,…,N) (2)矩量法 很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程〔2〕: L(f)=g(3)其中:L是线性算子,f是未知的场或其他响应,g是已知的源或激励。 在通常的情况下,这个方程是矢量方程(二维或三维的)。如果f能有方程解出,则是一个精确的解析解,大多数情况下,不能得到f的解析形式,只能通过数值方法进行预估。令f在L的定义域内被展开为某基函数系f1,f2,f3,…,fn的线性组合: 其中:an是展开系数,fn为展开函数或基函数。 对于精确解式(2)通畅是无限项之和,且形成一个基函数的完备集,对近似解,将式 (2)带入式(1),再应用算子L的线性,便可以得到: m=1,2,3,… 此方程组可写成矩阵形式f,以解出f。矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。 在电磁散射问题中,散射体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数。他决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较,则可以采用一般的矩量法;如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围,那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。受计算机内存和计算速度影响,有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的,因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比(N为离散点数),而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。这时需要较高的数学技巧,如采用小波展开,选取合适的小波基函数来降维等〔3〕。 (3)时域有限差分方法 时域有限差分(FDTD)是电磁场的一种时域计算方法。传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的,这些年以来,时域计算方法也越来越受到重视。他已在很多方面显示出独特的优越性,尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程,利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式,这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。电场和磁场分量在空间被交叉放置,这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着,反之亦然。 这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。这正是电磁场的感应原理。这些关系构成FDTD法的基本算式,通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算,在执行到适当的时间步数后,即可获得所需要的结果。 在上述算法中,时间增量Δt和空间增量Δx,Δy和Δz不是相互独立的,他们的取值必须满足一定的关系,以避免数值不稳定。这种不稳定表现为在解显式 差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件: 其中:(对非均匀区域,应选c的最大值)〔4〕。 用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散,即在FDTD网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等,因此必须考虑数值色散问题。如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域,这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数,在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象,对此也应该进行定量的研究,以保证正确估计FDTD算法的精度。在开放问题中电磁场将占据无限大空间,而由于计算机内存总是有限的,只能模拟有限空间,因此差分网格在某处必将截断,这就要求在网格截断处不引起波的明显反射,使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。这就是在截断处设置吸收边界条件,使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射,当然不可能达到完全没有反射,目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求,如Mur所导出的吸收边界条件。 (4)复射线方法 复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式,在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位,从而直接得出局部不均匀波(凋落波)的传播和散射规律〔5〕。复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。其共同特点在于:通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束/射线束(Bundle ofrays)分析模型;通过费马原理及其延拓,由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术,构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。例如,复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间,利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索,从而求出复射线轨迹和复射线场。这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播,因此,提供了一类分析波束传播的简便方法。其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索,这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。 4 几种方法的比较和进展 将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情,他比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化,得到通用的计算程序,而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长,由于他是区域性解法,分割的元素数和节点数较多,导致需要的初始数据复杂繁多,最终得到的方程组的元数很大,这使得计算时间长,而且对计算机本身的存储也提出了要求。对电磁学中的许多问题,有限元产生的是带状(如果适当地给节点编号的话)、稀疏阵(许多矩阵元素是0)。但是单独采用有限元法只能解决开域问题。用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散,多年来人们一直在研究这个问题,试图找到一种有效、方便的离散方法,但由于电磁场领域的特殊性,这个问题一直没有得到很好的解决。问题的关键在于一方面对复杂的结构,一般的剖分方法难于适用;另一方面,由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关,因而人们采用了许多方法来减少存储量,如多重网格法,但这些方法的实现较为困难〔6〕。 网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一,采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整,在网格密集区采用高阶插值函数,以进一步提高精度,在场域分布变化剧烈区域,进行多次加密。 这些年有限元方法的发展日益加快,与其他理论相结合方面也有了新的进展,并取得了相当应用范围的成果,如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等,还包括一些尚处于探索阶段的工作,如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等,这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。 矩量法将连续方程离散化为代数方程组,既适用于求解微分方程,又适用于求解积分方程。他的求解过程简单,求解步骤统一,应用起来比较方便。然而 77他需要一定的数学技巧,如离散化的程度、基函数与权函数的选取,矩阵求解过程等。另外必须指出的是,矩量法可以达到所需要的精确度,解析部分简单,可计算量很大,即使用高速大容量计算机,计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用,已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。 FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式,得到关于场分量的有限差分式,针对不同的研究对象,可在不同的坐标系中建模,因而具有这几个优点,容易对复杂媒体建模,通过一次时域分析计算,借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应;能够实时在现场的空间分布,精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性;计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制,其网格空间不能无限制的增加,造成FDTD方法不能适用于较大尺寸,也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比FDTD网格尺寸小很多,若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸,而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合,目前这种技术正蓬勃发展,如时域积分方程/FDTD方法,FDTD/MOM等。FDTD的应用范围也很广阔,诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等〔7〕。 复射线技术具有物理模型简单、数学处理方便、计算效率高等特点,在复杂目标散射特性分析等应用领域中有重要的研究价值。典型的处理方式是首先将入射平面波离散化为一组波束指向平行的复源点场,通过特定目标情形下的射线追踪、场强计算和叠加各射线场的贡献,可以得到特定观察位置处散射场的高频渐进解。目前已运用复射线分析方法对飞行器天线和天线罩(雷达舱)、(加吸波涂层)翼身结合部和进气道以及涂层的金属平板、角形反射器等典型目标散射特性进行了成功的分析。尽管复射线技术的计算误差可以通过参数调整得到控制,但其本身是一种高频近似计算方法,由于入射波场的离散和只引入鞍点贡献,带来了不可避免的计算误差。总的来说复射线方法在目标电磁散射领域还是具有独特的优势,尤其是对复 杂目标的处理。 5 结 语 电磁学的数值计算方法远远不止以上所举,还有边界元素法、格林函数法等,在具体问题中,应该采用不同的方法,而不应拘泥于这些方法,还可以把这些方法加以综合应用,以达到最佳效果。 电磁学的数值计算是一门计算的艺术,他横跨了多个学科,是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。原则上讲,从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。为了跟上世界科技发展的需要,应大力进行电磁场的并行计算方法的研究,不断拓广他的应用领域,如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。 参考文献 〔1〕 文舸一.计算电磁学的进展与展望〔J〕.电子学报,1995,23(10):62- 〔2〕 刘圣民.电磁场的数值方法〔M〕.武汉:华中理工大学出版社,1991. 〔3〕 张成,郑宏兴.小波矩量法求解电磁场积分方程〔J〕.宁夏大学学报(自然科学版),2000,21(1):76- 〔4〕 王长清.时域有限差分(FD-TD)法〔J〕.微波学报,1989,(4):8- 〔5〕 阮颖诤.复射线理论及其应用〔M〕.成都:电子工业出版社,1991. 〔6〕 方静,汪文秉.有限元法和矩量法结合分析背腔天线的辐射特性〔J〕.微波学报,2000,16(2):139- 〔7〕 杨永侠,王翠玲.电磁场的FDTD分析方法〔J〕.现代电子技术,2001,(11):73- 〔8〕 洪伟.计算电磁学研究进展〔J〕.东南大学学RB (自然科学版),2002,32(3):335- 〔9〕 王长清,祝西里.电磁场计算中的时域有限差分法〔M〕.北京:北京大学出版社,1994. 〔10〕 楼仁海,符果行,袁敬闳.电磁理论〔M〕.成都:电子科技大学出版社,1996. 现代电子技术
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自己上百度找,不过最好自己写,这里有一参考: 摘 要:介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态,对几种富有代表性的算法做了介绍,并比较了各自的优势和不足,包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。 关键词:矩量法;有限元法;时域有限差分方法;复射线方法 1 引 言 1864年Maxwell在前人的理论(高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在)和实验的基础上建立了统一的电磁场理论,并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律,这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式,最后得到解析解。这种方法可以得到问题的准确解,而且效率也比较高,但是适用范围太窄,只能求解具有规则边界的简单问题。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧,甚至无法求得解析解。20世纪60年代以来,随着电子计算机技术的发展,一些电磁场的数值计算方法发展起来,并得到广泛地应用,相对于经典电磁理论而言,数值方法受边界形状的约束大为减少,可以解决各种类型的复杂问题。但各种数值计算方法都有优缺点,一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决,常需要将多种方法结合起来,互相取长补短,因此混和方法日益受到人们的重视。 本文综述了国内外计算电磁学的发展状况,对常用的电磁计算方法做了分类。 2 电磁场数值方法的分类 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等,频域技术发展得比较早,也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑,某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时,频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算,然后做傅里叶反变换才能求得解答,计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化,采用时域法更加直接。另外还有一些高频方法,如GTD,UTD和射线理论。 从求解方程的形式看,可以分为积分方程法(IE)和微分方程法(DE)。IE和DE相比,有如下特点:IE法的求解区域维数比DE法少一维,误差限于求解区域的边界,故精度高;IE法适合求无限域问题,DE法此时会遇到网格截断问题;IE法产生的矩阵是满的,阶数小,DE法所产生的是稀疏矩阵,但阶数大;IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题,DE法可直接用于这类问题〔1〕。 3 几种典型方法的介绍 有限元方法是在20世纪40年代被提出,在50年代用于飞机设计。后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。目前,作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法,有限元法已非常著名。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。其定解问题为: 应用变分原理,把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题,利用对区域D的剖分、插值,离散化变分问题为普通多元函数的极值问题,进而得到一组多元的代数方程组,求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。一般要经过如下步骤: ①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。 ②剖分场域D,并选出相应的插值函数。 ③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题,得到如下一组代数方程组: 其中:Kij为系数(刚度)矩阵;Xi为离散点的插值。 ④选择合适的代数解法解式(2),即可得到待求边值问题的数值解Xi(i=1,2,…,N) (2)矩量法 很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程〔2〕: L(f)=g(3)其中:L是线性算子,f是未知的场或其他响应,g是已知的源或激励。 在通常的情况下,这个方程是矢量方程(二维或三维的)。如果f能有方程解出,则是一个精确的解析解,大多数情况下,不能得到f的解析形式,只能通过数值方法进行预估。令f在L的定义域内被展开为某基函数系f1,f2,f3,…,fn的线性组合: 其中:an是展开系数,fn为展开函数或基函数。 对于精确解式(2)通畅是无限项之和,且形成一个基函数的完备集,对近似解,将式 (2)带入式(1),再应用算子L的线性,便可以得到: m=1,2,3,… 此方程组可写成矩阵形式f,以解出f。矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。 在电磁散射问题中,散射体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数。他决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较,则可以采用一般的矩量法;如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围,那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。受计算机内存和计算速度影响,有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的,因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比(N为离散点数),而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。这时需要较高的数学技巧,如采用小波展开,选取合适的小波基函数来降维等〔3〕。 (3)时域有限差分方法 时域有限差分(FDTD)是电磁场的一种时域计算方法。传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的,这些年以来,时域计算方法也越来越受到重视。他已在很多方面显示出独特的优越性,尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程,利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式,这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。电场和磁场分量在空间被交叉放置,这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着,反之亦然。 这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。这正是电磁场的感应原理。这些关系构成FDTD法的基本算式,通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算,在执行到适当的时间步数后,即可获得所需要的结果。 在上述算法中,时间增量Δt和空间增量Δx,Δy和Δz不是相互独立的,他们的取值必须满足一定的关系,以避免数值不稳定。这种不稳定表现为在解显式 差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件: 其中:(对非均匀区域,应选c的最大值)〔4〕。 用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散,即在FDTD网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等,因此必须考虑数值色散问题。如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域,这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数,在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象,对此也应该进行定量的研究,以保证正确估计FDTD算法的精度。在开放问题中电磁场将占据无限大空间,而由于计算机内存总是有限的,只能模拟有限空间,因此差分网格在某处必将截断,这就要求在网格截断处不引起波的明显反射,使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。这就是在截断处设置吸收边界条件,使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射,当然不可能达到完全没有反射,目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求,如Mur所导出的吸收边界条件。 (4)复射线方法 复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式,在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位,从而直接得出局部不均匀波(凋落波)的传播和散射规律〔5〕。复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。其共同特点在于:通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束/射线束(Bundle ofrays)分析模型;通过费马原理及其延拓,由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术,构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。例如,复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间,利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索,从而求出复射线轨迹和复射线场。这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播,因此,提供了一类分析波束传播的简便方法。其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索,这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。 4 几种方法的比较和进展 将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情,他比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化,得到通用的计算程序,而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长,由于他是区域性解法,分割的元素数和节点数较多,导致需要的初始数据复杂繁多,最终得到的方程组的元数很大,这使得计算时间长,而且对计算机本身的存储也提出了要求。对电磁学中的许多问题,有限元产生的是带状(如果适当地给节点编号的话)、稀疏阵(许多矩阵元素是0)。但是单独采用有限元法只能解决开域问题。用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散,多年来人们一直在研究这个问题,试图找到一种有效、方便的离散方法,但由于电磁场领域的特殊性,这个问题一直没有得到很好的解决。问题的关键在于一方面对复杂的结构,一般的剖分方法难于适用;另一方面,由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关,因而人们采用了许多方法来减少存储量,如多重网格法,但这些方法的实现较为困难〔6〕。 网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一,采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整,在网格密集区采用高阶插值函数,以进一步提高精度,在场域分布变化剧烈区域,进行多次加密。 这些年有限元方法的发展日益加快,与其他理论相结合方面也有了新的进展,并取得了相当应用范围的成果,如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等,还包括一些尚处于探索阶段的工作,如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等,这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。 矩量法将连续方程离散化为代数方程组,既适用于求解微分方程,又适用于求解积分方程。他的求解过程简单,求解步骤统一,应用起来比较方便。然而 77他需要一定的数学技巧,如离散化的程度、基函数与权函数的选取,矩阵求解过程等。另外必须指出的是,矩量法可以达到所需要的精确度,解析部分简单,可计算量很大,即使用高速大容量计算机,计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用,已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。 FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式,得到关于场分量的有限差分式,针对不同的研究对象,可在不同的坐标系中建模,因而具有这几个优点,容易对复杂媒体建模,通过一次时域分析计算,借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应;能够实时在现场的空间分布,精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性;计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制,其网格空间不能无限制的增加,造成FDTD方法不能适用于较大尺寸,也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比FDTD网格尺寸小很多,若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸,而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合,目前这种技术正蓬勃发展,如时域积分方程/FDTD方法,FDTD/MOM等。FDTD的应用范围也很广阔,诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等〔7〕。 复射线技术具有物理模型简单、数学处理方便、计算效率高等特点,在复杂目标散射特性分析等应用领域中有重要的研究价值。典型的处理方式是首先将入射平面波离散化为一组波束指向平行的复源点场,通过特定目标情形下的射线追踪、场强计算和叠加各射线场的贡献,可以得到特定观察位置处散射场的高频渐进解。目前已运用复射线分析方法对飞行器天线和天线罩(雷达舱)、(加吸波涂层)翼身结合部和进气道以及涂层的金属平板、角形反射器等典型目标散射特性进行了成功的分析。尽管复射线技术的计算误差可以通过参数调整得到控制,但其本身是一种高频近似计算方法,由于入射波场的离散和只引入鞍点贡献,带来了不可避免的计算误差。总的来说复射线方法在目标电磁散射领域还是具有独特的优势,尤其是对复 杂目标的处理。 5 结 语 电磁学的数值计算方法远远不止以上所举,还有边界元素法、格林函数法等,在具体问题中,应该采用不同的方法,而不应拘泥于这些方法,还可以把这些方法加以综合应用,以达到最佳效果。 电磁学的数值计算是一门计算的艺术,他横跨了多个学科,是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。原则上讲,从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。为了跟上世界科技发展的需要,应大力进行电磁场的并行计算方法的研究,不断拓广他的应用领域,如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。 参考文献 〔1〕 文舸一.计算电磁学的进展与展望〔J〕.电子学报,1995,23(10):62- 〔2〕 刘圣民.电磁场的数值方法〔M〕.武汉:华中理工大学出版社,1991. 〔3〕 张成,郑宏兴.小波矩量法求解电磁场积分方程〔J〕.宁夏大学学报(自然科学版),2000,21(1):76- 〔4〕 王长清.时域有限差分(FD-TD)法〔J〕.微波学报,1989,(4):8- 〔5〕 阮颖诤.复射线理论及其应用〔M〕.成都:电子工业出版社,1991. 〔6〕 方静,汪文秉.有限元法和矩量法结合分析背腔天线的辐射特性〔J〕.微波学报,2000,16(2):139- 〔7〕 杨永侠,王翠玲.电磁场的FDTD分析方法〔J〕.现代电子技术,2001,(11):73- 〔8〕 洪伟.计算电磁学研究进展〔J〕.东南大学学RB (自然科学版),2002,32(3):335- 〔9〕 王长清,祝西里.电磁场计算中的时域有限差分法〔M〕.北京:北京大学出版社,1994. 〔10〕 楼仁海,符果行,袁敬闳.电磁理论〔M〕.成都:电子科技大学出版社,1996. 现代电子技术
“成功啦!”“成功啦!”“哈哈……”从我家里传出一阵阵笑声和欢呼声,这是我和伙伴们在做一个有趣的实验。在学校里,老师常在科技兴趣课上做许多有趣的实验,引起了我浓厚的兴趣。于是,在星期天,我邀来几个要好的朋友,神秘地说:“咱们做一个实验好吗?”听说我要做实验,邻居的小弟弟也被吸引过来。伙伴们七嘴八舌地问:“什么实验?”“是什么?”我像变戏法似地拿出一支蜡烛、一块磁铁和一根铁条。伙伴们不知我葫芦里卖的是什 么药,被我搞得丈二和尚摸不着头脑。我胸有成竹地把蜡烛点燃,立在桌面上,用一根铁条吸住磁铁,拿到火上去烧。开始,磁铁紧紧地贴在铁条上。蜡烛的火焰贪婪地舔着磁铁。不一会儿,磁铁像生病似的,有气无力地粘在铁条上,快要掉下来了。终于,“砰”的一声,磁铁落地了。“实验成功喽!成功喽!”大家手舞足蹈,那高兴劲儿就别提了。为什么磁铁遇热会失去磁性呢?大家心里不禁打起了一个问号,连忙去翻书找答案。我突然想起《少年科学画报》里有介绍科学知识的内容,就去翻《少年科学画报》。“找到了!”我惊喜地叫了起来,像哥伦布发现新大陆一般高兴。原来,磁和电子是分不开的,运动的电子周围就有磁,这叫电磁效应,电磁铁烧红了,它内部的分子热得乱窜,破坏了电子运动方向的一致性,磁效应作用互相抵消,所以整块“磁铁”不再显示磁性。我想:在家用电器中,收音机喇叭上有磁铁,就不能让高温物体接近。可想而知,电视机上也有喇叭,上面也有磁铁,原理不正是一样吗?如果高温物体靠近带有磁性的冰箱,冰箱不就被损坏了吗?怪不得说明书上强调不能接近高温物体。我把自己想法告诉大家,他们恍然大悟。邻居小弟弟似懂非懂,皱着眉头,一本正经地说:“好像懂了,又好像没懂。”一句话把我们逗得哈哈大笑。
先介绍一下居里点the Curie temperature 居里点或居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。19世纪末,著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性,就是当磁石加热到一定温度时,原来的磁性就会消失。后来,人们把这个温度叫“居里点”。在地球上,岩石在成岩过程中受到地磁场的磁化作用,获得微弱磁性,并且被磁化的岩石的磁场与地磁场是一致的。这就是说,无论地磁场怎样改换方向,只要它的温度不高于“居里点”,岩石的磁性是不会改变的。根据这个道理,只要测出岩石的磁性,自然能推测出当时的地磁方向。这就是在地学研究中人们常说的化石磁性。在此基础之上,科学家利用化石磁性的原理,研究地球演化历史的地磁场变化规律,这就是古地磁说。 为了寻找大陆漂移说的新证据,科学家把古地磁学引入海洋地质领域,并取得令人鼓舞的成绩。 第二次世界大战之后,科学家使用高灵敏度的磁力探测仪,在大西洋洋中脊上的海面进行古地磁调查。之后,人们又使用磁力仪等仪器,以密集测线方式对太平洋进行古地磁测量。两次调查的资料使人们惊奇地发现,在大洋底部存在着等磁力线条带,而且呈南北向平行于大洋洋中脊中轴线的两侧,磁性正负相间。每条磁力线条带长约数百千米,宽度在数十千米至上百千米之间不等。海底磁性条带的发现,成为本世纪地学研究的一大奇迹。1963年,英国剑桥大学的一位年轻学者FJ瓦因和他的老师DH马修斯提出,如果“海底扩张”曾经发生过,那么,大洋中脊上涌的熔岩,当它凝固后应当保留当时地球磁场的磁化方向。就是说在洋脊两侧的海底应该有磁化情况相同的磁性条带存在。当地球磁场发生反转时,磁性条带的极性也应该发生反转,磁性条带的宽度可以作为两次反转时间的度量标准。这个大胆的假说,很快被证实了,人们在太平洋、大西洋、印度洋都找到了同样对称的磁性条带。不仅如此,科学家还计算出在7600万年中,地球曾发生过171次反转现象。 研究还发现,地球磁场两次反转之间的时间最长周期约为300万年,最短的周期约为5万年,两次反转的平均周期约为42~48万年。目前,地球的磁场方向己保留70万年了,所以,人们预感到一个新的磁场变化可能正在向我们靠近。 对于海底磁性条带的研究仍在继续之中,许多问题仍找不到令人满意的答案。例如,对于地球磁场为什么要来回反转这个最基本的问题,就无法解释清楚。尽管科学家们提出过种种假说,但其真正的原因还是不清楚的。也就是说,地球发生磁场转向的内在规律之谜,有待于科学家们去继续探索。再介绍铁磁材料 (1)铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和,不但磁化率>0,而且数值大到10-106数量级,其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。这种类型的磁性称为铁磁性。 (2)铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性;在居里温度以上,由于受到晶体热运动的干扰,原子磁矩的定向排列被破坏,使得铁磁性消失,这时物质转变为顺磁性。 (3)特点 A、磁性很强,通常所说的磁性材料主要是指这类物质。 B、磁滞现象。 C、自发磁化: 铁磁性物质内的原子磁矩,通过相邻晶格结点原子的电子壳层的作用,克服热运动的无序效应,原子磁矩是按区域自发平行排列、有序取向,按不同的小区域分布,这种现象称为自发磁化。 未配对的3d电子壳层: Fe、Ni、Co、Mn D、磁畴 自发磁化的小区域,称为磁畴。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 然后说明一下测量实验铁磁材料的居里点实验目的:初步了解铁磁物质有铁磁性转变为顺磁性的微观原理,学习用JLD——Ⅱ型居里点测试仪测量居里温度的原理和方法。实验仪器:JLD——Ⅱ型居里点测试仪一套(主机一台、加温炉一台、样品5只)、ST16B型示波器实验原理:对于铁磁物质来讲,由于有磁畴的存在,因此在外加的交变磁场作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热到一定的温度,由于金属点阵中的热运动的加剧,磁畴遭到破坏时,铁磁物质将转变为顺磁物质,磁滞现象消失,铁磁物质这一转变温度称为居里点。本居里点测试仪就是通过观察示波器上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。本仪器通过给绕在样品上的线圈通交变电流,从而产生交变磁场。在给加热炉加热过程中,在示波器上找出居里点。 实验步骤:1、将加热炉的连线接于电源箱前面的两接线柱上。将铁磁材料样品与电源箱用专用线连接,并把样品放在加热炉中。将温度传感器、降温风扇的接插件与接在电源前面板上的传感器接插件对应相接。2、将B输出与示波器上的Y输入,H输出与X输入用专用线相连接,“升温——降温”开关打向升温,开启电源箱上的电源开关,并适当调节示波器上Y、X调节,示波器上就显示出了磁滞回线。3、炉上的两风门(旋钮方向和加热炉的轴线方向垂直),将“测量——设置”开关打向“设置”,设定好炉温后,打向“测量”,加热炉工作,炉温逐渐升向设置的温度。4、温达到该样品的居里点时,磁滞回线消失,同时数显温度表显示测量的温度值——居里点。打开加热炉上的两风门(风门上的旋钮方向和加热炉的轴线方向平行),把“升温——降温”开关打向降温,让加热炉降温后,换一样品重复上述过程,直到样品测完为止。
关于磁性材料的论文题目大全初中
先介绍一下居里点the Curie temperature 居里点或居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。19世纪末,著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性,就是当磁石加热到一定温度时,原来的磁性就会消失。后来,人们把这个温度叫“居里点”。在地球上,岩石在成岩过程中受到地磁场的磁化作用,获得微弱磁性,并且被磁化的岩石的磁场与地磁场是一致的。这就是说,无论地磁场怎样改换方向,只要它的温度不高于“居里点”,岩石的磁性是不会改变的。根据这个道理,只要测出岩石的磁性,自然能推测出当时的地磁方向。这就是在地学研究中人们常说的化石磁性。在此基础之上,科学家利用化石磁性的原理,研究地球演化历史的地磁场变化规律,这就是古地磁说。 为了寻找大陆漂移说的新证据,科学家把古地磁学引入海洋地质领域,并取得令人鼓舞的成绩。 第二次世界大战之后,科学家使用高灵敏度的磁力探测仪,在大西洋洋中脊上的海面进行古地磁调查。之后,人们又使用磁力仪等仪器,以密集测线方式对太平洋进行古地磁测量。两次调查的资料使人们惊奇地发现,在大洋底部存在着等磁力线条带,而且呈南北向平行于大洋洋中脊中轴线的两侧,磁性正负相间。每条磁力线条带长约数百千米,宽度在数十千米至上百千米之间不等。海底磁性条带的发现,成为本世纪地学研究的一大奇迹。1963年,英国剑桥大学的一位年轻学者FJ瓦因和他的老师DH马修斯提出,如果“海底扩张”曾经发生过,那么,大洋中脊上涌的熔岩,当它凝固后应当保留当时地球磁场的磁化方向。就是说在洋脊两侧的海底应该有磁化情况相同的磁性条带存在。当地球磁场发生反转时,磁性条带的极性也应该发生反转,磁性条带的宽度可以作为两次反转时间的度量标准。这个大胆的假说,很快被证实了,人们在太平洋、大西洋、印度洋都找到了同样对称的磁性条带。不仅如此,科学家还计算出在7600万年中,地球曾发生过171次反转现象。 研究还发现,地球磁场两次反转之间的时间最长周期约为300万年,最短的周期约为5万年,两次反转的平均周期约为42~48万年。目前,地球的磁场方向己保留70万年了,所以,人们预感到一个新的磁场变化可能正在向我们靠近。 对于海底磁性条带的研究仍在继续之中,许多问题仍找不到令人满意的答案。例如,对于地球磁场为什么要来回反转这个最基本的问题,就无法解释清楚。尽管科学家们提出过种种假说,但其真正的原因还是不清楚的。也就是说,地球发生磁场转向的内在规律之谜,有待于科学家们去继续探索。再介绍铁磁材料 (1)铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和,不但磁化率>0,而且数值大到10-106数量级,其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。这种类型的磁性称为铁磁性。 (2)铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性;在居里温度以上,由于受到晶体热运动的干扰,原子磁矩的定向排列被破坏,使得铁磁性消失,这时物质转变为顺磁性。 (3)特点 A、磁性很强,通常所说的磁性材料主要是指这类物质。 B、磁滞现象。 C、自发磁化: 铁磁性物质内的原子磁矩,通过相邻晶格结点原子的电子壳层的作用,克服热运动的无序效应,原子磁矩是按区域自发平行排列、有序取向,按不同的小区域分布,这种现象称为自发磁化。 未配对的3d电子壳层: Fe、Ni、Co、Mn D、磁畴 自发磁化的小区域,称为磁畴。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 然后说明一下测量实验铁磁材料的居里点实验目的:初步了解铁磁物质有铁磁性转变为顺磁性的微观原理,学习用JLD——Ⅱ型居里点测试仪测量居里温度的原理和方法。实验仪器:JLD——Ⅱ型居里点测试仪一套(主机一台、加温炉一台、样品5只)、ST16B型示波器实验原理:对于铁磁物质来讲,由于有磁畴的存在,因此在外加的交变磁场作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热到一定的温度,由于金属点阵中的热运动的加剧,磁畴遭到破坏时,铁磁物质将转变为顺磁物质,磁滞现象消失,铁磁物质这一转变温度称为居里点。本居里点测试仪就是通过观察示波器上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。本仪器通过给绕在样品上的线圈通交变电流,从而产生交变磁场。在给加热炉加热过程中,在示波器上找出居里点。 实验步骤:1、将加热炉的连线接于电源箱前面的两接线柱上。将铁磁材料样品与电源箱用专用线连接,并把样品放在加热炉中。将温度传感器、降温风扇的接插件与接在电源前面板上的传感器接插件对应相接。2、将B输出与示波器上的Y输入,H输出与X输入用专用线相连接,“升温——降温”开关打向升温,开启电源箱上的电源开关,并适当调节示波器上Y、X调节,示波器上就显示出了磁滞回线。3、炉上的两风门(旋钮方向和加热炉的轴线方向垂直),将“测量——设置”开关打向“设置”,设定好炉温后,打向“测量”,加热炉工作,炉温逐渐升向设置的温度。4、温达到该样品的居里点时,磁滞回线消失,同时数显温度表显示测量的温度值——居里点。打开加热炉上的两风门(风门上的旋钮方向和加热炉的轴线方向平行),把“升温——降温”开关打向降温,让加热炉降温后,换一样品重复上述过程,直到样品测完为止。
“成功啦!”“成功啦!”“哈哈……”从我家里传出一阵阵笑声和欢呼声,这是我和伙伴们在做一个有趣的实验。在学校里,老师常在科技兴趣课上做许多有趣的实验,引起了我浓厚的兴趣。于是,在星期天,我邀来几个要好的朋友,神秘地说:“咱们做一个实验好吗?”听说我要做实验,邻居的小弟弟也被吸引过来。伙伴们七嘴八舌地问:“什么实验?”“是什么?”我像变戏法似地拿出一支蜡烛、一块磁铁和一根铁条。伙伴们不知我葫芦里卖的是什 么药,被我搞得丈二和尚摸不着头脑。我胸有成竹地把蜡烛点燃,立在桌面上,用一根铁条吸住磁铁,拿到火上去烧。开始,磁铁紧紧地贴在铁条上。蜡烛的火焰贪婪地舔着磁铁。不一会儿,磁铁像生病似的,有气无力地粘在铁条上,快要掉下来了。终于,“砰”的一声,磁铁落地了。“实验成功喽!成功喽!”大家手舞足蹈,那高兴劲儿就别提了。为什么磁铁遇热会失去磁性呢?大家心里不禁打起了一个问号,连忙去翻书找答案。我突然想起《少年科学画报》里有介绍科学知识的内容,就去翻《少年科学画报》。“找到了!”我惊喜地叫了起来,像哥伦布发现新大陆一般高兴。原来,磁和电子是分不开的,运动的电子周围就有磁,这叫电磁效应,电磁铁烧红了,它内部的分子热得乱窜,破坏了电子运动方向的一致性,磁效应作用互相抵消,所以整块“磁铁”不再显示磁性。我想:在家用电器中,收音机喇叭上有磁铁,就不能让高温物体接近。可想而知,电视机上也有喇叭,上面也有磁铁,原理不正是一样吗?如果高温物体靠近带有磁性的冰箱,冰箱不就被损坏了吗?怪不得说明书上强调不能接近高温物体。我把自己想法告诉大家,他们恍然大悟。邻居小弟弟似懂非懂,皱着眉头,一本正经地说:“好像懂了,又好像没懂。”一句话把我们逗得哈哈大笑。
自己上百度找,不过最好自己写,这里有一参考: 摘 要:介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态,对几种富有代表性的算法做了介绍,并比较了各自的优势和不足,包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。 关键词:矩量法;有限元法;时域有限差分方法;复射线方法 1 引 言 1864年Maxwell在前人的理论(高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在)和实验的基础上建立了统一的电磁场理论,并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律,这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式,最后得到解析解。这种方法可以得到问题的准确解,而且效率也比较高,但是适用范围太窄,只能求解具有规则边界的简单问题。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧,甚至无法求得解析解。20世纪60年代以来,随着电子计算机技术的发展,一些电磁场的数值计算方法发展起来,并得到广泛地应用,相对于经典电磁理论而言,数值方法受边界形状的约束大为减少,可以解决各种类型的复杂问题。但各种数值计算方法都有优缺点,一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决,常需要将多种方法结合起来,互相取长补短,因此混和方法日益受到人们的重视。 本文综述了国内外计算电磁学的发展状况,对常用的电磁计算方法做了分类。 2 电磁场数值方法的分类 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等,频域技术发展得比较早,也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑,某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时,频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算,然后做傅里叶反变换才能求得解答,计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化,采用时域法更加直接。另外还有一些高频方法,如GTD,UTD和射线理论。 从求解方程的形式看,可以分为积分方程法(IE)和微分方程法(DE)。IE和DE相比,有如下特点:IE法的求解区域维数比DE法少一维,误差限于求解区域的边界,故精度高;IE法适合求无限域问题,DE法此时会遇到网格截断问题;IE法产生的矩阵是满的,阶数小,DE法所产生的是稀疏矩阵,但阶数大;IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题,DE法可直接用于这类问题〔1〕。 3 几种典型方法的介绍 有限元方法是在20世纪40年代被提出,在50年代用于飞机设计。后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。目前,作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法,有限元法已非常著名。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。其定解问题为: 应用变分原理,把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题,利用对区域D的剖分、插值,离散化变分问题为普通多元函数的极值问题,进而得到一组多元的代数方程组,求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。一般要经过如下步骤: ①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。 ②剖分场域D,并选出相应的插值函数。 ③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题,得到如下一组代数方程组: 其中:Kij为系数(刚度)矩阵;Xi为离散点的插值。 ④选择合适的代数解法解式(2),即可得到待求边值问题的数值解Xi(i=1,2,…,N) (2)矩量法 很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程〔2〕: L(f)=g(3)其中:L是线性算子,f是未知的场或其他响应,g是已知的源或激励。 在通常的情况下,这个方程是矢量方程(二维或三维的)。如果f能有方程解出,则是一个精确的解析解,大多数情况下,不能得到f的解析形式,只能通过数值方法进行预估。令f在L的定义域内被展开为某基函数系f1,f2,f3,…,fn的线性组合: 其中:an是展开系数,fn为展开函数或基函数。 对于精确解式(2)通畅是无限项之和,且形成一个基函数的完备集,对近似解,将式 (2)带入式(1),再应用算子L的线性,便可以得到: m=1,2,3,… 此方程组可写成矩阵形式f,以解出f。矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。 在电磁散射问题中,散射体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数。他决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较,则可以采用一般的矩量法;如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围,那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。受计算机内存和计算速度影响,有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的,因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比(N为离散点数),而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。这时需要较高的数学技巧,如采用小波展开,选取合适的小波基函数来降维等〔3〕。 (3)时域有限差分方法 时域有限差分(FDTD)是电磁场的一种时域计算方法。传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的,这些年以来,时域计算方法也越来越受到重视。他已在很多方面显示出独特的优越性,尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程,利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式,这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。电场和磁场分量在空间被交叉放置,这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着,反之亦然。 这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。这正是电磁场的感应原理。这些关系构成FDTD法的基本算式,通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算,在执行到适当的时间步数后,即可获得所需要的结果。 在上述算法中,时间增量Δt和空间增量Δx,Δy和Δz不是相互独立的,他们的取值必须满足一定的关系,以避免数值不稳定。这种不稳定表现为在解显式 差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件: 其中:(对非均匀区域,应选c的最大值)〔4〕。 用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散,即在FDTD网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等,因此必须考虑数值色散问题。如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域,这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数,在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象,对此也应该进行定量的研究,以保证正确估计FDTD算法的精度。在开放问题中电磁场将占据无限大空间,而由于计算机内存总是有限的,只能模拟有限空间,因此差分网格在某处必将截断,这就要求在网格截断处不引起波的明显反射,使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。这就是在截断处设置吸收边界条件,使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射,当然不可能达到完全没有反射,目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求,如Mur所导出的吸收边界条件。 (4)复射线方法 复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式,在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位,从而直接得出局部不均匀波(凋落波)的传播和散射规律〔5〕。复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。其共同特点在于:通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束/射线束(Bundle ofrays)分析模型;通过费马原理及其延拓,由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术,构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。例如,复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间,利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索,从而求出复射线轨迹和复射线场。这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播,因此,提供了一类分析波束传播的简便方法。其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索,这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。 4 几种方法的比较和进展 将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情,他比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化,得到通用的计算程序,而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长,由于他是区域性解法,分割的元素数和节点数较多,导致需要的初始数据复杂繁多,最终得到的方程组的元数很大,这使得计算时间长,而且对计算机本身的存储也提出了要求。对电磁学中的许多问题,有限元产生的是带状(如果适当地给节点编号的话)、稀疏阵(许多矩阵元素是0)。但是单独采用有限元法只能解决开域问题。用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散,多年来人们一直在研究这个问题,试图找到一种有效、方便的离散方法,但由于电磁场领域的特殊性,这个问题一直没有得到很好的解决。问题的关键在于一方面对复杂的结构,一般的剖分方法难于适用;另一方面,由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关,因而人们采用了许多方法来减少存储量,如多重网格法,但这些方法的实现较为困难〔6〕。 网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一,采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整,在网格密集区采用高阶插值函数,以进一步提高精度,在场域分布变化剧烈区域,进行多次加密。 这些年有限元方法的发展日益加快,与其他理论相结合方面也有了新的进展,并取得了相当应用范围的成果,如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等,还包括一些尚处于探索阶段的工作,如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等,这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。 矩量法将连续方程离散化为代数方程组,既适用于求解微分方程,又适用于求解积分方程。他的求解过程简单,求解步骤统一,应用起来比较方便。然而 77他需要一定的数学技巧,如离散化的程度、基函数与权函数的选取,矩阵求解过程等。另外必须指出的是,矩量法可以达到所需要的精确度,解析部分简单,可计算量很大,即使用高速大容量计算机,计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用,已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。 FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式,得到关于场分量的有限差分式,针对不同的研究对象,可在不同的坐标系中建模,因而具有这几个优点,容易对复杂媒体建模,通过一次时域分析计算,借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应;能够实时在现场的空间分布,精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性;计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制,其网格空间不能无限制的增加,造成FDTD方法不能适用于较大尺寸,也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比FDTD网格尺寸小很多,若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸,而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合,目前这种技术正蓬勃发展,如时域积分方程/FDTD方法,FDTD/MOM等。FDTD的应用范围也很广阔,诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等〔7〕。 复射线技术具有物理模型简单、数学处理方便、计算效率高等特点,在复杂目标散射特性分析等应用领域中有重要的研究价值。典型的处理方式是首先将入射平面波离散化为一组波束指向平行的复源点场,通过特定目标情形下的射线追踪、场强计算和叠加各射线场的贡献,可以得到特定观察位置处散射场的高频渐进解。目前已运用复射线分析方法对飞行器天线和天线罩(雷达舱)、(加吸波涂层)翼身结合部和进气道以及涂层的金属平板、角形反射器等典型目标散射特性进行了成功的分析。尽管复射线技术的计算误差可以通过参数调整得到控制,但其本身是一种高频近似计算方法,由于入射波场的离散和只引入鞍点贡献,带来了不可避免的计算误差。总的来说复射线方法在目标电磁散射领域还是具有独特的优势,尤其是对复 杂目标的处理。 5 结 语 电磁学的数值计算方法远远不止以上所举,还有边界元素法、格林函数法等,在具体问题中,应该采用不同的方法,而不应拘泥于这些方法,还可以把这些方法加以综合应用,以达到最佳效果。 电磁学的数值计算是一门计算的艺术,他横跨了多个学科,是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。原则上讲,从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。为了跟上世界科技发展的需要,应大力进行电磁场的并行计算方法的研究,不断拓广他的应用领域,如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。 参考文献 〔1〕 文舸一.计算电磁学的进展与展望〔J〕.电子学报,1995,23(10):62- 〔2〕 刘圣民.电磁场的数值方法〔M〕.武汉:华中理工大学出版社,1991. 〔3〕 张成,郑宏兴.小波矩量法求解电磁场积分方程〔J〕.宁夏大学学报(自然科学版),2000,21(1):76- 〔4〕 王长清.时域有限差分(FD-TD)法〔J〕.微波学报,1989,(4):8- 〔5〕 阮颖诤.复射线理论及其应用〔M〕.成都:电子工业出版社,1991. 〔6〕 方静,汪文秉.有限元法和矩量法结合分析背腔天线的辐射特性〔J〕.微波学报,2000,16(2):139- 〔7〕 杨永侠,王翠玲.电磁场的FDTD分析方法〔J〕.现代电子技术,2001,(11):73- 〔8〕 洪伟.计算电磁学研究进展〔J〕.东南大学学RB (自然科学版),2002,32(3):335- 〔9〕 王长清,祝西里.电磁场计算中的时域有限差分法〔M〕.北京:北京大学出版社,1994. 〔10〕 楼仁海,符果行,袁敬闳.电磁理论〔M〕.成都:电子科技大学出版社,1996. 现代电子技术
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【摘要】体育科学横跨自然科学与社会科学两大门类,具有极强的综合性特征,有其独特的研究对象和科学方法,体育科研论文的写作亦有自己的特点与要求。本文仅就体育科研论文的文章结构、基本格式以及内容与要求作一探讨。【关键词】科研论文;文章结构;基本格式;内容与要求OntheBasicStructureandFormofSportsScienceThesis【Keywords】Thesis;StructureandForm;ContentandRequirement***1前言从事体育科学研究活动,必须具备多学科的知识、多方面的能力和科学的方法。体育科技写作,不仅是体育工作者应具备的知识和能力,而且是必须把握的一种具体的科研方法。因为,一切体育科学研究之成果最后大都以科研论文这种书面表达形式,经科技信息载体传播于世的。体育科研成果如不能最后写成科技作品(论文),公布于众,那么一切个人的科学见解和观点,一切创造和发明,都不可能得到传播和利用,产生应有的社会效益,而只能是研究者头脑里的一些思维活动罢了,世人是无法知晓的,如然,也就失去了科学研究的意义了。诚然,人们衡量体育科研论文质量的标准主要取决于其理论和实践价值的大小,然而,论文所反映的研究成果能否迅速的向社会传播并准确的被人们所理解则取决于论文写作水平的高低。这表明,一篇高质量的体育科研论文要求其内容和形式的统一。随着体育科学的迅速发展,科技信息量与日俱增,据报道,目前全世界体育期刊已达5000余种,每年问世的体育科技文献约25000—30000篇,平均天天有80余篇。体育科研成果的传播、贮存与利用,引起了人们的高度重视,借助于现代科技工具——计算机对体育科技成果、信息进行贮存、检索,使之迅速地传播与利用,已成为一种先进的传播交流手段。微机贮存与检索,要求体育科技学术期刊编排实现规范化,而期刊编排规范化首先要求论文写作的规范化。要实现体育科研论文写作的规范化,就必须了解体育科技写作知识,把握其写作方法和技巧。笔者因职业之原故,拜读体育科研论文原稿颇多,从研读原稿论文感到许多科研论文的选题和所研究的内容颇有价值,但论文写作不符合期刊编排规范化和科研论文撰写的要求。其中最为普遍的突出的问题是文章结构层次混乱、写作格式极不统一(尤其是理论型和实验型的“定量化”研究论文)。这不仅给编者和读者熟悉和理解论文之精髓增加了难度,也直接影响了体育科研成果的传播、贮存和利用。体育科技写作,作为一种科研方法,涉及的知识结构内容颇多,不同文体的体育科技作品有不同的写作要求。本文仅对体育科研论文的文章结构和基本撰写格式的内容与要求作一探讨。2体育科研论文的文章结构根据写作目的的不同、研究对象和方法的差别,体育科研论文大致分为两类,一类是学位论文,一类是学术论文。学位论文,是体育院校的学生或体育科研院(所)研究人员旨在取得学位而写作的论文。如学士论文、硕士论文、博士论文。学术论文,是广大体育工作者在体育实践中为研究和解决某一问题而写作的论文。目前,体育科学技术、理论研究的新成果大部分都是以学术论文的形式发表在体育科技学术刊物上。由于研究对象和方法的差别,学术论文又分为两种类型,即理论型论文和实验型论文。虽然体育科研论文的种类很多,构成的形式多样,但就其文章的主体结构有它的基本型,即序论、本论、结论的三段式。2。1序论部分的写作内容与要求序论,是论文的开头、引子,好比一出长剧的序幕,要有吸引力。通常以引言、导言、绪言、前言等小标题冠之,也可以不冠以任何小标题。该部分的写作内容主要有三个方面:①介绍课题研究的背景材料,前人的工作和现在的知识空白;②研究的理由、目的,理论依据和实验基础,预期结果及其在相关领域里的地位、作用和意义;③交待课题研究的范围、任务。这一部分要写得简明扼要,在整篇文章中它所占的比例要小。具体要求是背景材料的介绍要准确、具体,紧扣课题;研究的说明要实事求是,对作用意义不可夸大和自我评价;任务的交待应具体、明确。2。2本论部分的写作内容与要求本论也称正论,它是体育科研论文的主体,课题的“创造性”主要在这一部分表达出来,它反映了论文所建立的学术理论、采用的技术路线和研究方法达到的水平,简言之,本论水平决定了整个论文的水平。
一种四官能度环氧树脂的合成 高效过滤材料性能的研究 浅谈渗碳,氮化技术的发展与 高强高耐蚀性钎焊铝合金材料 碳锡复合多孔材料的制备及储 炭石墨复合材料的制备及性能 预制件的制备及其性能的研究 高氮微合金钢轧制组织与性能 等等 参考地址:
先介绍一下居里点the Curie temperature 居里点或居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体,此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体,磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。19世纪末,著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性,就是当磁石加热到一定温度时,原来的磁性就会消失。后来,人们把这个温度叫“居里点”。在地球上,岩石在成岩过程中受到地磁场的磁化作用,获得微弱磁性,并且被磁化的岩石的磁场与地磁场是一致的。这就是说,无论地磁场怎样改换方向,只要它的温度不高于“居里点”,岩石的磁性是不会改变的。根据这个道理,只要测出岩石的磁性,自然能推测出当时的地磁方向。这就是在地学研究中人们常说的化石磁性。在此基础之上,科学家利用化石磁性的原理,研究地球演化历史的地磁场变化规律,这就是古地磁说。 为了寻找大陆漂移说的新证据,科学家把古地磁学引入海洋地质领域,并取得令人鼓舞的成绩。 第二次世界大战之后,科学家使用高灵敏度的磁力探测仪,在大西洋洋中脊上的海面进行古地磁调查。之后,人们又使用磁力仪等仪器,以密集测线方式对太平洋进行古地磁测量。两次调查的资料使人们惊奇地发现,在大洋底部存在着等磁力线条带,而且呈南北向平行于大洋洋中脊中轴线的两侧,磁性正负相间。每条磁力线条带长约数百千米,宽度在数十千米至上百千米之间不等。海底磁性条带的发现,成为本世纪地学研究的一大奇迹。1963年,英国剑桥大学的一位年轻学者FJ瓦因和他的老师DH马修斯提出,如果“海底扩张”曾经发生过,那么,大洋中脊上涌的熔岩,当它凝固后应当保留当时地球磁场的磁化方向。就是说在洋脊两侧的海底应该有磁化情况相同的磁性条带存在。当地球磁场发生反转时,磁性条带的极性也应该发生反转,磁性条带的宽度可以作为两次反转时间的度量标准。这个大胆的假说,很快被证实了,人们在太平洋、大西洋、印度洋都找到了同样对称的磁性条带。不仅如此,科学家还计算出在7600万年中,地球曾发生过171次反转现象。 研究还发现,地球磁场两次反转之间的时间最长周期约为300万年,最短的周期约为5万年,两次反转的平均周期约为42~48万年。目前,地球的磁场方向己保留70万年了,所以,人们预感到一个新的磁场变化可能正在向我们靠近。 对于海底磁性条带的研究仍在继续之中,许多问题仍找不到令人满意的答案。例如,对于地球磁场为什么要来回反转这个最基本的问题,就无法解释清楚。尽管科学家们提出过种种假说,但其真正的原因还是不清楚的。也就是说,地球发生磁场转向的内在规律之谜,有待于科学家们去继续探索。再介绍铁磁材料 (1)铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和,不但磁化率>0,而且数值大到10-106数量级,其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。这种类型的磁性称为铁磁性。 (2)铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性;在居里温度以上,由于受到晶体热运动的干扰,原子磁矩的定向排列被破坏,使得铁磁性消失,这时物质转变为顺磁性。 (3)特点 A、磁性很强,通常所说的磁性材料主要是指这类物质。 B、磁滞现象。 C、自发磁化: 铁磁性物质内的原子磁矩,通过相邻晶格结点原子的电子壳层的作用,克服热运动的无序效应,原子磁矩是按区域自发平行排列、有序取向,按不同的小区域分布,这种现象称为自发磁化。 未配对的3d电子壳层: Fe、Ni、Co、Mn D、磁畴 自发磁化的小区域,称为磁畴。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 然后说明一下测量实验铁磁材料的居里点实验目的:初步了解铁磁物质有铁磁性转变为顺磁性的微观原理,学习用JLD——Ⅱ型居里点测试仪测量居里温度的原理和方法。实验仪器:JLD——Ⅱ型居里点测试仪一套(主机一台、加温炉一台、样品5只)、ST16B型示波器实验原理:对于铁磁物质来讲,由于有磁畴的存在,因此在外加的交变磁场作用下将产生磁滞现象。磁滞回线就是磁滞现象的主要表现。如果将铁磁物质加热到一定的温度,由于金属点阵中的热运动的加剧,磁畴遭到破坏时,铁磁物质将转变为顺磁物质,磁滞现象消失,铁磁物质这一转变温度称为居里点。本居里点测试仪就是通过观察示波器上显示的磁滞回线的存在与否来观察测量铁磁物质的这一转变温度的。本仪器通过给绕在样品上的线圈通交变电流,从而产生交变磁场。在给加热炉加热过程中,在示波器上找出居里点。 实验步骤:1、将加热炉的连线接于电源箱前面的两接线柱上。将铁磁材料样品与电源箱用专用线连接,并把样品放在加热炉中。将温度传感器、降温风扇的接插件与接在电源前面板上的传感器接插件对应相接。2、将B输出与示波器上的Y输入,H输出与X输入用专用线相连接,“升温——降温”开关打向升温,开启电源箱上的电源开关,并适当调节示波器上Y、X调节,示波器上就显示出了磁滞回线。3、炉上的两风门(旋钮方向和加热炉的轴线方向垂直),将“测量——设置”开关打向“设置”,设定好炉温后,打向“测量”,加热炉工作,炉温逐渐升向设置的温度。4、温达到该样品的居里点时,磁滞回线消失,同时数显温度表显示测量的温度值——居里点。打开加热炉上的两风门(风门上的旋钮方向和加热炉的轴线方向平行),把“升温——降温”开关打向降温,让加热炉降温后,换一样品重复上述过程,直到样品测完为止。
不知道怎么写的话也可以参考下别人是怎么写的呀~看下(材料科学)或者(材料化学前沿)这样类似的期刊多学习学习下呗~
关于磁性材料的论文题目大全初中生
1、软磁材料的发展软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。随着电力工及电讯技术的兴起,开始使用低碳钢制造电机和变压器,在电话线路中的电感线圈的磁芯中使用了细小的铁粉、氧化铁、细铁丝等。到20世纪初,研制出了硅钢片代替低碳钢,提高了变压器的效率,降低了损耗。直至21世纪,硅钢片在电力工业用软磁材料中仍居首位。到20世纪20年代,无线电技术的兴起,促进了高导磁材料的发展,出现了坡莫合金及坡莫合金磁粉芯等。从40年代到60年代,是科学技术飞速发展的时期,雷达、电视广播、集成电路的发明等,对软磁材料的要求也更高,生产出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料。进入70年代,随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展,研制出了磁头用软磁合金,除了传统的晶态软磁合金外,又兴起了另一类材料——非晶态软磁合金。 2、常用软磁磁芯的种类铁、钴、镍三种铁磁性元素是构成磁性材料的基本组元。按(主要成分、磁性特点、结构特点)制品形态分类:(1) 粉芯类: 磁粉芯,包括:铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯(High Flux)、坡莫合金粉芯(MPP)、铁氧体磁芯(2) 带绕铁芯:硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金2、含自由基磁性高分子一种形成有机自旋体系的方法是使有机自由基形成一定的有序结构,进而表现出铁磁性。可以设计分子结构,通过氢键使自由基相互连接,得到磁有序状态,第一个通过氢键组合自由基形成的有机铁磁体是在1994年由Sugawara等合成的。之后,Veciana等也制备了几种类似结构的苯基硝基硝氧基自由基的衍生物,其中一种间位结构的RSNN在45k有铁磁性的相转变。另一种方法是制备成高分子使有机自由基稳定并呈现铁磁性有序。从合成有机聚合物铁磁体来看,聚二乙炔衍生物要比聚乙炔衍生物更易使其中的自由基稳定和呈现铁磁性。将含有有机自由基的单体聚合,通过高分子链的传递作用使自由基中的电子自旋发生耦合,从而表现出宏观的磁性。如Ovchinnikov等在1987年制备的第一个有机磁性高分子BIPO,单体分子中具有两个可进行聚合反应的三键,以及两个带有哌啶环的亚硝酰稳定的自由基。Ovchinnikov提出了超交换模型,从理论上分析了这种含自由基的高分子的磁性来源。更多内容参照刘爽老师论文。
“成功啦!”“成功啦!”“哈哈……”从我家里传出一阵阵笑声和欢呼声,这是我和伙伴们在做一个有趣的实验。在学校里,老师常在科技兴趣课上做许多有趣的实验,引起了我浓厚的兴趣。于是,在星期天,我邀来几个要好的朋友,神秘地说:“咱们做一个实验好吗?”听说我要做实验,邻居的小弟弟也被吸引过来。伙伴们七嘴八舌地问:“什么实验?”“是什么?”我像变戏法似地拿出一支蜡烛、一块磁铁和一根铁条。伙伴们不知我葫芦里卖的是什 么药,被我搞得丈二和尚摸不着头脑。我胸有成竹地把蜡烛点燃,立在桌面上,用一根铁条吸住磁铁,拿到火上去烧。开始,磁铁紧紧地贴在铁条上。蜡烛的火焰贪婪地舔着磁铁。不一会儿,磁铁像生病似的,有气无力地粘在铁条上,快要掉下来了。终于,“砰”的一声,磁铁落地了。“实验成功喽!成功喽!”大家手舞足蹈,那高兴劲儿就别提了。为什么磁铁遇热会失去磁性呢?大家心里不禁打起了一个问号,连忙去翻书找答案。我突然想起《少年科学画报》里有介绍科学知识的内容,就去翻《少年科学画报》。“找到了!”我惊喜地叫了起来,像哥伦布发现新大陆一般高兴。原来,磁和电子是分不开的,运动的电子周围就有磁,这叫电磁效应,电磁铁烧红了,它内部的分子热得乱窜,破坏了电子运动方向的一致性,磁效应作用互相抵消,所以整块“磁铁”不再显示磁性。我想:在家用电器中,收音机喇叭上有磁铁,就不能让高温物体接近。可想而知,电视机上也有喇叭,上面也有磁铁,原理不正是一样吗?如果高温物体靠近带有磁性的冰箱,冰箱不就被损坏了吗?怪不得说明书上强调不能接近高温物体。我把自己想法告诉大家,他们恍然大悟。邻居小弟弟似懂非懂,皱着眉头,一本正经地说:“好像懂了,又好像没懂。”一句话把我们逗得哈哈大笑。
稀土对花卉植物开花期的影响上海宝山区海滨二中 张蕾菁 吴军等随着人民生活水平的提高,人们对鲜花的需求也增加了。鲜花色彩艳丽,清香宜人,但都有花期不长久的缺陷。人们为延长鲜花的保鲜期,曾使用过不少试剂,如阿斯匹林等。我们则尝试用稀土来延长植物的开花期。稀土是一类稀有元素。农用稀土主要是镧和铈元素的化合物。它对植物生长有一定促进作用。为了解它对花期和花的大小有否影响,我们做了以下实验。一、实验材料农乐粉状物(一种稀土肥料),金盏菊,烧杯。二、实验过程和记录将农乐配制成5种不同浓度的溶液,将金盏菊朵插入,另外设一对照组。列表如下:花直径为3—4cm 农乐溶液 情况记录 对照 50mg/100ml 花盛开,1周后凋谢 花6天后谢 100mg/100ml 花刚开,2周后谢,花盛开时比对照组略大 花6天后谢 150mg/100ml 花盛开,1周多后凋谢,叶色好 花6天后谢,枝上叶比前较差 200mg/100ml 花盛开,1周多后凋谢,叶色好 花6天后谢,枝上叶比前较差 300mg/l00ml 花盛开,1周多后凋谢,叶色好 花6天后谢,枝上叶比前较差 三、分析和讨论从上述实验记录可以认为:稀土对鲜花的开放时间有一定的延长作用。从50mg/100ml稀土溶液到3OOmg/100ml稀土溶液都有一定的延长开花期的作用,而且使花朵的直径也略有扩大。金盏菊施加稀土后一般能延长开花2--4天。我们认为,这与稀土能促进植物生命活动,促进叶绿素形成,增加有机物合成(加稀土溶液的植物叶色较深)有关。稀土也许有促进植物生殖器官吸收有机养料的作用。我们还发现,稀土浓度越高(在300mg/l00ml以下),延长花朵开放的时间也越长。至于浓度到达多高才会有负作用,我们还得在以后作进一步研究。稀土是一种含微量元素的化合物,对植物生长有一定的促进作用。张、吴二位同学用农用稀土——农乐做延长花卉植物花期的试验,是很有实用价值的。从文章来看,这两位同学确实做了不少工作,也取得了可喜的成果,可嘉可勉。当然,和大多数初次独立进行科学实验的同学一样,他们在实验方法和实验报告的表述方面还显得不够成熟。不过这没关系,以后多开展一些这样的活动,多看一些课外书籍,他们一定会做得更好。与许多同龄人相比,他们已经领先一步了。首先,从报告的内容来看,作者只进行了一种花卉——金盏菊的花期实验,所以,报告的题目似改为“稀土对金盏菊花期的影响”更贴切一些。要知道,植物是一个外延很大的概念,在科学研究报告中是不能随意乱用的。把稀土对某一种植物有作用看作是对所有植物都有相同的作用,那是不行的。这叫以偏概全,往往会酿成大错。第二,极稀溶液的浓度应用ppm(百万分之一)表示,如文中的“50mg/lOOml"可表示为500ppm。第三,在报告中应该明确记录用金盏菊做试验的数量和次数(至少10株金盏菊,反复多次)。第四,花的开放有始花期、盛花期和凋谢期,它们的具体日期要记录明确、完整。注意,实验记录中的数据必须是明确的,如“6天”“23小时”等,不能出现“1周多”“10多天”之类比较含糊的数据,要不然“稀土越浓,花期越长”有何根据?(选自《中学科技》1994年第4期)