各向同性

霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。

这个电势差也被叫做霍尔电势差。

本质：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。

平行电场和电流强度之比就是电阻率。

大量的研究揭示：参加材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。

应用：霍尔效应在应用技术中特别重要。

霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

好比一条路，本来大家是均匀的分布在路面上, 往前移动. 当有磁场时，大家可能会被推到靠路的右边行走. 故路(导体) 的两侧, 就会产生电压差. 这个就叫“霍尔效应”。

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。

讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

例如汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。

这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。

各向同性材料弹性常数间的关系推导*§8－8 各向同性材料弹性常数之间的关系在建⽴应⼒和应变间的关系时，对于各向同性材料，引⽤了三个弹性常数，它们是E 、G 、µ。

§3－3中曾经提到，三个弹性常数之间存在着以下关系2(1)E G µ=+ (8-21) 现在就证明这个关系。

图8－22 变⼀纯剪切应⼒状态下的单元体。

根据倒8－3的分析，主应⼒σ1存在于α0＝－45°的主平⾯上，σ3存图8－22在于α0＝－135°的主平⾯上，且σ1＝－σ3＝τ。

将σ1和σ3代⼊公式（8－18）1123223133121[()]1[()]1[()]E E E εσµσσεσµσσεσµσσ??=-+=-+=-+????(8－18)（单元体的周围六个⾯皆为主平⾯时，⼴义胡克定律）并令σ2＝0，得出σ1⽅向的线应变为1131()(1)E Eτεσµσµ=-=+ (a) 此外，由剪切胡克定律，可以求得直⾓xoy 的剪应变xy λ为xy xy G G ττλ== （b ）对单元体abcd 来说，由于0x y z σσσ===，故有0x y εε==。

将所求出的x ε、y ε、xy γ代⼊公式（8－11），c o s 2s i n 2222x y x y x y αεεεεγεαα+-=+- （8－11）（平⾯应变状态分析），并令45α=- ，再次求得沿σ1⽅向的应变为12xyγε=将（b ）式代⼊上式，得12G τε= （c ）令（a ）,(c) 两式相等，便可得到需要证明的关系式2(1)E G µ=+，因为⼴义胡克定律只适⽤于各向同性材料，因⽽由⼴义胡克定律导出的以上关系式，也只适⽤于各向同性材料。

以上参考《材料⼒学》刘鸿⽂主编第⼆版上册§8－9 复杂应⼒状态下的变形⽐能这⼀章能过变形⽐能推导。

如果应⼒和应变关系是线性的，变形⽐能的公式12u σε=。

【专业讲堂】CFRP：如何理解各向同性、准各向同性和各向异性？编者按：CFRP领域专业术语较多、知识内容繁杂，⽽为了提⾼CFRP领域的丰富专业知识、提升专业技能，特开辟专业知识讲堂板块，为⼤家介绍CFRP领域丰富的专业知识，欢迎⼤家多多指正，相互学习、共同进步！⾼性能碳纤维以优异的⾼⽐强度和⾼⽐刚度著称，⽽在碳纤维应⽤时我们需要了解纤维取向会如何影响碳纤维增强塑料（CFRP）层压板的强度和刚度。

CFRP层压板有多种设计⽅法，⽽层压板倾斜⽅向不同就会产⽣不同的结构属性，⽽这些属性主要分为：各向同性、准各向同性和各向异性。

各向同性：在材料任何⽅向上经测试得到的强度和刚度均相同，这种材料即为各向同性材各向同性料，其典型代表如：玻璃、⾦属等。

准各向同性：材料仅在某⼀平⾯内具有各向同性，换句话说，材料强度和刚度在零件平⾯准各向同性：内所有⽅向上均相等，但垂直⾯上可能会存在差异。

⼤多数CFRP层压板都属于此类。

各向异性：在整个材料的不同⽅向上具有不同强度和刚度的材料。

例如，⽤全部沿⼀个⽅各向异性向取向的纤维制成的碳纤维层压材料是完全各向异性的。

其他层压板设计可以具有不同程度的各向异性，这主要取决于层压板设计的平衡程度。

准各向同性碳纤维层合板的制备当纤维在铺层中的取向平衡时，CFRP层压板便具有准各向同性的特性，进⽽⽆论材料的加载⽅向如何，其强度和刚度均保持不变。

⽆论单个碳纤维层或层压板是由机织物或单向碳纤维制成，将它们组合成设计合理的层压板堆中时，都可以形成各向同性材料。

准各向同性CFRP层合板是在层合板的⽅向保持平衡的情况下制成的，这样层合板的拉伸强度在每个平⾯⽅向上都是相同的。

通常，准各向同性板是使⽤碳纤维织物制成的，其铺层⽅向为0°、90°、+45°和-45°，其中⾄少12.5%的铺层在这四个⽅向上。

0°、60°和120°定向单向层也可以达到准各向同性性能。

横观各向同性
横观各向同性现象在地质材料中比较常见，各向异性性状对岩体的应力一应变分析以及破坏力学行为有很重要的影响，国内外学者做了很多的研究工作。

各向同性指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同，亦称均质性。

横观各向同性体是各向异性体的特殊情况。

在岩石某一平面内的各方向弹性性质相同，这个面称为各向同性面，而垂直此面方向的力学性质是不同的，具有这种性质的物体称为横观各向同性体。

横观各向同性体的特点是在平行于各向同性面（横向）都具有相同的弹性。

物理性质不随量度方向变化的特性。

即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。

如所有的气体、液体（液晶除外）以及非晶质物体都显示各向同性。

例如：金属和岩石虽然没有规则的几何外形，各方向的物理性质也都相同，但因为它们是由许多晶粒构成的，实质上它们是晶体，也具有一定的熔点。

由于晶粒在空间方位上排列是无规则的，所以金属的整体表现出各向同性。

体力学中，如果弹性体的沿个方向的性质均相同，或者说材料关于任意平面对称，这时的弹性体称为各向同性材料。

各向同性、各向异性理‎解1、ortho‎tropi‎c和ani‎s otro‎p ic的区‎别isotr‎o pic各‎向同性ortho‎t ropi‎c正交各向‎异性的aniso‎t ropi‎c各向异性‎的uniax‎i al单轴‎的我只说一下‎o rtho‎tropi‎c和ani‎s otro‎pi c的区‎别:ortho‎t ropi‎c主要是材‎料在不同垂‎直方向上有‎着不同的物‎理性质和参‎数,意思就是如‎果处在同一‎个角度的平‎面上,那么同平面‎的材料是具‎有着相同的‎物理性质的‎.aniso‎t ropi‎c则是完全‎有方向角度‎决定的物理‎参数,只要方向有‎不同,物理性质则‎完全不同.2、各向同性和‎各向异性物理性质可‎以在不同的‎方向进行测‎量。

如果各个方‎向的测量结‎果是相同的‎,说明其物理‎性质与取向‎无关,就称为各向‎同性。

如果物理性‎质和取向密‎切相关，不同取向的‎测量结果迥‎异，就称为各向‎异性。

造成这种差‎别的内在因‎素是材料结‎构的对称性‎。

在气体、液体或非晶‎态固体中，原子排列是‎混乱的,因而就各个‎方向而言,统计结果是‎等同的，所以其物理‎性质必然是‎各向同性的‎。

而晶体中原‎子具有规则‎排列，结构上等同‎的方向只限‎于晶体对称‎性所决定的‎某些特定方‎向。

所以一般而‎言，物理性质是‎各向异性的‎。

例如，α－铁的磁化难‎易方向如图‎所示。

铁的弹性模‎量沿[111]最大(7700k‎gf/mm),沿[100]最小(6400k‎g f/mm)。

对称性较低‎的晶体（如水晶、方解石）沿空间不同‎方向有不同‎的折射率。

而非晶体(过冷液体)，其折射率和‎弹性模量则‎是各向同性‎的。

晶体的对称‎性很高时，某些物理性‎质(例如电导率‎等)会转变成各‎向同性。

当物体是由‎许多位向紊‎乱无章的小‎单晶组成时‎，其表观物理‎性质是各向‎同性的。

一般合金的‎强度就利用‎了这一点。

倘若由于特‎殊加工使多‎晶体中的小‎单晶沿特定‎位向排列（例如金属的‎形变“织构”、定向生长的‎两相晶体混‎合物等），则虽然是多‎晶体其性能‎也会呈现各‎向异性。

各向同性的名词解释各向同性是物理学中一个重要的概念，常常用于描述一些物理现象和材料的特性。

它可以简单地理解为在各个方向上都具有相同的性质或特征。

各向同性在科学研究和工程应用中起着至关重要的作用，下面将对各向同性进行更详细的解释和讨论。

1. 各向同性的定义与特征各向同性是指在任何方向上都具有相同的性质或特征。

在几何学中，一个具有各向同性的对象可以通过旋转或镜像操作，在不改变其外观或性质的情况下，被重叠到任何方向。

对于材料或物质而言，各向同性意味着其物理性质在不同方向上是均匀的，例如密度、热导率、电导率和机械强度等。

2. 各向同性在材料科学中的应用各向同性在材料科学中具有广泛的应用。

很多材料（如水、空气等常见物质）在宏观上表现出各向同性，即其物理性质在任何空间方向上都是相同的。

这种各向同性的特性使得我们能够更好地描述和研究材料的行为，从而更好地预测和控制物质的性能。

3. 异向性与各向同性的对比与各向同性相对的是异向性。

如果一个物质在不同的方向上具有不同的性质或特征，那么我们称其为具有异向性。

例如，某些晶体材料的结构决定了其在不同方向上具有不同的物理性质，如折射率和电阻率等。

这种异向性在材料科学和工程中起着重要作用，因为它能够赋予材料特殊的功能和性能。

4. 各向同性在物理学中的应用各向同性在物理学中有着广泛的应用。

例如，在电磁学中，我们通常假设自然界是各向同性的，这意味着电磁波在空间中的传播速度是不变的。

在这种假设下，我们可以更好地理解和研究电磁波的行为，从而应用于无线通信、天文学等领域。

此外，在热力学和统计物理学中，各向同性也是经常用于描述系统行为的基本假设。

通过假设系统在各个方向上具有相同的性质，我们可以使用更简洁而有效的数学模型来描述和解释实验结果。

5. 实际应用中的各向同性与异向性然而，在实际应用中，各向同性和异向性并非是严格的二分法。

许多材料和系统在不同的尺度上具有各向同性与异向性的复合特征。

各向同性石墨(isotropic graphite)各向同性石墨是指石墨微晶无序地取向排列，具有各向同性结构的石墨材料。

通常指异向度小于1.10的石墨材料。

各向同性石墨是20世纪60年代出现的炭素新材料，日本东洋炭素株式会社1962年用等静压成型法研制出各向同性石墨，该株式会社同大阪工业技术试验所合作，对配料、混合、成型、焙烧等关键工序进行研究，1971年完成了商品化生产，随后世界各工业化国家相继建立了等静压设备，研究生产各向同性石墨。

性能各向同性石墨具有高密度、高强度、各向异性比小，有较宽的晶粒尺寸范围，而且具有中等大小的模量和断裂应力，在断裂前能长时间保持着高弹性应变，在偏光下呈非光学活性，抗磨性能好、开口气孔率低等特点。

(表1)制造工艺各向同性石墨制造工艺除在原料制备、成型设备、成型工艺上与其他石墨材料制造工艺不同外，均与其他石墨材料制造工艺相同。

(1)原材料。

目前制造各向同性石墨所使用的原材料大致有以下几种：1)天然沥青采用特殊工艺生产球状焦，这种原料本身具有各向异性小的特点。

2)采用普通的焦炭如石油焦、沥青焦。

3)将沥青原料在400～430℃热处理1～2h，使其产生球晶，然后用喹啉提取直径为10μm左右的球状物为原料。

4)以煤沥青，石油裂解残渣中添加无机改性材料(如碳酸钙或碳酸氢钠)经混捏、炭化制备成焦炭为原料。

5)以生焦为原料，不加黏结剂，直接成型。

(2)成型设备。

目前国外普遍采用冷等静压机。

近年来也有采用热等静压机和振动成型压机。

(3)成型工艺。

目前广泛采用冷等静压一湿袋法(也称橡皮压法)(Cold Isos tatic Pressing，简称为CIP)。

其操作见图。

应用和发展由于各向同性石墨的内部均匀性、各向异性小、机械强度、抗腐蚀性及高温特性等方向均优于一般石墨材料，因此，这类材料已广泛应．用于机械、化工、冶金、电工、原子反应堆及生物炭材料，并且是制造石墨密封、轴承、电刷、坩埚及电加工用电极的理想材料。