高中物理 第2章 磁场2.5 磁性材料

高中物理 第2章 磁场2.5 磁性材料

‎2.5 磁性材料 ‎ ‎1.磁性材料    磁性材料按化学成分分类，基本上可分为金属磁性材料与铁氧体两大类。金属磁性材料主要是铁、镍、钴元素及其合金，如铁硅合金、铁镍合金、铁钴合金、钐钴合金、铂钴合金、锰铝合金等等。铁氧体是指以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。‎ 性材料被磁化后，它们的磁性并不因为外磁场的消失而完全消失，仍然剩余一部分磁性。按剩磁的情形分为软磁性材料和硬磁性材料。软磁性材料的剩磁弱，而且容易退磁。硬磁性材料的剩磁强，而且不容易退磁，适合于制成永久磁铁。‎ ‎2. 磁化与退磁    使 原来不显磁性的物体在磁场中获得磁性称为磁化。分子电流假说可以解释磁化过程。一根软铁棒在未被磁化前，内部各分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互 相抵消，对外界不显磁性。当软铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大体一致，软铁棒就被磁化了，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极。‎ 何物质在磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。物质被磁化以后，就成为了一个磁体，与磁化它的磁体间发生同极相斥异极相吸的作用。铁、钴、 锰能够被强烈磁化，所以能被磁铁吸住。像铜、铝这些金属，磁化非常弱，受到的磁力也就很弱，基本看不出来，这就是磁铁不能吸铜和铝的缘故。‎ 磁体受到高温或猛烈的敲击会失去磁性，这是因为在激烈的热运动或机械运动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了。‎ ‎3.最新磁性材料 磁性是物质的基本属性，磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料，纳米磁性材料是20世纪70年代后逐步产生、发展、壮大而成为最富有生命力与宽广应用前景的新型磁性材料。美国政府今年大幅度追加纳米科技研究经费，其原因之一是磁电于器件巨大的市场与高科技所带来的高利润，其中巨磁电阻效应高密度读出磁头的市场估计为10亿美元，目前己进入大规模的工业生产，磁随机存储器的市场估计为1千亿美无，预计不久将投入生产，磁电子传感器件的应用市场亦十分宽广。‎ 纳米磁性材料及应用大致上可分三大类型：‎ ‎1．纳米颗粒型 ‎* 磁记录介质 * 磁性液体 * 磁性药物 * 吸波材料 ‎2．纳米微晶型 ‎* 纳米微晶永磁材料 * 纳米微晶软磁材料 ‎3．纳米结构型 ‎* 人工纳米结构材料 薄膜，颗粒膜，多层膜，隧道结 ‎* 天然纳米结构材料 钙钛矿型化合物 纳米磁性材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于与磁相关的特征物理长度恰好处于纳米量级，例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100nm量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。‎ 磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防，国民经济的方方面面紧密相关，磁记录材料至今仍是信息工业的主体，磁记录工业的产值约1千亿美元，为了提高磁记录密度，磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米，亚微米向纳米尺度过度，例如合金磁粉的尺寸约80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸约40nm，进一步发展的方向是所谓"量子磁盘"，利用磁纳米线的存储特性，记录密度预计可达400Gb／in2，相当于每平方英寸可存储 20万部红楼梦，由超顺磁性所决定的极限磁记录密度理论值约为6000Gb／in2。近年来，磁盘记录密度突飞猛进，现己超过10Gb／in2，其中最主要的原因是应用了巨磁电阻效应读出磁头，而巨磁电阻效应是基于电子在磁性纳米结构中与自旋相关的输运特性。‎ 磁性液体最先用于宇航工业，后应用于民用工业，这是十分典型的纳米颗粒的应用，它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥散在基液中而构成。目前美、英、日、俄等国都有磁性液体公司，磁性液体广泛地应用于旋转密封，如磁盘驱动器的防尘密封、高真空旋转密封等，以及扬声器、阻尼器件、磁印刷等应用。‎ 磁性纳米颗粒作为靶向药物，细胞分离等医疗应用也是当前生物医学的一热门研究课题，有的已步入临床试验。‎ ‎1967年SmCO5。第一代稀土永磁材料问世，树立了永磁材料发展史上新的里程碑，1972年第二代Sm2CO17；；稀土永磁材料研制成功，1983年高性能。低成本的第三代稀土永磁材料 NdFeB诞生，奠定了稀土永磁材料在永磁材料中的霸主地位。1993年日本稀土永磁的产值首次超过永磁铁氧体，预计2000年全球烧结NdFeB的产值将达到30亿美元，并超过永磁铁氧体。烧结NdFeB的磁性能为永磁铁氧体的12倍，因此，在相似的情况下，体积、重量均将大为减小，从而可实现高效、低能的目的。纳米复合双柏稀土永磁材料适用于制备微型、异型电机，是稀土永磁材料研究与应用中的重要方向。‎ 软磁材料的发展经历了晶态、非晶态、纳米微晶态的历程。纳米做晶金属软磁材料具有十分优异的性能，高磁导率，低损耗、高饱和磁化强度，己应用于开关电源、变压器。传感器等，可实现器件小型化、轻型化、高频化以及多功能化，近年来发展十分迅速。‎ 磁电子纳米结构器件是20世纪末最具有影响力的重大成果。除巨磁电阻效应读出磁头、MRAM、磁传感器外，全金属晶体管等新型器件的研究正方兴未艾。磁电子学已成为一门颇受青睐的新学科。‎ ‎4.地磁场 磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论 英国物理学家吉伯(William Gilbert)于1600年首次证实地球存在地磁场。‎ 在近似情况下，地磁场和一均匀磁化球体或磁偶极子的磁场分布相类似，地磁场由稳定磁场和变化磁场两部分组成，其中大约94％为稳定磁场。‎ 关于稳定磁场的起源有多种假说，主要一种假说认为地核中物质对流动所形成的涡流是偶极子磁场的形成原因。变化磁场主要起因于电离层中存在的电流和太阳喷射出来的带电粒子流。‎ 经笔者对地磁场研究后认为，地磁场的真正来源是地球温差电的自转相对运动产生的电磁场，其中的磁场就是电磁场。‎ ‎⑴地球的温差电现象 如果我们在一绝缘金属棒的一端加热，实验表明，此时在金属棒的两端便会形成一个电位差，产生这一现象的原因可解释为：金属棒中的自由电子好象气体一样，当温度不均时会产生热扩散，自由电子将从高温端扩散到低温端，从而在导体内形成电场。此时在金届棒内形成电位差，直至这种非静电力的热扩散与导体内电场相平衡为止，从而使金属棒内高温端带正电，而低温端带负电。这就是温差电现象。地球的温差电现象形成与此类似。‎ ‎⑵地球自转相对运动产生电磁场 地球上任意两点间都有一定大小的相对运动，也就是存在线速度差，这使得地球的温差电电荷相互间都有一定大小的相对运动，并由此产生出温差电电荷相对运动形成的电磁场，其中的磁场就是地磁场。‎ ‎⑶反向错位端点重叠双电偶极子(电四极子)自转相对运动产生电磁场的现象 为简化地球的温差电电荷相对运动产生电磁场中的磁场部分的理解，可以设想出一个反向错位瑞点重叠的双电偶极子绕重叠中心由西向东旋转产生一个磁场北极指向南方的例子作类比，如右图所示。‎ 通过简单的计算发现，不论观测者静止在重叠中心观察，还是固定静止于双电偶极子边缘的一端观察或是在其它位置观察，总会得到一个总电量为零，而电磁场不为零的结果，这和地球温差电电荷自转产生电磁场基本相似。‎ ‎⑷地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论 通过本文前面的论述不准知道，由于地球内部温度约4000~‎5000℃‎，而地球表面温度较低，因此，地球存在一个温差电电场，地球的温差电电场将在地球发生自转的过程中产生出地球的温差电电磁场，其中的磁场就是地磁场，这一学说就是地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源沦。其原理与反向错位端点重叠双电偶极子(电四极子)自转相对运动产生电磁场现象相类似。‎ 但是地球的温差电电磁场比一个反同错位端点重叠电偶极子自转相对运动产生电磁场的过程复杂，这是因为地球的形状不太规则，电荷分布和自转相对运动非常复杂，因此这使得准确计算地球电磁场变得困难起来。用一些简化的模型来类比还是可取的力法，比如用均匀磁化球体或磁偶极子磁场分布来近似计算地磁场还是可以的。‎ 由于地球不规则的形状及地质结构的差异会造成电荷不对称分布，因而地球磁场的磁轴与地理地理自转轴不会准确重合，从而形成磁偏角。‎ 由于地球的地核、熔岩、地壳构造及其物质分布的复杂性造成地球的温差电电荷在半径方向的不均分布，从而造成地球磁场出现磁倾角。‎ 再由于地球的地核、熔岩、地壳、水系、大气等的相对运动造成温差电电荷的相对运动，加上大气中电离层的带电离子、太阳喷射出来的带电粒子流、宇宙射线等的影响，从而形成地球变化的电磁场，其中的磁场就是地磁场的变化磁场。‎ 自地球形成以来，地球的电磁场就产生了，但是随着地球自转轴的变化、大陆的漂移、气候的差异等原因使地球温差电电荷分布及其温差电电磁场发生了一些异常变化，这是古地磁磁极移动甚至倒转的原因。‎ 其实，宇宙天体，如恒星、行星磁场包括太阳黑子的磁场的形成与地磁场的形成是相类似的，即宇宙天体的温差电自转相对运动产生出各种宇宙天体的电磁场，其中的磁场是宇宙天体的磁场。‎ 笔者提出的地磁场的温差电自转相对运动产生电磁场起源论打破了一般人头脑中的关于地球上两固定点间没有相对运动的错误印象，揭示出了地磁场形成的真正原因。‎