我們生活在磁的世界里

1、揚州大學物理科學與技術學院科學技術概論課題論文我最喜歡的物理學分支論文名稱：我們生活在磁的世界里班 級：物理1102班 姓 名： 朱 平 學 號： 110801217指導老師：張錫娟 蘇垣昌我們生活在磁的世界里摘要磁性是物質的基本屬性，任何物質，近自我們的身體和我們居住的地球，遠至月球、太陽、各類天體和宇宙空間都有磁性；只是強弱程度有別而已。生活中也有很多磁現(xiàn)象，比如極光，太陽黑子等。磁性材料的應用也極為廣泛，比如電力工業(yè)中，從電力的產生（發(fā)電機）、傳輸（變壓器）到電力的利用（電動機），需大量的磁性材料，其中軟磁和永磁材料起能量轉換作用。電子工業(yè)中，從通信（濾波器和電感器）、自動控制（繼電器、

2、磁放大器和變換器）、廣播、電視電影（天線、揚聲器、聲音和圖像的錄、放、抹，磁頭、磁帶、磁盤等）、電子計算機技術和信息處理技術（各種磁存儲器、讀寫磁頭等）到微波技術（各種磁性微波器件），可以說，。沒有磁性材料就不可能有電子產品。除此以外，磁性材料還在能源、交通（磁懸浮列車）、農業(yè)（磁化水）、醫(yī)療（核磁共振成像）和人類日常生活消費等領域起著重要作用。本文將對磁的重要現(xiàn)象、磁性分類、各種磁效應和廣泛應用進行簡明的介紹。關鍵詞：磁現(xiàn)象、磁性分類、磁效應、應用一、中國古代對磁的了解與應用人類對磁性現(xiàn)象的認識源遠流長。我國是最早發(fā)現(xiàn)和應用這一現(xiàn)象的國家。早在春秋時代的就有關于“慈石”的記載，在大約公元前4

3、世紀又有關于天然磁鐵礦（即Fe3O4）的記載。正是因為磁石能吸引在它近旁的強磁物質，好像慈愛的母親把自己的子女弄到身旁一樣，故把這樣的天然磁鐵稱為慈石。在公元前3世紀，我們的祖先最早用磁石和鋼針發(fā)明了指南器（司南），并將它用于航海和海事。北宋杰出的自然科學家沈括在夢溪筆談一書中總結了指南針的制作和應用，該書卷二十四雜志一里寫道：“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多蕩搖，之抓及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸之最善。其法取新纊中獨繭縷，以介子許蠟，綴于針腰，無風處懸之，則針常值南?！笨梢哉f，此為磁性應用的最早科學記載。以后，指南針由中國傳到阿拉伯國家，繼而傳到

4、歐洲，促進了航海事業(yè)的發(fā)展。中國古代還將磁石等作為藥物治病。在各個朝代的一些醫(yī)藥書中，都可以找到許多應用磁石等藥物治病的記載。例如，東漢時的神農本草經（約公元2世紀）中記錄到：磁石具有辛寒的味道，主要可以醫(yī)治風濕病、四肢疼痛和耳聾等疾病。南北朝的醫(yī)藥和化學家陶弘景所著名醫(yī)別錄（510年）中對磁石藥物功能和所治疾病作了講訴，說磁石可以養(yǎng)腎，增強骨氣和精神，疏通關節(jié)，消除癰腫和小兒驚癇，還可用來煉水治病等。磁石作為藥物，其應用已有兩千多年，而且現(xiàn)代的一些中藥中也還有應用。例如，中國醫(yī)藥大辭典以及中華人民共和國藥典中，便列舉了以磁石作為成分之一的多種中藥，如耳聾左磁丸、紫雪散和磁朱丸等。2、 生活中

5、的磁現(xiàn)象 眾所周知，指南針是一種由地球磁場產生的作用，除此以外生活中還有很多其他有趣的磁現(xiàn)象。比如極光、太陽黑子等。北極光北極光是發(fā)生在北極地區(qū)高空的發(fā)光現(xiàn)象。人們經過長期對北極光的觀測研究，認識到北極光的發(fā)生原因。原來它是從地球以外如太陽發(fā)射來的能量高又帶電的粒子如質子和電子等進入地球高空時，一方面受到地球磁場的作用，有的沿著地球磁場的磁力線方向飛向地球的北極或南極，地球磁場也使這些帶電粒子加速；另一方面在飛行途中又不斷同高空中的大氣分子、原子和粒子碰撞，使一些受碰撞的分子、原子和離子產生激發(fā)和電離作用，被激發(fā)或被電離的分子、原子和離子在不同的激發(fā)和電離情況下會發(fā)射出跟它們種類和狀態(tài)有關的不

6、同顏色的特征光，形成極光。由此可見，北極光現(xiàn)象同地球磁場有著密切的關系。太陽黑子太陽黑子是太陽表面出現(xiàn)的一些較暗的黑點，其大小、數(shù)目、位置和分布隨時間呈一定的規(guī)律變化。近代科學研究表明，太陽整個表面都存在跟地球磁場強度相近的普遍磁場，但在其中的黑子區(qū)域卻存在比普遍磁場強度高約幾百到幾萬倍的黑子磁場。由于黑子磁場很強，太陽表面溫度很高（約6000K），普遍磁場又很弱，為了使整個太陽表面的高溫等離子體保持熱平衡，磁場強的區(qū)域就必須降溫。這就是太陽黑子區(qū)域因磁場強度高使溫度降低而出現(xiàn)暗斑的原因。三、磁性的分類及應用磁性現(xiàn)象，從根本上說是一種量子效應，磁性的根源，來自原子磁矩，即為電子軌道運動和自旋效

7、應而產生的軌道磁矩和自旋磁矩。原子核也具有核磁矩，但其值很小，幾乎對原子磁矩無貢獻。磁體在磁性質上有很大的不同，不同磁性的磁體也有著不同的運用，因此有必要把各種磁性進行分類。從實用的觀點，可根據磁體的磁化率大小和符號將物質磁性分為五類。 1）抗磁性物質在外磁場作用下，感應出與外磁場反向的磁化強度，其磁化率d0一般為10-5數(shù)量級，正常d的性質與磁場溫度無關。物質的抗磁性是普遍存在的，它是所有物質在外磁場作用下毫無例外地具有的一種屬性。典型有惰性氣體、許多有機化合物、若干金屬（如Bi、Zn、Ag、Mg等）、非金屬（如Si、P、S等）。 抗磁性有一種很廣泛的應用，是通過對抗磁物質的抗磁性測量來研究

8、其結構和其他性質，一般稱之為磁化學。這種方法在有機物和生物材料的研究中應用更多。 2）順磁性物質在受到外磁場作用后，感生出與磁化磁場同方向的磁化強度，其磁化率p很?。?0-310-6），顯示弱磁性。典型有稀土金屬和鐵族元素的鹽類等。部分順磁性物質服從居里定律，即 p=C/T更多服從居里外斯定律，即 式中，C為居里常數(shù)，T為絕對溫度，TP為順磁居里溫度。 順磁性的一種重要的高新技術應用是微波順磁量子放大器。這種微波量子放大器是利用順磁物質的順磁性、順磁共振和量子電子學原理及微波電子學技術制成的一類工作于微波頻率的放大器。經過適當?shù)母难b和增加附件，還可制成產生微波的微波振蕩器。其最顯著優(yōu)點是工作頻

9、率非常穩(wěn)定和電磁噪聲非常低，靈敏度非常高，極適合接受很微弱的微波信號，例如從遙遠的宇宙天體和宇宙空間發(fā)射到地球的微弱信號。3）反鐵磁性一類物質，當溫度達到某個臨界值TN（奈耳溫度）以上，其順磁居里溫度常小于0，當TTN時，磁化率降低，并逐漸趨于定值。故磁化率在溫度等于TN處有最大值。典型有過渡族元素的鹽類及化合物（如MnO、CrO、CoO等）。反鐵磁性的一種應用是利用反鐵磁物質中產生反鐵磁性的強交換作用來制造毫米波和亞毫米波的需要強工作磁場的磁性器件。又如，利用電磁波在傳輸方向和反射方向的損耗相差很大制造的磁性微波隔離器，使電磁波只能在器件中沿一個方向傳輸?shù)拇判晕⒉ōh(huán)形器等。4）鐵磁性在很小的

10、磁場作用小就能被磁化到飽和，磁化率在101106數(shù)量級。具有鐵磁性的合金和化合物較多，具有鐵磁性的純元素晶體，目前為止，只發(fā)現(xiàn)11個，它們是3d金屬鐵、鈷、鎳，4f金屬釓、鋱、鈥、鉺、銩和面心立方（fcc）的鐠和釹。稀土元素在低溫下具有鐵磁性。5）亞鐵磁性宏觀磁性與鐵磁性相同，磁化率大約為100103數(shù)量級，內部磁結構與反鐵磁性相同，但相反排列的磁矩不等量。相當于未抵消反鐵磁性結構的鐵磁性。典型為鐵氧體。物質的磁性并非固定不變的，如果環(huán)境條件發(fā)生變化，有些物質的磁性就會發(fā)生變化。例如，鐵磁性物質在居里點溫度以下是鐵磁性的，到居里點溫度則轉變成順磁性；重稀土金屬在低溫下是強磁性，到室溫或高溫則變

11、成順磁性。表1 磁性分類四、磁化狀態(tài)下磁體中的能量（一）磁偶極相互作用能 偶極相互作用是一種長程相互作用。一個格點由于電子的運動會產生磁場，并會對其它處在其磁場中的原子有作用。即B在A的磁場中，B會受到A的磁場的作用。反過來，A也會受到B的磁場的作用，這就是偶極相互作用，是一種長程作用。因為磁場是無邊界的。 磁偶極相互作用能表現(xiàn)為兩種形式 1）靜磁能任何磁體置于外加磁場中將處于磁化狀態(tài)，處于磁化狀態(tài)下的磁體具有靜磁能。2） 退磁能處于磁化狀態(tài)的磁體，在磁化強度的法向分量發(fā)生變化或磁化不均勻，將產生磁極。表面磁極使磁體內部存在與磁化強度方向相反的一種磁場Hd，起著減退磁化的作用，稱為退磁場。退磁

12、場的大小與磁體的形狀及磁極的強度有關。磁體在其自身產生的退磁場中所具有的位能即為退磁能。退磁能與磁體的幾何形狀有關，是一種形狀各向異性能。磁偶極相互作用能（二）交換能全同粒子的不可分辨性導致的交換作用所產生的能量。交換能 由于能量越低系統(tǒng)越穩(wěn)定，所以使系統(tǒng)穩(wěn)定，則必須使能量低，（負的能量正的能量）。若J0，若使能量最低，則 應為正，所以 和 平行，為鐵磁。（三）各向異性能晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同，這就是晶體的各向異性。實驗表明，磁體被磁化，在有些方向容易，而在另一些方向較難。這說明鐵磁單晶體在磁性上是各向異

13、性的。為了表征這種各向異性特征，把最易磁化的方向稱為易磁化方向，對應晶軸稱為易磁化軸，沿易磁化軸施加磁場很容易使磁體磁化到飽和。各項異性能其中 ，（四）塞曼能在外磁場的作用下，電子的軌道磁矩和自旋磁矩受到場的作用，引起附加能量。另外，電子的自旋和軌道運動之間也有相互作用能量，但當外場足夠大時，自旋和軌道運動相互作用能量和外磁場引起的附加能量比起來可以忽略。塞曼能若使系統(tǒng)穩(wěn)定，則 應最大，此時 才最小，則 與 應平行。 （五）矯頑力1） 起始磁化曲線 對磁體外加磁場，初始磁場強度H為0，即B=H=0，逐漸增大H，同時測出B，便可描繪出一條曲線，稱為磁化曲線。當B幾乎不隨H增大而增大，趨于穩(wěn)定時，

14、磁化達到飽和，此時的H稱為飽和磁化強度，計作Hs。2） 磁滯回線在達到飽和狀態(tài)后，若使H減小，B也將減小，但B值并不沿原來的曲線（起始磁化曲線）下降，而是沿著另一曲線下降，對應的B值比原先的值大。這說明鐵磁質磁化過程是不可逆的過程。在反復磁化的過程中，B值的變化落后于H值變化的現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。磁滯現(xiàn)象的一個顯 圖1 磁滯回線著特點是當H降至零時，B并不降至零。這說明鐵磁質在沒有傳導電流時也可以有磁性，這種磁性叫做剩磁。要使B繼續(xù)減小，必須加反向磁場，當H從零逐漸變至-Hc時，B才等于零。使鐵磁材料完全退磁所需的反向磁場強度Hc稱為矯頑力。矯頑力的大小反映出鐵磁材料保存剩磁狀態(tài)的能力。若再增加

15、反向磁場，又可達到反向飽和狀態(tài)。再逐漸減小反向磁場，至H=0，再增加正向磁場至至正向飽和狀態(tài)，最后形成閉合曲線，這條閉合曲線叫磁滯回線。五、磁性材料分類及應用順磁性、抗磁性和反鐵磁性均是弱磁性，鐵磁性和反鐵磁性都是強磁性，磁性材料通常指具有鐵磁性或亞鐵磁性的強磁性材料。按應用性能，強磁性材料主要分為永磁、軟磁、信磁等三類材料。除此外，還有許多特殊磁性材料，如恒導磁率材料、磁性半導體、鐵電鐵磁材料、磁性液體、超晶格磁性膜、有機鐵磁材料、超導磁有序材料等。（1） 永磁材料永磁材料，也稱硬磁材料，是各類磁性材料中發(fā)展最早和應用最早的一類磁性材料。永磁材料有四種主要特性：一是高的最大磁能積；二是高的矯

16、頑力；三是高的剩磁；四是高的居里溫度。主要有四大類：一是稀土永磁材料；二是鐵氧體永磁材料；三是金屬永磁材料；四是其他永磁材料，例如微粉永磁材料、非晶和納米永磁材料等。永磁材料的應用較為廣泛。例如，提供人工磁場的永磁鐵。（2） 軟磁材料軟磁材料也有四種主要特性：一是低的矯頑力；二是高的磁導率；三是低的磁損耗；四是高的居里溫度。其主要分為四大類：一是大功率低頻率應用的高Bs軟磁材料，主要應用于電力工業(yè)中的發(fā)電機、電動機和變壓器等。二是低功率高靈敏應用的高磁導率軟磁材料，主要應用于自動控制和電子學器件等。三是非晶軟磁材料，這是一類新發(fā)展的軟磁材料，其化學成分可在較大范圍內改變。四是其他軟磁材料，例如

17、納米薄膜或納米晶粒的軟磁材料，由金屬磁粉與絕緣樹脂混合制成、可應用于高頻的磁粉芯軟磁材料。（3） 信磁材料信息磁材料，主要有磁記錄材料、矩磁材料、磁泡材料、微波磁性材料和磁光材料等。每一代計算機都離不開磁的應用，目前,磁信息存儲系統(tǒng)是全世界鐵磁性材料最重要的應用市場,其產值要大于傳統(tǒng)的應用于電機等系統(tǒng)的永磁材料和應用于磁芯的軟磁材料.下面簡述一下磁記錄的發(fā)展。磁記錄的發(fā)展 1931年,德國德累斯頓的一位工程師Fritz Pfleumer發(fā)明了“會發(fā)聲的紙”,實際上就是第一臺錄音機.他將粉碎的鐵磁顆粒用膠水粘在紙條上,作出了第一條磁帶,這在當時是一種全新的磁媒體,可以記錄20分鐘的聲音.可惜紙易

18、碎,脆弱的紙條式磁帶無法實用化,這個系統(tǒng)還需要改進。 19471948年,美國軍方在德國的Magnetophon錄音機技術的基礎上,研發(fā)了磁鼓數(shù)據記錄系統(tǒng)(drumrecorder),進行比較快速的數(shù)據存儲. 1951年,IBM在Univac基礎上開發(fā)出720磁帶機,其中使用了類似于德國Magnetophon的醋酸纖維素-鐵氧體顆粒磁帶作為數(shù)據記錄媒體,另外,一個特殊設計的數(shù)據格式為不回零反轉格式(non-return-to-zero in-verse,縮寫為NRZI),磁頭中的電流在+1和-1之間躍變,其中每次反轉對應為二進制數(shù)1,否則為0)提高了數(shù)據存儲密度。 1957年,IBM推出了革命

19、性的隨機存取計算和控制方法(random access method of accounting and con-trol,RAMAC)IBM 350計算機硬盤.此后,計算機硬盤一直循著內部磁存儲比特的尺度及磁頭的尺度逐漸按比例縮小的方式(scaling law)不斷演進,當然中間為了克服比特很小帶來的讀取信息的問題,加入了MR和GMR磁頭.可是,目前計算機硬盤的數(shù)據存儲面密度已經到了100 Gb/in2,原來的按比例縮小的漸進硬盤設計方式,遇到了最后的物理極限,也就是單磁疇的鐵磁晶粒的磁矩熱穩(wěn)定性問題.當顆粒體積太小的時候,鐵磁晶粒的自發(fā)磁化能量與熱擾動能kBT的比值小于100以后,單磁疇晶

20、粒的磁矩有可能隨時間發(fā)生自發(fā)反轉,這就叫做鐵磁體的超順磁性.在這個區(qū)域內,存在硬盤比特中的信息就不可靠了,時間長了會丟失.2002年，Stuart Parkin 開始考慮硬盤驅動器和存儲器芯片的基本技術的局限性并且考慮是否有更好的方式設計一種無需部件移動的磁盤驅動器。他利用基于自旋電子學的存儲器概念設計出了賽道存儲器，并且在 2004年獲得了他的第一項專利。此后，他和他的團隊一起繼續(xù)努力，試圖證明這種新型存儲器的物理學原理。根據自旋電子學的概念，賽道存儲器收集數(shù)據，并以磁域的形式存儲這些數(shù)據，以在硅片表面上形成的垂直或水平納米導線中形成一個磁圖形。所存儲的數(shù)據可以使用自旋極化電流的短脈沖沿著納

21、米導線上下或前后移動。然后，數(shù)據可由每個賽道連接的一個設備讀取。賽道存儲器依賴電子的自旋每小時 圖2 賽道存儲器原理圖將數(shù)據移動幾百英里，沿著納米導線隧道將數(shù)據移動到原子級的精確位置。數(shù)據以磁域形式存儲在賽道中。這項新發(fā)現(xiàn)允許精確控制這些磁域的布局。通過控制設備中的電脈沖，科學家能夠以每小時幾百英里的速度移動域壁，然后將其放在所需的準確位置，從而實現(xiàn)在不到十億分之一秒內訪問海量的存儲信息。六、物質的各種磁效應1）磁電效應 磁電效應是指外加磁場和物質磁性對于物質電學性質的影響，以及物質電性對物質磁性和磁場的影響，兩者可統(tǒng)稱為磁電效應。常見磁電效應有：磁電阻效應，霍爾效應，以及新發(fā)現(xiàn)的狹義磁電效應

22、。磁電阻效應：一些金屬和半導體的電阻在外加磁場作用下發(fā)生變化。霍爾效應：金屬和半導體材料在互相垂直的電流與磁場的同時作用下，會產生與電流和磁場都垂直的電勢。狹義磁電效應：在一些固體材料，主要是氧化物材料中，磁場可以同時產生一定的磁化強度和電極化強度。人們把磁化強度跟電場強度的比值，以及電極化強度跟磁場強度的的比值統(tǒng)稱為磁電化率。2）磁光效應塞曼效應 塞曼效應是指原子光譜在外加磁場下發(fā)生分裂。它是由于電子的自旋運動會產生環(huán)電流，進而會產生磁場；在外磁場作用下，同一軌道中自旋不同的電子能量不同導致了原子光譜的分裂。法拉第磁光效應（法拉第旋轉效應） 法拉第磁光效應是指光波中的電場矢量在垂直于光傳輸方

23、向的偏振平面內一個方向振動的磁偏振光，在透明物質中受到平行于光傳輸方向的磁場作用時，電場矢量會轉動一個角度。這個角度的大小和方向與外加磁場的強度和方向有關，所以法拉第磁光效應也常稱為法拉第旋轉效應?？祁D穆頓磁光效應 科頓穆頓磁光效應指線偏振光在透明物質中傳輸，并受到垂直于光傳輸方向的磁場作用時，原來在一個方向傳輸?shù)墓鈺至褳閮蓚€方向傳輸?shù)墓?。這一現(xiàn)象稱為光的磁雙折射。3）磁力效應和磁聲效應磁致伸縮效應什么是磁致伸縮？簡單說來，就是一種強磁材料在受到外加磁場作用時，其長度會發(fā)生變化，好像受到外力作用一樣。反過來，一種強磁材料在受到外力作用時，其磁性會發(fā)生變化。這是磁致伸縮效應的逆效應。通常磁致伸

24、縮效應和其逆效應都稱為磁致伸縮效應。類似的效應還有磁致體積效應。另外，對強磁材料施加不同情況的磁場時，還可使強磁材料發(fā)生扭轉、彎曲、彈性變化和剛性變化等力學性質的多種磁效應。聲音是一種力學振動現(xiàn)象。磁場和磁性可以影響強磁材料的多種力學性質，自然也能影響它們的聲學性質。這里主要介紹磁致音叉效應和高頻磁聲效應。磁致音叉效應 把振蕩的音叉放在磁場中時，音叉振動的振幅和頻率都會發(fā)生變化。高頻磁聲效應在高頻以至超高頻（微波）波段，強磁鐵中由原子磁矩集體運動產生的自旋波同其中原子集體運動產生的彈性波（廣義聲波）之間的相互作用而使這兩種波混合產生新的磁彈波。4）磁熱效應 磁熱效應是指磁場和磁性及其變化會使材

25、料的包括溫度在內的熱學性質改變。磁導率溫度峰效應 指強磁材料和磁有序的材料的磁導率在從強磁狀態(tài)因溫度變化而轉變?yōu)槿醮判缘捻槾艩顟B(tài)，或者在從磁有序（鐵磁、亞鐵磁和反鐵磁）狀態(tài)因溫度變化而轉變?yōu)榇艧o序的順磁狀態(tài)的轉變溫度（居里溫度和奈爾溫度）附近時，材料的磁導率會發(fā)生劇烈的變化，即磁導率隨溫度改變的磁導率溫度曲線在居里溫度或奈爾溫度附近出現(xiàn)即為顯著的峰值。從以上的多種磁的效應可以看出，磁場和磁性與物質的其他性質是相互聯(lián)系和相互影響的，并由此呈現(xiàn)出許多新的磁現(xiàn)象和新的磁應用。但磁的效應是多方面的，遠不止上面介紹的4類。七、展望 在現(xiàn)今高新技術迅速發(fā)展形勢下，磁學與磁性材料又有了新的發(fā)展。這里從幾個主要新新領域做介紹與分析。（1） 開拓超微結構領域的磁性研究 磁學領域的一些基本理論，如外斯分子場、磁疇等，都只對粒子數(shù)為無限大的體系才能嚴格適用，對于物質微觀結構的性質則難以解釋，而很多傳統(tǒng)鐵磁材料在微觀結構時往往具有了嶄新的磁性質。故要發(fā)掘新的性能的磁性材料，需要磁學工作者設計和控制材料在細微尺度上的微觀結構，以從普通材料中發(fā)掘并獲得新的性質和用處。如納米顆粒磁性材料、磁性薄膜及磁性多層膜等。（2） 磁學與生命科學相結合 磁學與生命科學有著密切的聯(lián)系。這是由于：生物體本身具有自身的磁場，表現(xiàn)出許多重要的磁現(xiàn)象。生物磁場的來源，一是由生物電流產生，二是由生