第二讲 永保“青春”的磁学

1、第二讲第二讲 永保永保“青春青春”的磁学的磁学沈沈 括括一、前言一、前言 磁学是一门古老的学科，我国在春秋战国磁学是一门古老的学科，我国在春秋战国时期已有磁石的记载和描述。时期已有磁石的记载和描述。 东汉著名学者王充东汉著名学者王充论衡论衡一书描述的一书描述的“司南勺司南勺”被公认为最早的磁性指南工具。被公认为最早的磁性指南工具。 11世纪北宋科学家沈括世纪北宋科学家沈括梦溪笔谈梦溪笔谈中，中，第一次记载了指南针的制作和作用。指南针第一次记载了指南针的制作和作用。指南针是我国古代四大发明之一。是我国古代四大发明之一。“ 方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东

2、，不全南也。东，不全南也。” 西方人最早对磁现象是西方人最早对磁现象是13世纪的世纪的P.Peregrinus 首首次引进了次引进了“磁极磁极”的概念，并总结出的概念，并总结出“异性相吸，异性相吸，同性相斥同性相斥”特点，比电的对应现象早了四个多世纪。特点，比电的对应现象早了四个多世纪。 在磁学发展的最初阶段，只是围绕磁石和地磁在磁学发展的最初阶段，只是围绕磁石和地磁进行观察和研究。进行观察和研究。 它的转机是它的转机是1820年年Oersted发现了电流的磁效发现了电流的磁效应和应和1831年年Faraday发现了电磁感应现象之后，发现了电磁感应现象之后，人们才把磁现象在于作为更普遍的自然现

3、象来研人们才把磁现象在于作为更普遍的自然现象来研究，并把磁现象和电现象密切的联系起来。究，并把磁现象和电现象密切的联系起来。 今天在许多自然科学和高新技术中，都涉及到今天在许多自然科学和高新技术中，都涉及到广义磁学的研究和应用，形成了当代磁学广义磁学的研究和应用，形成了当代磁学一一门具有生命力的学科。门具有生命力的学科。当代磁学当代磁学基础磁学基础磁学材料磁学材料磁学应用磁学应用磁学边缘磁学边缘磁学生物磁学生物磁学微观磁学微观磁学宇观磁学宇观磁学磁学的基本物理问题磁学的基本物理问题磁性材料的分类和多种特性磁性材料的分类和多种特性磁性器件和磁技术的应用磁性器件和磁技术的应用（交叉磁学）（交叉磁学

4、）原子核磁学和基本粒子磁学原子核磁学和基本粒子磁学宇宙磁学宇宙磁学二、基本磁学二、基本磁学0SQd SD0dS SBdtd dmL lEmQmI-dtdIdDL lH1、寻找磁荷、寻找磁荷 在在1931英国物理学英国物理学家保罗家保罗狄拉克利用数狄拉克利用数学公式预言磁单极子存学公式预言磁单极子存在于携带磁场的管（所在于携带磁场的管（所谓的狄拉克弦）的末端。谓的狄拉克弦）的末端。 他认为既然带有基本他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存电荷的电子在宇宙中存在，那么理应带有基本在，那么理应带有基本“磁荷磁荷”的粒子存在，的粒子存在，并证明了并证明了e5 .68mqkg1067. 1mkg1022

5、78质子mm 科学家们曾通过种种方式寻找磁单极子，包括科学家们曾通过种种方式寻找磁单极子，包括使用粒子加速器人工制造磁单极子，但均无收获。使用粒子加速器人工制造磁单极子，但均无收获。 德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员在德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下，首次观测到大学及英国牛津大学同事的协作下，首次观测到了磁单极子的存在，以及这些磁单极子在一种实了磁单极子的存在，以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。该研究成果发表在际材料中出现的过程。该研究成果发表在2009年年9月

6、月3日出版的日出版的科学科学杂志上。杂志上。 德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森莫莫里斯和阿兰里斯和阿兰坦南特在柏林研究反应堆中进行了坦南特在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验一次中子散射实验。他们研究的材料是一种钛酸。他们研究的材料是一种钛酸镝单晶体，这种材料可结晶成相当显著的几何形镝单晶体，这种材料可结晶成相当显著的几何形状，也被称为烧录石晶格。在中子散射的帮助下，状，也被称为烧录石晶格。在中子散射的帮助下，研究人员证实研究人员证实材料内部的磁矩已重新组织成所谓材料内部的磁矩已重新组织成所谓的的“自旋式意大利面条自旋式意大利面条”，此名得自于偶极子本此

7、名得自于偶极子本身的次序。如此一个可控的管（弦）网络就可通身的次序。如此一个可控的管（弦）网络就可通过磁通量的传输得以形成，这些弦可通过与自身过磁通量的传输得以形成，这些弦可通过与自身携带磁矩的中子进行反应观察到，于是中子就可携带磁矩的中子进行反应观察到，于是中子就可作为逆表示的弦进行散射。作为逆表示的弦进行散射。 在中子散射测量过程中，研究人员对晶体施加在中子散射测量过程中，研究人员对晶体施加一个磁场，利用这个磁场就可影响弦的对称和方一个磁场，利用这个磁场就可影响弦的对称和方向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。结果，在结果，在0.6K到到2

8、K温度条件下，这些弦是可见的，温度条件下，这些弦是可见的，并在其两端出现了磁单极子。并在其两端出现了磁单极子。 研究人员也在热容量测量中发现了由这些单研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征。这进一步证实了单极子极子组成的气体的特征。这进一步证实了单极子的存在，也表明它们和电荷一样以同样的方式相的存在，也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。互作用。2、物质磁性的研究、物质磁性的研究物质磁现象是普遍存在和多样性的物质磁现象是普遍存在和多样性的磁性磁性弱磁性弱磁性强磁性强磁性顺磁质顺磁质抗磁质抗磁质(迈斯纳（迈斯纳（Meissner）效应）效应超导体具有超导体具有将磁场完全排

9、斥在外的抗磁性将磁场完全排斥在外的抗磁性)铁磁性铁磁性亚铁磁性亚铁磁性序磁性序磁性反铁磁性反铁磁性宏观磁性宏观磁性微观磁性微观磁性介观磁性介观磁性 2007年诺贝尔物理学奖由法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔因先后独立发现了“巨磁电阻”效应而分享。1000万瑞典克朗（1美元约合7瑞典克朗）。 巨磁电阻效应是指在一定的磁场下电阻急剧变化，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。 利用“巨磁电阻”效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器，由于其具有可在无电源的情况下继续保留信息的优点，已经成为计算机、手机、数码相机、3等电器必备的存储元件。 20世

10、纪90年代，人们在多种纳米结构的多层膜中观察到了显著的“巨磁电阻”效应，巨磁电阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景。 1994年，公司研制成“巨磁电阻”效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，目前已达到50倍且使硬盘小型化。 3、磁场的研究、磁场的研究地磁场地磁场磁场（超强磁场）磁场（超强磁场）生物磁场生物磁场 超强磁场是指采用超导技术产生的超强磁场是指采用超导技术产生的5 T以上的磁以上的磁场，同时也包括采用脉冲技术、或者混合磁体技场，同时也包括采用脉冲技术、或者混合磁体技术或者超高功率电磁铁技术产生的超高强磁场，术或者超高功率电磁铁技术产生的超高强磁场，也不排除

11、探讨宇宙中黑洞产生的也不排除探讨宇宙中黑洞产生的108 T的极限磁场。的极限磁场。但从时效性和经济的角度考虑，能长时间经济地但从时效性和经济的角度考虑，能长时间经济地维持维持5 T以上的磁场目前还只有依靠超导技术。以上的磁场目前还只有依靠超导技术。 超导或者采用其他技术产生的强磁场是自然超导或者采用其他技术产生的强磁场是自然界没有的一种高能物理场，在这种高能场中，将界没有的一种高能物理场，在这种高能场中，将发生许多奇特的现象。例如，发生许多奇特的现象。例如，水的变形水的变形，非导磁，非导磁的木材、水滴、塑料、虫子、草莓等物质在超强的木材、水滴、塑料、虫子、草莓等物质在超强磁场（磁场（5 T以上

12、）中将以上）中将悬浮起来悬浮起来；金属凝固过程中，；金属凝固过程中，晶粒将发生转动，进而融合，形成类似单晶的组晶粒将发生转动，进而融合，形成类似单晶的组织；此外，强磁场对凝固过程的成核过程也产生织；此外，强磁场对凝固过程的成核过程也产生显著的影响，起到细化晶粒的作用。显著的影响，起到细化晶粒的作用。 超强磁场的作用可以直接达到原子尺度，因此，超强磁场的作用可以直接达到原子尺度，因此，它对众多领域的影响是极为深远的。它对众多领域的影响是极为深远的。 超强磁场极强的能量还可以引起纳米材料晶格超强磁场极强的能量还可以引起纳米材料晶格的崎变，从而为制备高性能的纳米材料提供了一的崎变，从而为制备高性能的

13、纳米材料提供了一 此外，在这种各向异性纳米材料成型时，超强此外，在这种各向异性纳米材料成型时，超强磁场的作用可以使纳米粉体在烧结过程中仍能保持磁场的作用可以使纳米粉体在烧结过程中仍能保持很高的各向异性，而这是采用其它方法难以达到的。很高的各向异性，而这是采用其它方法难以达到的。 在纳米材料制备领域中，纳米材料形状和性能在纳米材料制备领域中，纳米材料形状和性能的控制是非常关键的问题。而利用超强磁场极强的的控制是非常关键的问题。而利用超强磁场极强的磁力作用，有可能控制液相法制备纳米材料的成核磁力作用，有可能控制液相法制备纳米材料的成核过程，它可以控制纳米颗粒朝某一优先方向生长，过程，它可以控制纳米

14、颗粒朝某一优先方向生长，从而获得高度各向异性的纳米材料。从而获得高度各向异性的纳米材料。 磁化学的研究一直是化学化工工作者致力研究的磁化学的研究一直是化学化工工作者致力研究的领域，但在二十世纪六十年代以前的近四十年中，领域，但在二十世纪六十年代以前的近四十年中，人们只能获得人们只能获得0.11 T左右的磁场，这种磁场对化左右的磁场，这种磁场对化学反应的影响几乎可以忽略学反应的影响几乎可以忽略. 由于磁场对物质体系由于磁场对物质体系能量的影响随着磁场强度的平方呈正比增加，因此，能量的影响随着磁场强度的平方呈正比增加，因此，在在10 T20 T甚至甚至100 T的超强磁场下，磁场对化学的超强磁场下

15、，磁场对化学反应体系的影响已经到了非常显著的地步，甚至可反应体系的影响已经到了非常显著的地步，甚至可以影响到化学反应的反应热、以影响到化学反应的反应热、PH值、化学反应进行值、化学反应进行的方向、反应速率、活化能、熵等诸多方面。的方向、反应速率、活化能、熵等诸多方面。 鉴于强磁场这些奇妙的效应，国外发达国家如日鉴于强磁场这些奇妙的效应，国外发达国家如日本、法国等对强磁场下材料制备给予了极大的关本、法国等对强磁场下材料制备给予了极大的关注，日本有关这一领域的五年研究计划已于注，日本有关这一领域的五年研究计划已于2001年启动。国内国家自然科学基金委今年的重点项年启动。国内国家自然科学基金委今年的

16、重点项目指南中，将这一领域列入指南。目指南中，将这一领域列入指南。 关于地球电磁的起源关于地球电磁的起源, , 有有N N多理论多理论, , 永磁体说、电流说、压电效应说、永磁体说、电流说、压电效应说、温差电效温差电效应说应说、发电机理论、发电机理论 由于地球内部温度约由于地球内部温度约4000-50004000-5000，而地球表，而地球表面温度较低，因此，地球存在一个温差电电场。地面温度较低，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地球的温差电电磁场，其中的磁场就是地磁场

17、 地磁的影响地磁的影响 太阳风与地磁场的关系太阳风与地磁场的关系; 极光的产生极光的产生; 地磁场对动物的影响地磁场对动物的影响. 太阳风太阳风( (电离氢和电离氦电离氢和电离氦) ) 太阳风太阳风磁场对地球磁场施加作用磁场对地球磁场施加作用 磁层。磁层。 地球磁层位于地面地球磁层位于地面600-1000600-1000公里高处，公里高处，磁层的外边界叫磁层顶，离地面磁层的外边界叫磁层顶，离地面5-75-7万公里。万公里。 在太阳风的压缩下，地球磁力线向背在太阳风的压缩下，地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远，形成着太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。一条长长的尾巴，称

18、为磁尾。 在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有微乎其微，厚度大约有10001000公里。中性片将磁尾部分成两部公里。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。 由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一个无碰由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区撞的地球弓形激波的波阵面

19、。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为叫做磁鞘，厚度为3-43-4个地球半径。个地球半径。 x y zFm+v0FNSBqFm v运动电荷所受的磁场力（洛仑兹力）运动电荷所受的磁场力（洛仑兹力）RmBq2vvqBmRvqBm2R2Tvm2qBT11） 回旋半径和回旋频率回旋半径和回旋频率BqFm vvvv/B) av B)bv qBmRvqBmd2cosvTv/螺距螺距洛仑兹力洛仑兹力带电粒子在非均匀磁场中的运动带电粒子在非均匀磁场中的运动BF 1) 带电粒子向磁场较强的方向运动时，螺旋的半径带电粒子向磁场较强的方向运动时，螺旋的半径不断减小不断减小(由前已知，螺旋半径由前已知，螺旋半径

20、 1/B)2) 洛仑兹力恒有一指向磁场洛仑兹力恒有一指向磁场较弱方向的分力较弱方向的分力(也可用下图也可用下图发现此分力的存在发现此分力的存在)，此分力，此分力阻止带电粒子向磁场较强的阻止带电粒子向磁场较强的方向运动。这可使粒子沿磁方向运动。这可使粒子沿磁场方向的速度减小到零，然场方向的速度减小到零，然后在此分力的作用下后在此分力的作用下, ,向反方向反方向运动。向运动。 在范艾仑辐射带中的带电粒子围绕地磁场的磁在范艾仑辐射带中的带电粒子围绕地磁场的磁感线作螺旋运动，在两极处被反射；感线作螺旋运动，在两极处被反射； 地磁场俘获从外层空间入射的电子和质子形成地磁场俘获从外层空间入射的电子和质子形

21、成一个带电粒子区域一个带电粒子区域范范 艾仑辐射带艾仑辐射带 (Van Allen radiation belts)； 产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞产生极光的原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。极周围区域。 现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，现在所知，作为太阳风的一部分荷电粒子在到达地球附近时，被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原被地球磁场俘获，并使其朝向磁极下落。它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，使之成为激发态的

22、离子，这些离子发射子碰撞，击走电子，使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色彩。在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带在太阳活动盛期，极光有时会延伸到中纬度地带北纬北纬30是根神秘莫测的纬线。是根神秘莫测的纬线。 一条看不见的曲线一条看不见的曲线,一条地理学家为方便研究一条地理学家为方便研究地球划出的虚拟的线地球划出的虚拟的线, 然而却没有任何一条经纬然而却没有任何一条经纬线有着它那么神奇的魔力线有着它那么神奇的魔力,它所经过的是地球最美它所经过的是地球最美丽嘴神奇的风景线丽嘴神奇的风景线: 最高

23、的山峰最高的山峰,最深的海沟最深的海沟,最最奇怪的湖泊奇怪的湖泊,最瑰丽的山脉最瑰丽的山脉,最壮观的大潮最壮观的大潮,最汹涌最汹涌的海流的海流我们惊诧于大自然是如此神奇我们惊诧于大自然是如此神奇,是谁带来是谁带来远古的呼唤远古的呼唤,是谁留下不灭的遗迹是谁留下不灭的遗迹,是谁雕刻出北是谁雕刻出北纬纬30这说不清的风景线这说不清的风景线? 在美国俄勒冈州格兰特狭口外，沙甸河一带，有一个方圆仅在美国俄勒冈州格兰特狭口外，沙甸河一带，有一个方圆仅5050平方米的怪异的地方，被称为平方米的怪异的地方，被称为“俄勒冈漩涡俄勒冈漩涡”。这里有一。这里有一座古旧的木屋，其歪斜程度尤如比萨斜塔。座古旧的木屋，

24、其歪斜程度尤如比萨斜塔。在这里在这里: :马会本能地回避马会本能地回避飞鸟也会突然地回头下垂飞鸟也会突然地回头下垂树干则倾向北极。树干则倾向北极。在这座木房子里，任何成群飘浮着在这座木房子里，任何成群飘浮着的物体都会聚成漩涡状的物体都会聚成漩涡状有人竟倾斜有人竟倾斜4545度站立而不会倒下度站立而不会倒下 飞机从它上空飞过，所有的表盘的飞机从它上空飞过，所有的表盘的指示器都瞬间失灵指示器都瞬间失灵 在英格兰斯特拉斯克莱德的克罗伊山公路在英格兰斯特拉斯克莱德的克罗伊山公路上，也有同样令人迷惑的现象。如果驾驶汽车上，也有同样令人迷惑的现象。如果驾驶汽车在这条公路上从北向南行驶，迟早总会慢下来，在这

25、条公路上从北向南行驶，迟早总会慢下来，甚至完全停止，令驾驶员不知所措。从北部驶甚至完全停止，令驾驶员不知所措。从北部驶向这座小山，司机眼看着前面道路向下倾斜，向这座小山，司机眼看着前面道路向下倾斜，总以为车辆会加速，因而把车速降低，结果汽总以为车辆会加速，因而把车速降低，结果汽车嘎的一声完全停止。事实与表面现象相反，车嘎的一声完全停止。事实与表面现象相反，那条路并非下坡路，而是上坡路。从南部来的那条路并非下坡路，而是上坡路。从南部来的驾驶员也同样产生颠倒的感觉。他们以为是上驾驶员也同样产生颠倒的感觉。他们以为是上坡行驶，于是加速，结果发现车子比预期的速坡行驶，于是加速，结果发现车子比预期的速度

26、快得多，其实那条路是下坡路。迄今尚无人度快得多，其实那条路是下坡路。迄今尚无人能对克罗伊山这种奇异的现象作出圆满解释。能对克罗伊山这种奇异的现象作出圆满解释。曾有人认为，那地方周围的岩石含有大量铁质，曾有人认为，那地方周围的岩石含有大量铁质，存在磁场存在磁场，因而产生强大的引力，将汽车拖上因而产生强大的引力，将汽车拖上山坡。山坡。 生物磁学生物磁学2）外磁场（外加磁场和环境磁场）对生物的影响）外磁场（外加磁场和环境磁场）对生物的影响1）生物自身产生的微弱磁场（生物磁场）生物自身产生的微弱磁场（生物磁场）生物磁场产生：生物磁场产生：1）人体的生物电）人体的生物电对生物电研究已有对生物电研究已有2

27、00多年的历史，但起源问题不多年的历史，但起源问题不清清比较公认的观点：生物电来源细胞的功能。比较公认的观点：生物电来源细胞的功能。电流周围有静磁场电流周围有静磁场人体心脏的生物电人体心脏的生物电心磁场心磁场人脑的生物电人脑的生物电脑磁场脑磁场心磁场场强心磁场场强)T(1010脑磁场场强脑磁场场强)T(10513地磁场场强地磁场场强)T(10)53(5月球表面磁场场强月球表面磁场场强)T(109 太阳表面磁场场强与地球相差不多，当在太阳太阳表面磁场场强与地球相差不多，当在太阳表面的黑子区域有高达几百到几千倍的磁场。表面的黑子区域有高达几百到几千倍的磁场。2）人体内的弱磁性物质，在地磁场或外界磁

28、场作）人体内的弱磁性物质，在地磁场或外界磁场作用下会感应出磁场用下会感应出磁场肝、脾等呈现出来的磁性就属于此类肝、脾等呈现出来的磁性就属于此类少数生物内有微量的强磁性物质（少数生物内有微量的强磁性物质（Fe3O4），如蜜），如蜜蜂、鸽子，帮助它们辨别方向蜂、鸽子，帮助它们辨别方向医学上静磁疗法、经络磁场疗法医学上静磁疗法、经络磁场疗法明朝李时珍的明朝李时珍的本草纲目本草纲目的描述：的描述： “真磁石，豆大，新棉裹塞耳中，口含生铁真磁石，豆大，新棉裹塞耳中，口含生铁一块，觉耳中如风雨声，即通。一块，觉耳中如风雨声，即通。” 心磁图、脑磁图和肺磁图比相应的心电图脑电心磁图、脑磁图和肺磁图比相应的心

29、电图脑电图具有无接触干扰，交直流均可测量，可作三维测图具有无接触干扰，交直流均可测量，可作三维测量和分辨率高的优点量和分辨率高的优点, 因而可提高一些疾病的确诊因而可提高一些疾病的确诊率率. 核磁共振核磁共振CT 技术可检测人体组织的成分浓度分技术可检测人体组织的成分浓度分布布, 生理病理状态和智能活动等生理病理状态和智能活动等, 在几种在几种CT 技术技术中具有其独特的优点。中具有其独特的优点。核磁共振核磁共振CTCT 技术视频技术视频三、材料磁学三、材料磁学无外磁场无外磁场顺顺 磁磁 质质 的的 磁磁 化化0B有外磁场有外磁场sI0BBB顺磁质内磁场顺磁质内磁场无外磁场无外磁场抗抗 磁磁

30、质质 的的 磁磁 化化0B有外磁场有外磁场sI0BBB抗磁质内磁场抗磁质内磁场感应磁矩感应磁矩 铁磁性材料类别：铁磁性材料类别：HBO软软磁材料磁材料HBO硬硬磁材料磁材料HBO矩矩磁铁氧体磁铁氧体材料材料实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差实验表明，不同铁磁性物质的磁滞回线形状相差很大很大.出现和应用都很早的是出现和应用都很早的是永磁材料永磁材料和和软磁材料软磁材料 永磁材料是经过强磁场磁化以后能长期保留其永磁材料是经过强磁场磁化以后能长期保留其剩余强磁性的材料剩余强磁性的材料, 也是历史上最早发现和应用的也是历史上最早发现和应用的强磁材料强磁材料. 第一二三代稀土永磁材料分别为第一二

31、三代稀土永磁材料分别为SmCo5和和Sm2Co17 系系Nd-Fe-B 系系, 其最大磁能积均远超过其最大磁能积均远超过其他的永磁材料其他的永磁材料, 而且还一代超过一代而且还一代超过一代 我国稀土矿储量约占世界已探明储量的我国稀土矿储量约占世界已探明储量的80%, 也也是目前生产稀土永磁材料的大国之一。是目前生产稀土永磁材料的大国之一。 软磁材料软磁材料是现代电力工业和电子工业用量大和是现代电力工业和电子工业用量大和用途广的一大类磁性材料用途广的一大类磁性材料. 当代新发展的非晶软磁当代新发展的非晶软磁材料和纳米软磁材料材料和纳米软磁材料, 其软磁性能好损耗低其软磁性能好损耗低, 正在正在解

32、决大量生产的工艺问题解决大量生产的工艺问题, 是对传统软磁材料的一是对传统软磁材料的一大挑战大挑战. 信息磁性材料信息磁性材料, 简称信磁材料简称信磁材料, 是当前信息时代是当前信息时代有着重要和广泛应用的多类磁性材料的统称有着重要和广泛应用的多类磁性材料的统称. 信磁材料在当代电子计算机信磁材料在当代电子计算机(电脑电脑) 微波和卫星通微波和卫星通信以及光通信等高新技术中都有着重要的应用信以及光通信等高新技术中都有着重要的应用. 半半个多世纪以来个多世纪以来, 电子计算机技术发展迅速电子计算机技术发展迅速, 但是磁带但是磁带磁盘和磁鼓等磁记录材料和磁头材料仍始终获得应磁盘和磁鼓等磁记录材料和

33、磁头材料仍始终获得应用用. 在不同时期和不同情况下在不同时期和不同情况下, 磁芯和磁膜存储器也磁芯和磁膜存储器也有着重要的应用有着重要的应用.磁记录磁记录 磁记录是利用铁磁材料的特性与电磁感应的磁记录是利用铁磁材料的特性与电磁感应的规律来记录信息规律来记录信息( (如声音、图象或数字等如声音、图象或数字等) )的。把铁的。把铁磁材料制成粉末状，用粘接剂涂敷在特制的带或圆磁材料制成粉末状，用粘接剂涂敷在特制的带或圆盘表面，称为磁带或磁盘，用它们记录音像信号或盘表面，称为磁带或磁盘，用它们记录音像信号或数字信号。数字信号。 录音录音( (或录像或录像) )时，需要一个录音时，需要一个录音( (像像

34、) )磁头，它是磁头，它是一个具有微小气隙的电磁铁。工作时，使磁带靠近一个具有微小气隙的电磁铁。工作时，使磁带靠近磁头的气隙走过，磁头的线圈内通入由声音或图像磁头的气隙走过，磁头的线圈内通入由声音或图像转成的电信号，即强弱和频率都随时间变化的电流。转成的电信号，即强弱和频率都随时间变化的电流。这个电流使铁芯的磁化状态及气隙中的磁场同步变这个电流使铁芯的磁化状态及气隙中的磁场同步变化。化。 放音放音( (像像) )时，让已录有信号的磁带在放音磁头的时，让已录有信号的磁带在放音磁头的气隙下面通过。磁带上磁粉剩磁的强弱将引起磁头气隙下面通过。磁带上磁粉剩磁的强弱将引起磁头中线圈铁芯内磁通的变化。这个

35、变化的磁通在线圈中线圈铁芯内磁通的变化。这个变化的磁通在线圈内产生同步变化的感应电流。将此电流放大再经过内产生同步变化的感应电流。将此电流放大再经过电声电声( (或电像或电像) )转换，获得原来记录的声音或图像。转换，获得原来记录的声音或图像。要想把已记录的声音或图要想把已记录的声音或图象抹去，只要在磁带通过象抹去，只要在磁带通过时，在磁头的线圈内通入时，在磁头的线圈内通入等幅变化的电流即可等幅变化的电流即可这个变化着的磁场将使磁带上磁粉的磁化状态发生这个变化着的磁场将使磁带上磁粉的磁化状态发生相应变化，当磁带离开磁头后，磁粉剩磁的强弱分相应变化，当磁带离开磁头后，磁粉剩磁的强弱分布对应输入磁

36、头的电流信号。把信号记录到磁带上。布对应输入磁头的电流信号。把信号记录到磁带上。磁光盘是以磁畴的磁化方向表示记录数磁光盘是以磁畴的磁化方向表示记录数据，常温下磁畴具有据，常温下磁畴具有10kOe10kOe以上的矫顽以上的矫顽力，普通的磁铁和磁头都不能改变其力，普通的磁铁和磁头都不能改变其磁化方向，但如果受热，随着温度的磁化方向，但如果受热，随着温度的上升，其矫顽力将迅速变小，当温度上升，其矫顽力将迅速变小，当温度上升到居里温度（矫顽力降为上升到居里温度（矫顽力降为0 0时的温时的温度称为居里温度）时磁畴的磁化方向度称为居里温度）时磁畴的磁化方向随外部磁场的改变而改变。随外部磁场的改变而改变。

37、磁光盘便是利用激光照射产生的热能结合磁记录进行磁光盘便是利用激光照射产生的热能结合磁记录进行数据的记录和擦除：即连续照射激光，将记录膜的温度提数据的记录和擦除：即连续照射激光，将记录膜的温度提高到居里温度，使矫顽力降为高到居里温度，使矫顽力降为0 0，从而受磁头磁场的影响磁，从而受磁头磁场的影响磁畴磁化方向全部向下，完成磁光盘的初始化，也即是通过畴磁化方向全部向下，完成磁光盘的初始化，也即是通过写入写入“0 0”擦除原有数据。擦除原有数据。 记录数据时，磁头通电，反转磁场方向，需记录数据时，磁头通电，反转磁场方向，需写入数据的地方受强激光照射，磁化方向也随磁写入数据的地方受强激光照射，磁化方向

38、也随磁头磁场方向的改变而向上，即写入数据头磁场方向的改变而向上，即写入数据“1 1”。读。读出激光入射到磁光盘，反射光的偏振面将随磁畴出激光入射到磁光盘，反射光的偏振面将随磁畴磁化方向的改变而旋转（即所谓克尔（磁化方向的改变而旋转（即所谓克尔（kerrkerr）效）效应），顺时针旋转表明数据是应），顺时针旋转表明数据是“1 1”，反时针是，反时针是“0 0”，这一变化用偏振光分束器转换成光强度的，这一变化用偏振光分束器转换成光强度的变化，然后导入光探测器取出电信号，从而完成变化，然后导入光探测器取出电信号，从而完成数据的读出。读出时的激光强度不到数据的读出。读出时的激光强度不到記録記録擦除擦除

39、時時的的1/71/7，因而不会影响记录膜的数据。，因而不会影响记录膜的数据。磁光盘是以磁畴的磁化方向表示记录数磁光盘是以磁畴的磁化方向表示记录数据，常温下磁畴具有据，常温下磁畴具有10kOe10kOe以上的矫顽以上的矫顽力，普通的磁铁和磁头都不能改变其力，普通的磁铁和磁头都不能改变其磁化方向，但如果受热，随着温度的磁化方向，但如果受热，随着温度的上升，其矫顽力将迅速变小，当温度上升，其矫顽力将迅速变小，当温度上升到居里温度（矫顽力降为上升到居里温度（矫顽力降为0 0时的温时的温度称为居里温度）时磁畴的磁化方向度称为居里温度）时磁畴的磁化方向随外部磁场的改变而改变。随外部磁场的改变而改变。 磁光

40、盘便是利用激光照射产生的热能结合磁记录进行磁光盘便是利用激光照射产生的热能结合磁记录进行数据的记录和擦除：即连续照射激光，将记录膜的温度提数据的记录和擦除：即连续照射激光，将记录膜的温度提高到居里温度，使矫顽力降为高到居里温度，使矫顽力降为0 0，从而受磁头磁场的影响磁，从而受磁头磁场的影响磁畴磁化方向全部向下，完成磁光盘的初始化，也即是通过畴磁化方向全部向下，完成磁光盘的初始化，也即是通过写入写入“0 0”擦除原有数据。擦除原有数据。 记录数据时，磁头通电，反转磁场方向，需记录数据时，磁头通电，反转磁场方向，需写入数据的地方受强激光照射，磁化方向也随磁写入数据的地方受强激光照射，磁化方向也随

41、磁头磁场方向的改变而向上，即写入数据头磁场方向的改变而向上，即写入数据“1 1”。读。读出激光入射到磁光盘，反射光的偏振面将随磁畴出激光入射到磁光盘，反射光的偏振面将随磁畴磁化方向的改变而旋转（即所谓克尔（磁化方向的改变而旋转（即所谓克尔（kerrkerr）效）效应），顺时针旋转表明数据是应），顺时针旋转表明数据是“1 1”，反时针是，反时针是“0 0”，这一变化用偏振光分束器转换成光强度的，这一变化用偏振光分束器转换成光强度的变化，然后导入光探测器取出电信号，从而完成变化，然后导入光探测器取出电信号，从而完成数据的读出。读出时的激光强度不到数据的读出。读出时的激光强度不到記録記録擦除擦除時時

42、的的1/71/7，因而不会影响记录膜的数据。，因而不会影响记录膜的数据。 多功能磁性材料和智能磁性材料多功能磁性材料和智能磁性材料的研究和应用的研究和应用是适应当代多种高新技术的需要和相关学科的进步是适应当代多种高新技术的需要和相关学科的进步而发展起来的而发展起来的. 多功能磁性材料多功能磁性材料是指同时具有其他物理功能和是指同时具有其他物理功能和磁性功能的材料磁性功能的材料. 智能磁性材料智能磁性材料则是指同时具有对则是指同时具有对外界环境的感知反馈和响应外界环境的感知反馈和响应(或称执行或称执行)功能的磁性功能的磁性材料材料, 因为同时具有这几种功能而类似于人的智能因为同时具有这几种功能而

43、类似于人的智能, 所以这种磁性材料被称为智能磁性材料所以这种磁性材料被称为智能磁性材料. 目前已观测到多功能磁效应的磁性材料：目前已观测到多功能磁效应的磁性材料： (1) 磁场能产生电通密度和电场能产生磁通密度的磁场能产生电通密度和电场能产生磁通密度的磁磁-电材料电材料, 如如GaFeO3 和和DyAlO3 等等; (2) 具有电矩有序和磁矩有序的铁电具有电矩有序和磁矩有序的铁电-铁磁或序电铁磁或序电-序磁材料序磁材料, 如如BiFeO3-(Ba, Pb)(Ti,Zr)O3 等等; （6）已经观测到具有形状记忆的磁性智能材料有）已经观测到具有形状记忆的磁性智能材料有Ni-Ti 和和Ni-Al

44、等合金等合金, 例如已经利用例如已经利用Ni-Ti 形状记忆形状记忆合金研制成可应用于宇宙飞船的大小和形状可改变合金研制成可应用于宇宙飞船的大小和形状可改变的无线电通信天线的无线电通信天线.(5) 同时具有超导电性和磁矩有序的超导同时具有超导电性和磁矩有序的超导-强磁或超强磁或超导导-序磁材料序磁材料, 如如ErRh4B4 和和Gd-Ba-Cu-O 系材料等系材料等. (3) 同时具有高载流子迁移率和磁矩有序的超导同时具有高载流子迁移率和磁矩有序的超导-强强磁材料磁材料, 如如EuO 和和ZnCr2S4 等等; (4) 同时具有透光和磁矩有序的透光同时具有透光和磁矩有序的透光-强磁材料强磁材料

45、, 如如FeBO3 和和KFeF3 等等;四、各类磁效应四、各类磁效应1、常见磁效应、常见磁效应磁力磁力电磁感应电磁感应dtd载流导线载流导线运动电荷运动电荷BvqF磁力磁力)BvqEqF(BIdFdlBPMmBIn OO载流线圈（均匀场）载流线圈（均匀场）18451845年年，电磁力将一根金属棒射出了近，电磁力将一根金属棒射出了近2020米远；米远；电磁炮电磁炮1991年和年和1994年美国分别研制成功机动型的多发年美国分别研制成功机动型的多发电磁炮和反战术导弹电磁炮；电磁炮和反战术导弹电磁炮；19781978年，年，澳大利亚国立大学物理学家理查德澳大利亚国立大学物理学家理查德马马歇尔和约翰

46、巴伯等人使用歇尔和约翰巴伯等人使用5 5米长的导轨炮，将质米长的导轨炮，将质量量3.33.3克的塑料弹丸以克的塑料弹丸以59005900米米/ /秒的高速发射成功秒的高速发射成功19011901年年，挪威物理学家伯克兰造出了第一门电磁，挪威物理学家伯克兰造出了第一门电磁线圈炮，能把线圈炮，能把1010千克的弹体加速到千克的弹体加速到100100米秒；米秒；1898年年美国一位发明者断言线圈炮可将炮弹射出美国一位发明者断言线圈炮可将炮弹射出230千米。千米。0vmvmtf动量定理动量定理N2015900103 .3tmv30fN7591230000103 .3tmv30f目前，研制成功的电磁炮已

47、能将弹丸加速到目前，研制成功的电磁炮已能将弹丸加速到810km/s（火炮仅（火炮仅2km/s），是火炮的），是火炮的4到到5倍预倍预计将来电磁炮弹丸的速度将达到计将来电磁炮弹丸的速度将达到100km/s发射能量的成本：常规火炮的发射药产生每兆焦发射能量的成本：常规火炮的发射药产生每兆焦耳能量需耳能量需10美元，而电磁炮只需美元，而电磁炮只需0.1美元美元（交流同轴线圈炮）（交流同轴线圈炮）加速线圈固定在炮管中，通以交加速线圈固定在炮管中，通以交变电流变电流 交变磁场交变磁场弹丸线圈弹丸线圈中产生感应电流中产生感应电流 感应电流的感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相磁场与加速线圈电流的磁场互相

48、作用作用 产生洛仑兹力产生洛仑兹力 弹丸加弹丸加速运动并发射出去速运动并发射出去加速线圈加速线圈弹丸线圈弹丸线圈弹丸线圈弹丸线圈2 2）轨道炮）轨道炮 轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去它由两条平行的长直导轨组成，弹丸发射出去它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸当两轨导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸当两轨接人电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块接人电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会

49、以很大通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理的速度射出，这就是轨道炮的发射原理3）电热炮）电热炮：电热炮的原理完全不同于上述两种：电热炮的原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构也有多种形式电磁炮，其结构也有多种形式 最简单的一种是采用一般的最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端当等离子装在炮后膛的末端当等离子体燃烧器两极间加上高压时，体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚间的等离子体生成材

50、料（如聚乙烯）蒸发蒸发后的材料变乙烯）蒸发蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速。使弹丸加速。4）重接炮：重接炮是一种多级加速的无接触电）重接炮：重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接炮之前应有一定的初速度其结构和工作原理是炮之前应有一定的初速度其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙长方利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙长方形的形的“炮弹炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进重强磁场力的作用，穿过间

51、隙在其中加速前进重接炮是电磁炮的最新发展形式接炮是电磁炮的最新发展形式DDX未来战舰可能装备动力电磁炮武器系统我国的电磁炮的理论论证在上世纪我国的电磁炮的理论论证在上世纪8080年代中期就基年代中期就基本完成，从那时起就开始进行实用化的研究，经过本完成，从那时起就开始进行实用化的研究，经过近近2020年的努力，已经结出丰硕的成果，预计年的努力，已经结出丰硕的成果，预计20072007年前后，将部分装备部队进行量产前的定型试用。年前后，将部分装备部队进行量产前的定型试用。 一种电磁炮是口径一种电磁炮是口径20mm左右的车载反坦克电磁炮左右的车载反坦克电磁炮（也可能实现机载），该炮的核心设备包括（

52、也可能实现机载），该炮的核心设备包括MW级级的高脉冲发电机、超导线圈和高速装弹机，可以把的高脉冲发电机、超导线圈和高速装弹机，可以把超过超过120g120g的实心穿甲弹加速到的实心穿甲弹加速到3.5km/s以上以上, ,射速在射速在10发发/ /分到分到15发发/ /分之间分之间实验表明，弹头虽小，但是由实验表明，弹头虽小，但是由于初速高，完全击穿现役所有于初速高，完全击穿现役所有主战坦克装甲，效果就和用主战坦克装甲，效果就和用AK47AK47扫射本田轿车一样。扫射本田轿车一样。 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律tdd 方向：楞次定律方向：楞次定律动生电动势动生电动势N感应电动势感应电动势

53、感生电动势感生电动势RNooiBn 磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体。将等离以及原子核的混合物，这就是等离子体。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管子体以超音速的速度

54、喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。路中就可以使用了。磁流体发电磁流体发电 磁流体发电的最大好处是可以大大提高发电磁流体发电的最大好处是可以大大提高发电效率。普通的火力发电，燃烧燃料释放的能量效率。普通的火力发电，燃烧燃料释放的能量中，只有中，只有20%20%变成了电能。而且，人们从理论上变成了电能。而且，人们从理论上推算出，火力发

55、电的效率提高到推算出，火力发电的效率提高到40%40%就已达到了就已达到了极限。而用磁流体发电，可以将从磁流体发电极限。而用磁流体发电，可以将从磁流体发电管道里喷出来的废气，驱动另一台汽轮发电机，管道里喷出来的废气，驱动另一台汽轮发电机，形成组合发电装置，这种组合发电的效率可以形成组合发电装置，这种组合发电的效率可以达到达到50%50%。如果解决好一些技术上的问题，发电。如果解决好一些技术上的问题，发电效率还有望进一步提高到效率还有望进一步提高到60%60%以上。以上。 磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大

56、量利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫，这是造成空气污染的一个重要原因。的二氧化硫，这是造成空气污染的一个重要原因。利用磁流体发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更利用磁流体发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分，它使用的一些添加材料还可以和硫化合，加充分，它使用的一些添加材料还可以和硫化合，生成硫酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把生成硫酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把硫排放到空气中，对环境造成污染。硫排放到空气中，对环境造成污染。 利用磁流体发电，只要加快带电流体的喷射利用磁流体发电，只要加快带电流体的喷射速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。人们使用高能量的燃料，再配上快速启动装置，人们使用高能量的燃料，再配上快速启动装置，就可以使发电机功率达到就可以使发电机功率达到10001000万万kWkW，这就满足了，这就满足了一些需要大功率电力的场合。目前，中国，美国、一些需要大功率电力的场合。目前，中国，美国、印度、澳大利亚以及欧洲共同体等，都积极致力印度、澳大利亚以及欧洲共同体等，都积极致力于这方面的研究。于这方面的研究。 19