鄔啟超

摘 要：在初中物理社團(tuán)的活動中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注科技發(fā)展的意識，通過介紹物理學(xué)中與電磁聯(lián)系相關(guān)的磁電效應(yīng)，讓學(xué)生感受到科學(xué)的發(fā)展是一個不斷進(jìn)取的過程，幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀。

關(guān)鍵詞：物理社團(tuán); 科技發(fā)展; 磁電效應(yīng)

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1006-3315（2020）8-041-001

在義務(wù)教育階段，物理課程的價值體現(xiàn)在方方面面。筆者在一個學(xué)期的物理社團(tuán)活動中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于科技在生活中的應(yīng)用顯露出了十足的興趣，比如初三物理電磁聯(lián)系一章中有關(guān)電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的實驗就能激發(fā)起社團(tuán)學(xué)生滿滿的求知欲，所謂百尺竿頭更進(jìn)一步，筆者結(jié)合國際上電磁聯(lián)系的一些新進(jìn)展，在物理社團(tuán)教學(xué)中滲透磁電效應(yīng)的研究。

1.磁電效應(yīng)的由來

磁電效應(yīng)這一詞的出現(xiàn)最早可以追溯到1888年，當(dāng)時R?ntgen等幾位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電介質(zhì)在磁場中運動會被極化。此后的數(shù)十年科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了Cr2O3晶體中有一種特殊的現(xiàn)象，也就是當(dāng)Cr2O3晶體放入磁場中后，在適宜的溫度條件下Cr2O3晶體的表面產(chǎn)生了極化電荷，這一發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時應(yīng)該是非常驚奇的。根據(jù)麥克斯韋的電磁場理論我們知道變化的磁場是可以產(chǎn)生電場的，而變化的電場也可以產(chǎn)生磁場。上述所說現(xiàn)象的特殊之處就在于非變化的磁場也可以使Cr2O3這一反鐵磁氧化物表面產(chǎn)生電場。這就使得磁場能量和電場能量之間可以實現(xiàn)相互的轉(zhuǎn)化，因此引起了科學(xué)家們的極大興趣。后來人們又陸續(xù)在很多具有一定晶體對稱性結(jié)構(gòu)的反鐵磁性物質(zhì)和鐵磁性物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。如鋁酸鉛、磷酸鐵鋰等，科學(xué)家們進(jìn)一步地研究發(fā)現(xiàn)某些磁性物質(zhì)在放入電場后其內(nèi)部可以產(chǎn)生與外加電場成比例的磁化強(qiáng)度，這一現(xiàn)象再次表明了科學(xué)對稱的美。此后物理學(xué)家Debye最先使用了“Magnetoelectric”即“磁電”這個新術(shù)語來表述磁和電之間的這種關(guān)系。

如今我們知道能產(chǎn)生磁電效應(yīng)的物質(zhì)都是多鐵性材料，1994年瑞士科學(xué)家Schmid第一位提出了多鐵性材料的概念，他定義多鐵性材料為物質(zhì)中包含兩種或兩種以上鐵的基本性能（如鐵電性、鐵磁性，或鐵彈性等）的材料。由于多鐵性材料中不同序參數(shù)之間的耦合作用將會導(dǎo)致新效應(yīng)的產(chǎn)生，這使得多鐵性材料可以具有某些特殊的物理性質(zhì)。但是天然的單相多鐵性磁電物質(zhì)在大自然中是十分稀缺的，而且它們的磁電響應(yīng)（磁電響應(yīng)指的是材料在磁場H作用下產(chǎn)生的電介質(zhì)極化P或是電場E作用下產(chǎn)生磁化強(qiáng)度M）很微弱，磁電電壓系數(shù)一般只在20 mV/cm Oe以下。而且材料只能在極低的溫度控制下才能實現(xiàn)磁電響應(yīng)，這就給材料的實際應(yīng)用帶來了困難。雖然科學(xué)家們又通過人工合成的方法制造了很多單相多鐵性磁電物質(zhì)，但是它們的磁電效應(yīng)仍然不很理想。然而如果將鐵電相物質(zhì)和鐵相物質(zhì)人工組合起來，在室溫下便可以產(chǎn)生巨大的磁電耦合效應(yīng)，這樣構(gòu)成的材料就是多鐵性磁電復(fù)合材料。

多鐵性磁電復(fù)合材料通常都是選取具有壓電效應(yīng)的鐵電材料和具有磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁材料構(gòu)成的，復(fù)合而成的材料可以在室溫下產(chǎn)生十分顯著的磁電響應(yīng)（比已知的單相磁電材料的磁電電壓系數(shù)高出幾個數(shù)量級）。單一的壓電材料或是磁性材料都不具有磁電效應(yīng)，但是這兩相材料的復(fù)合材料卻具有可觀的磁電效，這源于復(fù)合材料中不同相序物質(zhì)間的交叉作用，即乘積效應(yīng)。乘積效應(yīng)的提出以及磁電復(fù)合材料的應(yīng)運而生使得磁電材料成了一種重要的功能材料。

2.磁電效應(yīng)的發(fā)展歷程

磁電效應(yīng)的真正發(fā)展大約始于1972年Van Suchetelene提出了乘積效應(yīng)這一概念之后，多鐵性磁電復(fù)合材料的出現(xiàn)使磁電效應(yīng)正式開始進(jìn)入科學(xué)家們的視野。當(dāng)將磁場加在復(fù)合材料上后，鐵磁材料將發(fā)生應(yīng)變，該應(yīng)變使得與之相接觸的鐵電材料也發(fā)生應(yīng)變，從而在鐵電材料上產(chǎn)生極化電荷，因此磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)來自界面層的彈性耦合。

在磁電復(fù)合磁電材料這一理論模型提出不久，飛利浦實驗室的科學(xué)家們就從實驗上觀察到此類復(fù)合材料中巨大的磁電效應(yīng)。他們通過單相凝固方法得到了具有Fe-Co-Ti-Ba-O排列的共晶系統(tǒng)BaTiO3-CoFe2O4陶瓷復(fù)合材料，通過這種方式獲得的磁電效應(yīng)可以比單相多鐵性材料的磁電效應(yīng)強(qiáng)上數(shù)百倍。但是單相凝固法的工藝是十分復(fù)雜的，而且需要對流程和材料組分進(jìn)行嚴(yán)格的操控。因此磁電復(fù)合材料這一研究領(lǐng)域在世界范圍又經(jīng)歷約20多年的沉寂。時間一晃到了1990年，紐漢姆的研究團(tuán)隊和一些俄羅斯科學(xué)家通過傳統(tǒng)的燒結(jié)處理制備了鐵酸鹽與鈦酸鋇的顆粒復(fù)合陶瓷材料。這種燒結(jié)陶瓷復(fù)合材料的制備過程比制備共晶復(fù)合材料的手段要簡單的多，并且成本更低，更重要的是它提供了將具有不同晶格結(jié)構(gòu)的相組合起來的可能性。然而，這種燒結(jié)而成的陶瓷復(fù)合材料比之前在飛利浦實驗室制成的共晶復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)要小的多。盡管在1990年時磁電復(fù)合材料的科學(xué)研究并未邁出偉大的一步，但通過實驗的確促成了一系列重大的磁電陶瓷復(fù)合材料理論工作的誕生。多鐵性磁電復(fù)合材料研究的高峰出現(xiàn)在2000年左右。這歸功于2001年具有超磁致伸縮系數(shù)的稀土合金TDF的發(fā)現(xiàn)。在那之后的數(shù)年，多種基于不同連接模式的磁電復(fù)合材料被人們所提出，其中有0-3型顆粒復(fù)合材料，2-2型層狀復(fù)合材料和1-3型纖維復(fù)合材料。隨后不久，科學(xué)家們就在實驗中發(fā)現(xiàn)了TDF/PZT和TDF/PVDF層狀復(fù)合材料的超磁電效應(yīng)（磁電電壓系數(shù)大于1V/cm Oe）。時至今日，有關(guān)磁電效應(yīng)的研究仍在繼續(xù)，還需科學(xué)家們不斷的探索。

磁電效應(yīng)是電磁聯(lián)系的一種體現(xiàn)，雖然對于初中階段的學(xué)生而言理解磁電效應(yīng)不是一件容易的事情，但是對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣可以起到積極的作用，也讓學(xué)生體會到科技的發(fā)展不是一蹴而就的，需要一代代科學(xué)家不斷的探索，這對學(xué)生科學(xué)精神的培養(yǎng)也有促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年）[M]北京：人民教育出版社，2018