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如何控制磁铁的正负极?

从该问题可以看出提问者对电和磁的概念有些混淆,磁极不分正负,而是N极S极。但是不难看出,这个问题想了解的是磁极方向可以通过哪些方式进行改变,那我们就从电与磁的关系开始说起。

我国是世界上最先发现并应用磁性材料的国家,战国末年人们就将天然磁体磨成勺状指针放置在一个平滑的黄铜盘面上,用其判断方向,并称其为“司南”。也就是说,人类对磁现象的发现始于对自然永磁体的观察。

1820年,丹麦物理学家Oersted首次发现载流导线附近的磁针受力发生偏转,这也或许是科学史上唯一一次在教学课堂上获得的重大发现。这个消息引起了大批物理学家的兴趣,数周以后一味物理学家发现:两条平行导线当电流同相时互相吸引,电流异向时互相排斥,没错这个科学家就是安培。既然电流表现出和永磁体相同的现象(同性相斥,异性相吸),科学家们希望在磁现象和电现象中发现一些规律,并把磁和电建立一定的联系。安培第一个提出了假说,他认为一切磁现象起源于电流,任何物质的分子都具有闭合的电流(分子电流),每一个分子电流具有磁性。对于一般的物质(非磁体),各分子电流方向杂乱无章,磁性相互抵消不受外磁场的影响,所以不具有磁化特性。对与永磁体,分子电流具有规律性的排列,因此磁性相互叠加从而显示磁性。在今天看,这个解释未免有点粗糙,但与近代物理对磁性本质的认识还算相似。仔细想一想,他说的这个分子电流排列的假设其实用来解释永磁体高温下退磁的现象,热运动使分子电流变得杂乱无章,所以失去了磁性,好像也说的通。

但是软磁永磁体表现出磁性的原因还有明显的区别的。高中时候,有很多同学可能做过电磁铁磁极的实验。简单的实验证明电磁铁的磁性大小与缠绕匝数和电流大小都关系,而改变电磁铁的磁极方向可以通过改变电流的方向和导线的缠绕方式来改变,可以看出改变电磁铁的磁极方向并不难,这是由于电磁体中的金属磁芯主要是由一些软磁材料构成的,而软磁材料的特性就是矫顽力很小,且畴壁移动很容易发生,所以磁极方向的改变很容易。

但是永磁体的磁极的改变就要复杂的多了。先解释一下什么叫磁畴,铁磁质内存在许多自发磁化的小区间,我们将它成为磁畴(磁畴的形状和大小与晶粒尺寸等很多因素相关)。在没有外磁场时,铁磁体内的磁矩排列混乱,因此包含大量磁畴的物质内总的磁矩矢量为零,宏观不显示磁性。由此可见铁磁体的磁极方向是由总的磁矩矢量来决定的,而磁矩的翻转需要通过畴壁(相当于一座墙)。如下图所示,当外磁场逐渐增大时,每个磁畴的磁矩方向也越来越向外磁场方向靠拢,且伴随着畴壁的位移,因此磁矩的翻转需要很大外加场或者外力作用使其反向饱和磁化,这样磁极的方向就会发生改变了。

由于永磁体,畴壁的位移及磁矩的翻转是一个不可逆的过程,因此当外加场或者外力撤去后或减小时,磁畴不能按照原来的变化规律退回原状,其磁矩方向仍有部分保持磁化后的方向,因此剩余磁化强度不为零,这也就是我们常说的磁滞现象。相反而电磁铁电流撤去后将不能继续表现出宏观的磁性,因此我们往往采用退磁较快的软磁或硅钢材料来制做。

随着信息技术的迅速发展,人们对磁性材料的需求也日益增加,近些年来也新兴了一个理化交叉的研究领域,叫做单分子磁体(SMMs)[1]。与软磁和永磁材料最大的区别就在于每一个分子都具有单独的磁矩,且晶格内不存在畴壁,与现有磁性存储材料相比其信息存储能力具有明显的提升,其磁极的改变直接受外加场的影响。但是外界温度微小的改变将直接影响到SMMs的磁学性能,因此目前其应用还受到了温度的限制,随着研究的深入,现阶段分子磁体最高的磁滞温度为60K[2],虽离实际应用还有一定的距离,但未来可期。


[1]. Sessoli, R.; Gatteschi, D.; Caneschi, A.; Novak, M. A. Nature, 1993, 365, 141.

[2]. Cap, G.; Ortu, F.; Reta, D.; Chilton, N. F.; Mills, D. P. Nature, 2017, 548, 439.

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