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世界上的磁铁不够用了!

发布于:2015/9/25  阅读534次

  “我们总是瞧不起磁铁,”在美国波士顿的西北大学开发出一种新型磁性物质的劳拉·刘易斯(Laura Lewis)感叹道,“人们总以为:‘对,没错,连电冰箱里都要用到磁铁,多大点事儿呀!’”

  但在刘易斯眼中,磁铁的故事就完全不同了。永磁体远远不止是电冰箱里的关键部件,或是中学实验里那一堆堆难以摆弄的金属,这些能自身产生出磁场的金属块,实际上是支撑起我们现代生活的很多技术的核心。

  而现在,一个危机正在显现。受到全球对能量饕餮贪求的刺激,对最优质磁铁的需求正汇聚成一股暗涌的洪流。麻烦在于,我们不知道从哪才能弄来这么多磁铁。突然之间,康斯坦丁尼德斯、刘易斯和他们的同行们发现,自己的工作正受到前所未有的重视。

  要制造出一块好的磁铁可不容易。19世纪,经典电磁学理论告诉我们,运动的电荷会产生磁场,天然磁铁的磁场反过来则可以驱动电荷。这个发现足以让大量的铁,自然界最常见的磁性物质,成为马达、发电机和变压器这类关键电力技术的核心。磁芯在这些设备中存储能量,将机械功和电流相互转化,直到今天依然如此。

  但要解释磁铁这样的永磁体如何获得产生磁场并与磁场相互作用的能力,就得要借助不少20世纪的物理学才行。所有这一切都来自于固体内原子中电子的行为。将量子原理和爱因斯坦的相对论准则运用于这些电子,你就会发现它们表现得像一个个小磁棒,其指向要么向上,要么向下,取决于电子的自旋数值。

  在大多数物质中,每个指向的电子数目各占一半,所以整体不表现出磁效应,但是对某些元素,比如铁,以及它在元素周期表上的邻居钴和镍来说,如果所有原子的最外层,也就是参与化学键形成的那些电子,自旋指向相互平行的话,整体能量就会降低。

  只要牢牢地将这些电子固定在一个它们能自由翻转的固体晶格中,然后加上一点磁场,这些元素构成的固体就能产生自己的磁场,并一致保持下去。这样,你就得到了一块永磁体。

  磁铁,在我们身边无处不在,是日常通讯、交通,甚至能源体系中的重要原料,然而这种资源也快要不够用了。

  现代的铁基或者铁氧体磁铁,在价廉和原材料丰富上各有一个勾,它们的磁性相对也足够强,而且抗腐蚀性也独占鳌头,但它们有一个致命缺点:能量密度太低。这意味着,如果想要强磁场的话,你就要用大得可怕的一堆铁氧体做成一块巨型磁铁。

  “铁氧体磁铁就是又大又沉的大铁块。”刘易斯补充道。

  对于工业界或是大型动力机组中使用的粗重机械而言,这也还过得去,但在如今这个精雕细琢的电子时代,我们需要身形更为玲珑的磁铁。

  如何才能造出这样的磁铁来呢?固体材料中大量的电子和它们之间的自旋相互作用过于复杂了,理论物理学家想要精确判断它们的行为,简直毫无胜算,因此制造更优良磁铁很大程度上都依赖于冶金学家的黑暗魔法:混合各种可能的元素,然后放入磁场,看命运之轮会如何变化。

  这种神农尝百草的方法一直屡试不爽。20世纪30年代合成的铝-钴-镍磁铁,能量密度就是最好的铁氧体磁铁的两倍,但真正的突破还是以上世纪70年代发现镧系元素或者叫稀土元素的磁性潜力为开端的。这些元素在元素周期表上总是独立成区,无一例外都能贡献大量自旋相互平行织连成片的电子。用钴和稀土元素钐的混合物做出的磁铁,储能甚至比铝-钴-镍磁铁还要高一倍。

  当然,选秀中的最大明星还要属由稀土元素钕加上铁和硼制成的磁铁。在上世纪90年代之前,这些钕系磁铁得到了突飞猛进的发展,以至于指甲盖那么大一块磁铁产生的磁场,比整个地球铁质核心的磁场还要强数千倍。“室温下,钕磁铁是我们目前所知的最强磁铁。”康斯坦丁尼德斯如此评论道。

  问题就出在这个“室温下”。早期的钕磁有个令人讨厌的缺陷——热扰动总是会破坏那些小心翼翼排列好的自旋,令磁铁退磁,并在超过100℃时完全丧失磁性,但是只需要稍加打造,一个现成的修补方案就在眼前:要想得到一个热力学更加稳定的结构,只需将很少一部分钕原子,百分之几即可,替换成它更重的同伴——镝。

  最终,这带来了一场磁场革命。从汽车中的动力输送,到让硬盘、CD和DVD盘片高速旋转的马达;从扬声器和耳机中将电流脉冲转换成声响的振膜,到医学磁共振成像(MRI)中所需的超高密度磁场——但凡需要用最小体积产生最大磁场的地方,都会闪现出钕磁的身影。

  截至2010年,尽管好用实惠的铁氧体磁铁在重量上仍占据销售比例的大头,但从销售总价上看,钕基磁铁比其它所有磁铁都多1到2倍。

  但祸随福至。美国爱荷华州立大学的磁学研究者威廉姆·麦卡勒姆(William McCallum)解释道:“钕磁被发明出来时,人们就觉得它好得是不是有点太过头了。它对稀土元素的需求,甚至超过了后者的储量。”

  稀土元素实际上并不稀有,总共约占地球表层的百万分之几,但它们很难探寻。过去的几十年来,全球几乎所有的稀土供应都来自中国的稀土矿藏,但中国需要这些元素来满足自己的经济和消费需求,近来已经开始对稀土课以很高的出口关税——正值全球对稀土求知若渴的当口。

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