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    優質的磁鐵資源現在還缺乏嗎?

    電磁鐵離我們忽近忽遠,是我們生活用品、家電的必備品,但是又是很容易被我們忽悠的產品,最近科學界為磁鐵吶喊了,由于長年的消耗不可再生資源,導致磁鐵已經開始告急了,地球上的磁鐵在慢慢的離開我們。磁鐵是部分電磁鐵必不可少的一個零部件,磁鐵的告急對電磁鐵的影響非常深遠。


     


    我們總是瞧不起磁鐵,”在美國波士頓的西北大學開發出一種新型磁性物質的勞拉·劉易斯(Laura Lewis)感嘆道,“人們總以為,‘對,沒錯,連電冰箱里都要用到磁鐵,多大點事兒呀!’”


    在劉易斯眼中,磁鐵的故事就完全不同了。永磁體遠遠不止是電冰箱里的關鍵部件,或是中學實驗里那一堆堆難以擺弄的金屬,這些能自身產生出磁場的金屬塊,實際上是支撐起我們現代生活的很多技術的核心。


    這些技術中包含了從智能手機到耳機這樣的個人物品,它們纖巧的外形都多虧了內部使用的最新一代高效磁鐵。但磁鐵的影響力遠超于此,“我們的世界運行在能量之上:汽車、渦輪機、電腦、衛星,以及各種交通運輸,”美國紐約州羅徹斯特阿諾德磁性技術公司的斯蒂芬·康斯坦丁尼德斯(Steve Constantinides)解釋道,“這些都需要磁鐵?!?/p>


    而現在,一個危機正在顯現。受到全球對能量饕餮貪求的刺激,對最優質磁鐵的需求正匯聚成一股暗涌的洪流。麻煩在于,我們不知道從哪才能弄來這么多磁鐵。突然之間,康斯坦丁尼德斯、劉易斯和他們的同行們發現,自己的工作正受到前所未有的重視。


    要制造出一塊好的磁鐵可不容易。19世紀,經典電磁學理論告訴我們,運動的電荷會產生磁場,天然磁鐵的磁場反過來則可以驅動電荷。這個發現足以讓大量的鐵,自然界最常見的磁性物質,成為馬達、發電機和變壓器這類關鍵電力技術的核心,磁芯在這些設備中存儲能量,將機械功和電流相互轉化,直到今天依然如此。


    但要解釋磁鐵這樣的永磁體如何獲得產生磁場并與磁場相互作用的能力,就得要借助不少20世紀的物理學才行。所有這一切都來自于固體內原子中電子的行為。將量子原理和愛因斯坦的相對論準則運用于這些電子,你就會發現它們表現得像一個個小磁棒,其指向要么向上,要么向下,取決于電子的自旋數值。


    在大多數物質中,每個指向的電子數目各占一半,所以整體不表現出磁效應。但是對某些元素,比如鐵,以及它在元素周期表上的鄰居——鈷和鎳來說,如果所有原子的最外層,也就是參與化學鍵形成的那些電子,自旋指向相互平行的話,整體能量就會降低。只要牢牢地將這些電子固定在一個它們能自由翻轉的固體晶格中,然后加上一點磁場,這些元素構成的固體就能產生自己的磁場,并一致保持下去。這樣,你就得到了一塊永磁體。


    優質永磁體


    沒錯,這是一塊永磁體,但這是一塊好磁鐵么?“我有一張優質磁鐵需要滿足的要求列表,”康斯坦丁尼德斯說,“要展開可很長?!爆F代的鐵基或者鐵氧體磁鐵,在價廉和原材料豐富上各有一個勾,它們的磁性相對也足夠強,而且抗腐蝕性也獨占鰲頭,但它們有一個致命缺點:能量密度太低。這意味著,如果想要強磁場的話,你就要用大得可怕的一堆鐵氧體做成一塊巨型磁鐵?!拌F氧體磁鐵就是又大又沉的大鐵塊,”劉易斯補充道。


    對于工業界或是大型動力機組中使用的粗重機械而言,這也還過得去。但在如今這個精雕細琢的電子時代,我們需要身形更為玲瓏的磁鐵。但如何才能造出這樣的磁鐵來呢?固體材料中大量的電子和它們之間的自旋相互作用過于復雜了,理論物理學家想要精確判斷它們的行為,簡直毫無勝算。因此,制造更優良磁鐵很大程度上都依賴于冶金學家的黑暗魔法:混合各種可能的元素,然后放入磁場,看命運之輪會如何變化。


    這種神農嘗百草的方法一直屢試不爽。20世紀30年代合成的鋁-鈷-鎳磁鐵,能量密度就是最好的鐵氧體磁鐵的兩倍。但真正的突破還是以上世紀70年代發現鑭系元素或者叫稀土元素的磁性潛力為開端的。這些元素在元素周期表上總是獨立成區,無一例外都能貢獻大量自旋相互平行織連成片的電子。用鈷和稀土元素釤的混合物做出的磁鐵,儲能甚至比鋁-鈷-鎳磁鐵還要高一倍。


    當然,選秀中的最大明星還要屬由稀土元素釹加上鐵和硼制成的磁鐵。在上世紀90年代之前,這些釹系磁鐵得到了突飛猛進的發展,以至于指甲蓋那么大一塊磁鐵產生的磁場,比整個地球鐵質核心的磁場還要強數千倍?!笆覝叵?,釹磁鐵是我們目前所知的最強磁鐵,”康斯坦丁尼德斯如此評論道。


    問題就出在這個“室溫下”。早期的釹磁有個令人討厭的缺陷——熱擾動總是會破壞那些小心翼翼排列好的自旋,令磁鐵退磁,并在超過100℃時完全喪失磁性。但是,只需要稍加打造,一個現成的修補方案就在眼前:要想得到一個熱力學更加穩定的結構,只需將很少一部分釹原子,百分之幾即可,替換成它更重的同伴——鏑。


    最終,這帶來了一場磁場革命。從汽車中的動力輸送,到讓硬盤、CD和DVD盤片高速旋轉的馬達;從揚聲器和耳機中將電流脈沖轉換成聲響的振膜,到醫學磁共振成像(MRI)中所需的超高密度磁場——但凡需要用最小體積產生最大磁場的地方,都會閃現出釹磁的身影。截至2010年,盡管好用實惠的鐵氧體磁鐵在重量上仍占據銷售比例的大頭,但從銷售總價上看,釹基磁鐵比其它所有磁鐵都多1到2倍。


    但禍隨福至?!扳S磁被發明出來時,人們就覺得它好得是不是有點太過頭了,”美國愛荷華州立大學的磁學研究者威廉姆·麥卡勒姆(William McCallum)解釋道,“它對稀土元素的需求,甚至超過了后者的儲量?!?/p>


    稀土元素實際上并不稀有,總共約占地球表層的百萬分之幾,但它們很難探尋。過去的幾十年來,全球幾乎所有的供應都來自中國的稀土礦藏。但中國需要這些元素來滿足自己的經濟和消費需求,近來已經開始對稀土課以很高的出口關稅——正值全球對稀土求之若渴的當口。


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