磁效应及其应用
物质所呈现的宏观物性（力、声、热、光、电和磁等）都和物质内原于和电子所处的状态以及它们之间的相互作用有关，因此这些物性相互联系、相互影响。例如，物质磁状态的变化会引起其他各种物性的变化；反之，力、声、热、光和电等的作用也会引起物质磁性的变化，这种与磁性有关的相互影响的变化统称为磁效应。显然，物质的磁效应能提供物质内部结构、物质内部各种相互作用以及由此引起的各种物理性能相互联系的信息。目前磁效应技术已在各领域获得重要应用，下面分别介绍几种磁效应及其在实际中的应用。
1．磁致伸缩效应
大家知道物质有热胀冷缩的现象。而磁场和电场与物质的相互作用也会导致物体尺寸的伸长或缩短。实验发现，铁磁性物质在外磁场作用下，其长度伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩，它是由磁体内磁畴的变化和相应的磁畴自发形变所造成的。
对大多数铁磁体来说，磁致伸缩所引起的长度变化相对是很小的，大约只有 。磁致伸缩的逆效应为应力和应变对磁体磁化的影响，它们统称为磁弹效应。
自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，磁致伸缩材料主要有三大类：即①是磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤（ ）基合金和铁基合金；②是铁氧体磁致伸缩材料；③稀土金属化合物磁致伸缩材料。因为该稀土化合物磁致伸缩材料比金属与合金及铁氧体磁致伸缩材料的磁致伸缩系数大2到3个数量级，因此，又称该类材料为稀土超磁致伸缩材料。
2．磁声效应
由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波。这种强磁体中磁化状态与声振动之间的相互影响、相互转化的效应，称为磁声效应。磁声效应可以作如下解释：磁弹效应使自旋波（磁振子）和点阵的振动（声子）发生耦合，当自旋波与声波的频率和波长均相等时，两者将发生强烈的耦合并相互转换，这时产生两种波耦合的磁弹波，从而使引起此效应的声波出现强烈的衰减。
磁致伸缩材料可将电磁能（或电磁信息）转化成机械能或声能（或机械位移信息或声信息），相反也可以将机械能（或机械位移与信息）转化成电磁能（或电磁信息），它是重要的能量与信息转化功能材料。它在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景。
我们知道：水下移动通信、海水温度、海流、海底地形地貌的探测就需要声呐系统。声纳是一个庞大的系统，它包括声发射系统，反射声的接收系统，将回声信息转变成电信息与图像，以及图像识别系统等。其中声发射系统中的水声发射换能器及其材料是关键技术之一。过去声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（ ）来制造。这种材料制造的水声换能器的频率高（ 以上），同时发射功率小，体积大，笨重。另外随舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在 以上的声波，起到隐身的作用。各工业发达国家都正在大力发展稀土超磁致伸缩材料制作的低频（频率为几十至 赫兹）大功率（声源级约 ）水声发射换能器，并已用于装备海军。另外，低频可打破敌方舰艇的隐身技术，而大功率可探测更远距离的目标。稀土超磁致伸缩材料是发展声纳技术、水声对抗技术、海洋开发与探测技术将起到关键性作用。
3．磁热效应
20世纪20年代末，科学家发现了铁磁质或顺磁质在绝热下磁化时，磁体的温度随磁场强度的变化而改变的现象，称为磁热效应。
由热力学理论可知，在绝热过程（等熵）中，铁磁体或顺磁体的温度随磁场变化的关系为
其中 是磁场强度， 是磁介质的熵， 为热力学温度，并设磁介质遵守居里定律。
从以上关系可知，绝热地增强磁场时，磁介质的温度将升高；绝热地减小磁场时，磁介质的温度将降低。利用绝热退磁法获得低温，就是依据这一效应。
在没有磁场时，磁介质中各原子磁矩（或磁畴）的取向是混乱的，这使分子的摩尔熵除了晶格振动所贡献的一部分外，又增加了这些无序运动的一部分。若将磁介质在保持一定温度的条件下放入强磁场中。外磁场将使磁介质中的原子磁矩（或磁铸）均取能量较小的方向，即沿磁场的方向作有序排列，因而使系统的熵减小。由式 可知，这时将有一部分热量从磁介质流出。若这时再绝热地慢慢减小磁场，则磁介质中的原子磁矩（或磁畴）又将偏离磁场方向，磁矩系统的熵增加，由于绝热，系统的总熵应保持不变，所以与点阵振动相关的熵必然减小，结果导致磁介质被冷却，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到制冷的目的。磁制冷材料是指用于磁制冷系统的具有磁热效应的一类材料，磁制冷材料是磁制冷机的核心部分，即一般称谓的制冷剂或制冷工质。
许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁制冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。到目前为止， 以下的低温磁制冷装置在某些领域已实用化，而室温磁制冷技术还在继续研究攻关，目前尚未达到实用化的程度。。
低温超导技术的广泛应用，迫切需要液氦冷却低温超导磁体，但液氦价格昂贵，因而希望有能把液氦气化的氦气再液化的小型高效率制冷机。如果把以往的气体压缩—膨胀式制冷机小型化，必须把压缩机变小，这样将使制冷效率大大降低。因此，为了满足液化氦气的需要，人们加速研制低温磁制冷材料和装置，经过多年的努力，目前低温磁制冷技术已达到实用化。利用这种方法可以得到约为 的低温。低温磁制冷所使用的磁制冷材料主要是稀土石榴石 和 单晶。低温磁制冷装置具有小型化和高效率等独特优点，广泛应用于低温物理、磁共振成像仪、粒子加速器、空间技术、远红外探测及微波接收等领域，某些特殊用途的电子系统在低温环境下，其可靠性和灵敏度能够显著提高。
磁制冷是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，若取代目前使用氟里昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰柜及空调器等，可以消除由于生产和使用氟利昂类制冷剂所造成的环境污染和大气臭氧层的破坏，因而能保护人类的生存环境，具有显著的环境和社会效益。 迄今，在有关这方面的研究开发中，发现磁制冷是制冷效率高，能量消耗低，无污染的制冷方法之一。
磁制冷所用的制冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的合金或化合物，尤其是室温磁制冷几乎全是采用稀土金属 或基合金。
4．磁电效应
磁电效应有下列几种情况：
（1）磁致电阻效应
通有电流的物体，在外磁场中会引起物质电阻率的变化，这种现象为磁致电阻效应。
对非铁磁性物质，外加磁场使它的电阻率增加，尤其当所加磁场的方向与电流方向垂直时或处在低温和强磁场中时，其电阻率的增加更为明显。
如果是单晶物质，电流和磁场相对于单晶轴取向不同时，其电阻率的改变也不同，即磁致电阻效应是各向异性。
铁磁体在居里温度以下并在弱磁场中时，其电阻率的相对变化 随电流和磁场方向平行或垂直分别取不同的正值和负值，且电阻率的相对变化较大。铁磁单晶的磁致电阻效应也是各向异性的，对于顺磁性物质，其则随真实磁化强度的增加而减小。在低温物理中，磁致电阻效应可用来研究金属的费来面从而确定金属的低温特性。
巨磁电阻（ ）材料是指在外磁场的作用下电阻可显著变化的一类功能性材料。1993年，英国Helemolt等人首先在 薄膜中观察到效应，并提出了一系列物理与材料的基础和技术难题，在全球范围内迅速形成了研究锰氧化物效应的热潮。1995年，熊光成等人在美国Maryland大学发现钙钛矿型锰氧化物 中在 、外场 时，值达到创记录的 。但该效应需要低温 和很大的外场一般为 才能显示出来，限制了钙钛矿型稀土锰氧化物巨磁电阻材料的应用。能否提高使用温度和降低外场是目前钙钛矿型稀土锰氧化物巨磁电阻材料实用化的关键。稀土巨磁电阻材料作磁性“读写头”，可望将计算机的硬盘容量扩大20倍，每平方英寸达100亿个数据点。稀土巨磁电阻材料应用前景广阔，如巨磁电阻传感器速度、加速度、角度、转速传感器、高密度和超高密度磁记录读磁头、随机存储器 、具有高密度和高保密特性的 卡等。
（2）霍耳效应
霍耳效应是磁场对通有电硫的物体的另一种电效应。对铁磁质，霍耳电场由样品的磁化强度决定；铁磁质的霍耳系数一般比非铁磁质霍耳系数大，除此以外，铁磁质的霍耳系数与温度的关系显示很多反常观象。
（3）狭义的磁电效应
在外加电场或外加磁场中，一些磁性物质内可能产生与外电场成正比的磁化强度或与外磁场成正比的电极化强度，这种现象统称为磁电效应，前者称为电致磁电效应，后者称为磁致磁电效应。
当外加电场 和磁场 同时存在时，则处在电场、磁场中物体的磁化强度 、电极化强度 和、二者对关系为
式中 分别为材料的磁化率和电极化率， 分别为材料的磁致磁电化率知电致磁电化率，它们都是张量。
1960年和1961年已在自旋有序的反铁磁体 单晶中观察到电致、磁致磁电效应，之后，人们又在很多具有一定晶体对称性的反铁磁物质内观察到这种效应。实验还发现，当温度升高到磁有序温度以上时，晶体由反铁磁性转变为顺磁性，狭义磁电效应也随之消失。
5．磁光效应
磁光效应是指光与磁场中的物质，或与具有自发磁化强度的物质之间的相互作用所产生的各种现象，主要有下列几种：
(1)法拉第效应
在处于磁场中的均匀各向同性介质内，一束线偏振光沿磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象，称为法拉第效应，也称磁致旋光（如图所示）。
图 9-33 法拉第效应的简单原理 |
对于一般材料，偏振面旋转角 与光在介质中经过的长度 和磁感应强度 之间有以下关系
其中 是与物质性质、温度以及光的频率有关的常量，称为费尔德常量。
因为在磁场中电子总是要附加一个绕磁场作进动了的运动，其进动方向和磁场方向无关，所以在一定的介质中，不论光是沿磁场方向或逆磁场方向传播，偏振面的转向都一样，这就是说，当光来回传播同样距离后，其偏振面的转角等于单程转角的两倍，这是磁致旋光与天然旋旋光的区别。
现代电测技术日趋成熟，由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。然而电测法容易受到干扰，而建立在磁光效应基础上的磁光效应传感器解决克服上述问题。磁光效应传感器就是利用磁光效应（法拉第效应）和激光技术发展而成的高性能传感器。也就是可以通过偏振光振动面旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下（如检偏器等），输出的光强依赖于振动面旋转的角度，通过输出光照射激光二极管 ，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。比如说用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。在实测地点，不必电源供电，这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。
磁光效应传感器具有优良的电绝缘性能和抗干扰、频响宽、响应快、安全防爆等特性，因此对一些特殊场合电磁参数的测量，有独特的功效，尤其在电力系统中高压大电流的测量方面、更显示它潜在的优势。同时通过开发处理系统的软件和硬件，也可以实现电焊机和机器人控制系统的自动实时测量。在磁光效应传感器的使用中，最重要的是选择磁光介质和激光器，不同的器件在灵敏度、工作范围方面都有不同的能力。随着近几十年来的高性能激光器和新型的磁光介质的出现，磁光效应传感器的性能越来越强，应用也越来越广泛。
(2）塞曼效应
当光源处在足够强的磁场中时，所发射的光谱线会分裂成几条，而且每条谱线的光是偏振的，谱线分裂为二条（顺磁场方向观察）或三条（垂直于磁场方向观察）的叫正常塞受效应，谱线分裂三条以上的叫反常寨曼效应。
塞曼效应是由于磁矩不等于零的原子处在磁场中时产生一个附加能量，从而使原子能级在磁场中分裂成数层才产生的。
塞曼效应反映原子所处的状态，从实验数据可推断原于能级的分裂情况，由此可获得原予态的重要资料，它是研究原子结构重要方法之一。
(3）克尔磁光效应
法拉第效应发现后，克尔于1876年发现：线偏振光入射到磁化介质表面时反射光的偏振面发生旋转，这一现象叫做克尔磁光效应。产生克尔磁光效应的物理基础和理论处理与法拉第效应相同，只是前者发生在物质表面，且只发生在自发磁化的物质上，而后者发生在物质体内，在一般顺磁介质中也可以观察到。
克尔磁光效应最重要的应用就是观察铁磁材料中难以捉摸的磁畴，若再配用现代技术进行静态观察或动态研究，就能对磁畴、磁学参量作有效测量。
磁光材料是激光、光电子学和正在发展的光子学中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。对磁光材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁光效应，如高的法拉第磁光旋转角和克尔磁光旋转角，(2)低的磁光损耗，(3)宽的磁光效应频带，(4)高的稳定性。当前应用的磁光材料有3大类：(1)金属磁光材料，如锰-铋( )系合金等，(2)铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆-铁-镓-氧( )系铁氧体等，(3)非晶磁光材料，如钆-钴( )系非晶合金等。
6．稀土磁光存储材料
磁光存储材料的研究早在20世纪50年代就开始了。1957年英国Williams等人研究使用 薄膜磁化并用光读取数据，从此开展了磁光存储的研究。特别是1973年，日本樱井等人发现的稀土－过渡族金属非晶态膜 可以作为磁光存储材料，以此为契机推动了磁光存储材料的飞速发展。加上半导体激光、制膜等相关技术的发展，大大推进了磁光存储技术发展。
磁光( )存储技术是利用激光和强磁场同时作用于记录介质来实现数据存取的。利用聚焦激光照射在光盘记录层上形成极小的光斑，当光斑温度上升到居里点时，磁畴随外加磁场的作用而改变磁化方向(用0或1表示)。当磁畴温度恢复到环境温度时，磁畴呈高矫顽力，从而实现数据的写入；擦除时，只需翻转外加磁场的方向即可。光盘的记录层很薄，通常是夹在透明聚碳酸酯或玻璃之间的一层磁合金。
现行驱动器大都是非直接重写型的，需要两步操作来完成数据的写入：第一步，对介质进行初始磁化，即驱动器通过写入“0”来抹去所选介质扇段中的所有数据，使扇段中的数据斑点沿着与介质表面垂直的方向均匀磁化；第二步，改变磁化方向，利用高功率激光脉冲在“0”位置写入数据。数据的读取利用磁畴与激光作用所产生的克尔效应，即利用光头探测光盘表面反射回来的低功率激光信号，通过分析反射线偏振光偏振面的旋转方向是顺时针还是逆时针，来决定读取的位元是“1”还是“0”。
多年来，日、美、德等发达国家投入了大量的人力、物力，竟相研发磁光记录材料、技术和装置。稀土磁光存储材料是稀土与过渡金属的非晶态薄膜 ,其中 ， ；非晶态薄膜垂直磁化膜具有较大各向异性，存储密度高；因是非晶态故反射均匀、信噪比高、信号质量好；室温矫顽力大，信号不易损坏，可靠性高；居里温度可调整到 左右，写入温度低。这种材料被用作磁光盘，可随机读写信息，容量极大，目前可达 ，读写速度快。磁光存储材料在信息时代发挥着重要作用。日本于1988年研制成功第一代磁光盘并投放市场，1995生产的 英寸磁光盘双面存储容量达到 。磁光盘兼具有磁盘和光盘两者优点，即可以直接重写作业、容量大、寿命长。在强大的市场驱动下， 磁光盘已经完成了第一代双面记录容量为 ，数据安排和硬盘一样,且多采用CAV或ZCAV(区域恒角速)格式化光盘；第二代 ，产品于1993年投放市场；第三代 ；第四代等四代的历程，目前已经进入了第五代 的产品的研制和开发阶段。
7．磁共振效应
在固体所在的恒定磁场区域，又叠加一个和恒定磁场相垂直的交变磁场（实际用的是超高频电磁波），当恒定磁场的强度与高频磁场的频率满足一定条件时，探测器显示交变电磁场强度骤降，这就是固体对高频电磁场的共振吸收现象。
磁共振现象的理论可简述如下：原子中电子的轨道磁矩和自旋磁矩合成原子总磁矩（原子核的磁矩较小可暂不考虑），它与相应的原子总角动量之比称为磁旋比 。在外磁场中，原子总磁矩受磁力矩 的作用，使原子绕磁场方向进动，其进动角频率 ，称为拉莫尔进动角频率。原子受恒定外磁场作用而进动引起的附加能量使原子的基态能级劈裂几层，当超高频电磁波的频率，调整到一个量子的能量 刚好等于原子在磁场中的相邻能级差时，电磁波能量便被强烈吸收，这就是磁共振现象。
当是顺磁体中的原子磁矩时，这种共振就叫做顺磁共振，顺磁共振所用的超高频电磁波波段在微波波段（厘米波）。当是铁磁体中的磁化强度时，这种共振称为铁磁共振。当是核磁矩时，就称核磁共振，因为核磁矩只有原子磁矩的 ，所用电磁波的频率比上述顺磁体所用电磁波的频率也要小的数量级。
顺磁共振技术已较广泛地用来研究离子晶体的能级、晶体结构的各种缺陷等。在生物学和化学上，可以利用顺磁共振效应进行结构分析。微波固体量子放大器也是在晶体顺磁共振的基础上发展起来的。
铁磁共振效应是研究铁磁体内部结构和测量磁性参量的方法之一，也是微波磁器件（如铁氧体的隔离器、相移器）的物理基础。
核磁共振效应广泛地应用在科学技术的各个领域里，利用核磁共振效应制成的各种测试设备，已成为进行物理、化学及其他科学研究的标准实验方法之一。核磁共振技术是直接测定原子核磁矩和研究固体结构的重要方法，通过对固体样品核磁共振谱线的研究，可以深入了解物质的结构，从而为新材料的开发提供实验依据。
8．磁共振成像
磁共振成像（magnetic resonance imaging， ）就是利用人体中的氢（ ）原子，在强磁场内受到脉冲激发后，产生的磁共振现象，经过空间编码技术，把在磁共振过程中所散发的电磁波以及与这些电磁波有关的质子密度、弛豫时间、流动效应等参数，接收转化，通过电子计算机的处理，最后形成图像，作出诊断。比 能更灵敏地分辨出正常或异常的组织，对肿瘤的早期检测及鉴别有很大的帮助。
图 9-34 |
图 9-35 |
磁共振成像系统是由磁体系统、普仪系统、计算机系统和图像显示系统组成。
磁体系统是由主磁体、梯度线圈、垫补线圈和与主磁场正交的射频线圈组成，是磁共振发生和产生信号的主体部分。
普仪系统是产生磁共振现象并采用磁共振信号的装置，主要由梯度场发生和控制系统、 （magnetic resonance）信号接收和控制等部分组成。
计算机图象重建系统要求配备大容量计算机和高分辨的模数转换器（analog/difital converter, ），以完成数据采集、累加、傅立叶转换、数据处理和图象显示。
磁共振成像的图像与图像非常相似，二者都是“数字图像”，并以不同灰度显示不同结构的解剖和病理的断面图像。磁共振成像几乎适用于人体各系统的不同疾病，例如肿瘤、炎症、创伤、退行性病变，以及各种先天性疾病等的检查。
磁共振成像无骨性伪影，可随意作直接的多方向（横断、冠状、矢状或任何角度）切层，对颅脑、脊柱和脊髓等的解剖和病变的显示，尤优于成像，磁共振成象借其“流空效应”，可不用血管造影剂，显示血管结构，故在“无损伤”地显示血管，以及对肿块、淋巴结和血管结构之间的相互鉴别方面有独到之处。磁共振成像有高于数倍的软组织分辨能力，它能敏感地检出组织成分中水含量的变化，故常可比更有效和早期地发现病变。近年来，磁共振血流成像技术的研究，使在活体上测定血流量和血流速度已成为可能；心电门控的使用，使磁共振成像能清楚地、全面地显示心脏、心肌、心包以及心内的其他细小结构，为无损地检查和诊断各种获得性与先天性心脏疾患（包括冠心病等），以及心脏功能的检查，提供了可靠的方法。随着各种不同的快速扫描序列和三维取样扫描技术的研究和成功地应用于临床，磁共振血管造影和电影摄影新技术已步入临床，且日臻完善。
最近，科学家又实现了除质子以外的其他原子核如氟、钠、磷等的磁共振成像，这些成就将能更有效地提高磁共振成像诊断的特异性，也开阔了它的临床用途。
10．超导磁悬浮高速列车
目前，世界上最快的列车速度为 ，为进一步提高时速，必须采取车辆与地面轨道脱离接触的途径。为了使车辆悬浮起来，可以采用超导磁体或常规磁体的磁场悬浮。但后者在实际应用时存在着克服不了的困难，只有耗能少，体积小，重量轻的超导磁体才能达到目的。
超导磁悬浮是在车辆底部安装超导磁体，在轨道上埋设一些闭合的铝环，整个列车由埋在地下的直线电机来驱动。当列车开始运行后，超导磁体产生的磁场将在铝环内产生感应电流。由于铝环不是超导的，所以，感生电流要衰减。但是，当列车的运动速度足够快（大于 ），使磁体所在的位置处铝环内电流还来不及明显的衰减，由于磁场和电流之间的相互作用，产生一个向上的“浮力”，当“浮力”大于列车的自重时，列车就被悬浮起来（离开轨道 ）。列车停止时，环内无感应电流，故在开车和停车时仍需车轮。当超导列车悬浮前进时，只受空气阻力，时速可达 。
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