优质永磁体的来历

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  “我有一张优质磁铁需要满足的要求列表,”康斯坦丁尼德斯说,“要展开可很长。”现代的铁基或者铁氧体磁铁,在价廉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。但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。

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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。


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