立足初中物理社團培養學生科技意識

鄔啟超

摘 要：在初中物理社團的活動中潛移默化地培養學生關注科技發展的意識，通過介紹物理學中與電磁聯系相關的磁電效應，讓學生感受到科學的發展是一個不斷進取的過程，幫助學生樹立正確的科學觀。

關鍵詞：物理社團; 科技發展; 磁電效應

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1006-3315（2020）8-041-001

在義務教育階段，物理課程的價值體現在方方面面。筆者在一個學期的物理社團活動中發現，學生對于科技在生活中的應用顯露出了十足的興趣，比如初三物理電磁聯系一章中有關電動機與發電機的實驗就能激發起社團學生滿滿的求知欲，所謂百尺竿頭更進一步，筆者結合國際上電磁聯系的一些新進展，在物理社團教學中滲透磁電效應的研究。

1.磁電效應的由來

磁電效應這一詞的出現最早可以追溯到1888年，當時R?ntgen等幾位科學家發現電介質在磁場中運動會被極化。此后的數十年科學家們又發現了Cr2O3晶體中有一種特殊的現象，也就是當Cr2O3晶體放入磁場中后，在適宜的溫度條件下Cr2O3晶體的表面產生了極化電荷，這一發現在當時應該是非常驚奇的。根據麥克斯韋的電磁場理論我們知道變化的磁場是可以產生電場的，而變化的電場也可以產生磁場。上述所說現象的特殊之處就在于非變化的磁場也可以使Cr2O3這一反鐵磁氧化物表面產生電場。這就使得磁場能量和電場能量之間可以實現相互的轉化，因此引起了科學家們的極大興趣。后來人們又陸續在很多具有一定晶體對稱性結構的反鐵磁性物質和鐵磁性物質中發現了類似的現象。如鋁酸鉛、磷酸鐵鋰等，科學家們進一步地研究發現某些磁性物質在放入電場后其內部可以產生與外加電場成比例的磁化強度，這一現象再次表明了科學對稱的美。此后物理學家Debye最先使用了“Magnetoelectric”即“磁電”這個新術語來表述磁和電之間的這種關系。

如今我們知道能產生磁電效應的物質都是多鐵性材料，1994年瑞士科學家Schmid第一位提出了多鐵性材料的概念，他定義多鐵性材料為物質中包含兩種或兩種以上鐵的基本性能（如鐵電性、鐵磁性，或鐵彈性等）的材料。由于多鐵性材料中不同序參數之間的耦合作用將會導致新效應的產生，這使得多鐵性材料可以具有某些特殊的物理性質。但是天然的單相多鐵性磁電物質在大自然中是十分稀缺的，而且它們的磁電響應（磁電響應指的是材料在磁場H作用下產生的電介質極化P或是電場E作用下產生磁化強度M）很微弱，磁電電壓系數一般只在20 mV/cm Oe以下。而且材料只能在極低的溫度控制下才能實現磁電響應，這就給材料的實際應用帶來了困難。雖然科學家們又通過人工合成的方法制造了很多單相多鐵性磁電物質，但是它們的磁電效應仍然不很理想。然而如果將鐵電相物質和鐵相物質人工組合起來，在室溫下便可以產生巨大的磁電耦合效應，這樣構成的材料就是多鐵性磁電復合材料。

多鐵性磁電復合材料通常都是選取具有壓電效應的鐵電材料和具有磁致伸縮效應的鐵磁材料構成的，復合而成的材料可以在室溫下產生十分顯著的磁電響應（比已知的單相磁電材料的磁電電壓系數高出幾個數量級）。單一的壓電材料或是磁性材料都不具有磁電效應，但是這兩相材料的復合材料卻具有可觀的磁電效，這源于復合材料中不同相序物質間的交叉作用，即乘積效應。乘積效應的提出以及磁電復合材料的應運而生使得磁電材料成了一種重要的功能材料。

2.磁電效應的發展歷程

磁電效應的真正發展大約始于1972年Van Suchetelene提出了乘積效應這一概念之后，多鐵性磁電復合材料的出現使磁電效應正式開始進入科學家們的視野。當將磁場加在復合材料上后，鐵磁材料將發生應變，該應變使得與之相接觸的鐵電材料也發生應變，從而在鐵電材料上產生極化電荷，因此磁電復合材料的磁電效應來自界面層的彈性耦合。

在磁電復合磁電材料這一理論模型提出不久，飛利浦實驗室的科學家們就從實驗上觀察到此類復合材料中巨大的磁電效應。他們通過單相凝固方法得到了具有Fe-Co-Ti-Ba-O排列的共晶系統BaTiO3-CoFe2O4陶瓷復合材料，通過這種方式獲得的磁電效應可以比單相多鐵性材料的磁電效應強上數百倍。但是單相凝固法的工藝是十分復雜的，而且需要對流程和材料組分進行嚴格的操控。因此磁電復合材料這一研究領域在世界范圍又經歷約20多年的沉寂。時間一晃到了1990年，紐漢姆的研究團隊和一些俄羅斯科學家通過傳統的燒結處理制備了鐵酸鹽與鈦酸鋇的顆粒復合陶瓷材料。這種燒結陶瓷復合材料的制備過程比制備共晶復合材料的手段要簡單的多，并且成本更低，更重要的是它提供了將具有不同晶格結構的相組合起來的可能性。然而，這種燒結而成的陶瓷復合材料比之前在飛利浦實驗室制成的共晶復合材料的磁電電壓系數要小的多。盡管在1990年時磁電復合材料的科學研究并未邁出偉大的一步，但通過實驗的確促成了一系列重大的磁電陶瓷復合材料理論工作的誕生。多鐵性磁電復合材料研究的高峰出現在2000年左右。這歸功于2001年具有超磁致伸縮系數的稀土合金TDF的發現。在那之后的數年，多種基于不同連接模式的磁電復合材料被人們所提出，其中有0-3型顆粒復合材料，2-2型層狀復合材料和1-3型纖維復合材料。隨后不久，科學家們就在實驗中發現了TDF/PZT和TDF/PVDF層狀復合材料的超磁電效應（磁電電壓系數大于1V/cm Oe）。時至今日，有關磁電效應的研究仍在繼續，還需科學家們不斷的探索。

磁電效應是電磁聯系的一種體現，雖然對于初中階段的學生而言理解磁電效應不是一件容易的事情，但是對于激發學生學習物理的興趣可以起到積極的作用，也讓學生體會到科技的發展不是一蹴而就的，需要一代代科學家不斷的探索，這對學生科學精神的培養也有促進作用。

參考文獻：

教育部.普通高中物理課程標準（2017年）[M]北京：人民教育出版社，2018