立足初中物理社团培养学生科技意识

邬启超

摘 要：在初中物理社团的活动中潜移默化地培养学生关注科技发展的意识，通过介绍物理学中与电磁联系相关的磁电效应，让学生感受到科学的发展是一个不断进取的过程，帮助学生树立正确的科学观。

关键词：物理社团; 科技发展; 磁电效应

中图分类号：G633.7     文献标识码：A     文章编号：1006-3315（2020）8-041-001

在义务教育阶段，物理课程的价值体现在方方面面。笔者在一个学期的物理社团活动中发现，学生对于科技在生活中的应用显露出了十足的兴趣，比如初三物理电磁联系一章中有关电动机与发电机的实验就能激发起社团学生满满的求知欲，所谓百尺竿头更进一步，笔者结合国际上电磁联系的一些新进展，在物理社团教学中渗透磁电效应的研究。

1.磁电效应的由来

磁电效应这一词的出现最早可以追溯到1888年，当时Röntgen等几位科学家发现电介质在磁场中运动会被极化。此后的数十年科学家们又发现了Cr2O3晶体中有一种特殊的现象，也就是当Cr2O3晶体放入磁场中后，在适宜的温度条件下Cr2O3晶体的表面产生了极化电荷，这一发现在当时应该是非常惊奇的。根据麦克斯韦的电磁场理论我们知道变化的磁场是可以产生电场的，而变化的电场也可以产生磁场。上述所说现象的特殊之处就在于非变化的磁场也可以使Cr2O3这一反铁磁氧化物表面产生电场。这就使得磁场能量和电场能量之间可以实现相互的转化，因此引起了科学家们的极大兴趣。后来人们又陆续在很多具有一定晶体对称性结构的反铁磁性物质和铁磁性物质中发现了类似的现象。如铝酸铅、磷酸铁锂等，科学家们进一步地研究发现某些磁性物质在放入电场后其内部可以产生与外加电场成比例的磁化强度，这一现象再次表明了科学对称的美。此后物理学家Debye最先使用了“Magnetoelectric”即“磁电”这个新术语来表述磁和电之间的这种关系。

如今我们知道能产生磁电效应的物质都是多铁性材料，1994年瑞士科学家Schmid第一位提出了多铁性材料的概念，他定义多铁性材料为物质中包含两种或两种以上铁的基本性能（如铁电性、铁磁性，或铁弹性等）的材料。由于多铁性材料中不同序参数之间的耦合作用将会导致新效应的产生，这使得多铁性材料可以具有某些特殊的物理性質。但是天然的单相多铁性磁电物质在大自然中是十分稀缺的，而且它们的磁电响应（磁电响应指的是材料在磁场H作用下产生的电介质极化P或是电场E作用下产生磁化强度M）很微弱，磁电电压系数一般只在20 mV/cm Oe以下。而且材料只能在极低的温度控制下才能实现磁电响应，这就给材料的实际应用带来了困难。虽然科学家们又通过人工合成的方法制造了很多单相多铁性磁电物质，但是它们的磁电效应仍然不很理想。然而如果将铁电相物质和铁相物质人工组合起来，在室温下便可以产生巨大的磁电耦合效应，这样构成的材料就是多铁性磁电复合材料。

多铁性磁电复合材料通常都是选取具有压电效应的铁电材料和具有磁致伸缩效应的铁磁材料构成的，复合而成的材料可以在室温下产生十分显著的磁电响应（比已知的单相磁电材料的磁电电压系数高出几个数量级）。单一的压电材料或是磁性材料都不具有磁电效应，但是这两相材料的复合材料却具有可观的磁电效，这源于复合材料中不同相序物质间的交叉作用，即乘积效应。乘积效应的提出以及磁电复合材料的应运而生使得磁电材料成了一种重要的功能材料。

2.磁电效应的发展历程

磁电效应的真正发展大约始于1972年Van Suchetelene提出了乘积效应这一概念之后，多铁性磁电复合材料的出现使磁电效应正式开始进入科学家们的视野。当将磁场加在复合材料上后，铁磁材料将发生应变，该应变使得与之相接触的铁电材料也发生应变，从而在铁电材料上产生极化电荷，因此磁电复合材料的磁电效应来自界面层的弹性耦合。

在磁电复合磁电材料这一理论模型提出不久，飞利浦实验室的科学家们就从实验上观察到此类复合材料中巨大的磁电效应。他们通过单相凝固方法得到了具有Fe-Co-Ti-Ba-O排列的共晶系统BaTiO3-CoFe2O4陶瓷复合材料，通过这种方式获得的磁电效应可以比单相多铁性材料的磁电效应强上数百倍。但是单相凝固法的工艺是十分复杂的，而且需要对流程和材料组分进行严格的操控。因此磁电复合材料这一研究领域在世界范围又经历约20多年的沉寂。时间一晃到了1990年，纽汉姆的研究团队和一些俄罗斯科学家通过传统的烧结处理制备了铁酸盐与钛酸钡的颗粒复合陶瓷材料。这种烧结陶瓷复合材料的制备过程比制备共晶复合材料的手段要简单的多，并且成本更低，更重要的是它提供了将具有不同晶格结构的相组合起来的可能性。然而，这种烧结而成的陶瓷复合材料比之前在飞利浦实验室制成的共晶复合材料的磁电电压系数要小的多。尽管在1990年时磁电复合材料的科学研究并未迈出伟大的一步，但通过实验的确促成了一系列重大的磁电陶瓷复合材料理论工作的诞生。多铁性磁电复合材料研究的高峰出现在2000年左右。这归功于2001年具有超磁致伸缩系数的稀土合金TDF的发现。在那之后的数年，多种基于不同连接模式的磁电复合材料被人们所提出，其中有0-3型颗粒复合材料，2-2型层状复合材料和1-3型纤维复合材料。随后不久，科学家们就在实验中发现了TDF/PZT和TDF/PVDF层状复合材料的超磁电效应（磁电电压系数大于1V/cm Oe）。时至今日，有关磁电效应的研究仍在继续，还需科学家们不断的探索。

磁电效应是电磁联系的一种体现，虽然对于初中阶段的学生而言理解磁电效应不是一件容易的事情，但是对于激发学生学习物理的兴趣可以起到积极的作用，也让学生体会到科技的发展不是一蹴而就的，需要一代代科学家不断的探索，这对学生科学精神的培养也有促进作用。

参考文献：

教育部.普通高中物理课程标准（2017年）[M]北京：人民教育出版社，2018