磁学基础知识分析.pptx

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1、 0 磁學基礎知識 1 生物體的磁導航 2 奈米磁之應用 3 奈米磁流體實驗磁性奈米粒之介紹 magnetic nano-particles 花蓮縣海星高中鍾佩玲 葉東茂 0 磁學基礎知識 1 生物體的磁導航 2 奈米磁之應用 3 奈米磁流體實驗磁性奈米粒之介紹 magnetic nano-particles 先備知識：1.原子是由原子核與原子核外的電子組成的。 先備知識：2.載流圓形線圈會感應產生類似小長條型磁鐵的磁場(即電流磁效應)，具有N、S兩磁極的偶極性。 3.電子有內稟的自旋角動量(可暫時想像成自轉)與軌道角動量(可暫時想像成公轉)，因此產生自旋磁偶極矩與軌道磁偶極矩。4.偶極矩、磁

2、場都具有方向性，是一向量。 先備知識：物質的磁性 原子的磁性 電子的磁性 電子的自旋磁偶矩及軌道偶極矩 原子的磁性 電子的磁性 物質磁性的來源物質磁性的來源單原子的磁矩單原子的磁矩普通分子的磁矩普通分子的磁矩鐵原子的磁矩鐵原子的磁矩磁鐵分子的磁矩磁鐵分子的磁矩淨磁矩淨磁矩物質磁性的種類物質磁性的種類反磁性：電子的磁矩成對抵消，電子的磁矩成對抵消，原子不具有淨磁矩。原子不具有淨磁矩。SN由法拉第電磁感應定律及冷次定律知由法拉第電磁感應定律及冷次定律知會產生反方向的微弱磁矩。會產生反方向的微弱磁矩。 在外磁場作用下，會產在外磁場作用下，會產生反方向的微弱磁矩。生反方向的微弱磁矩。物質磁性的種類物質

3、磁性的種類順磁性：電子的磁矩沒有抵消，電子的磁矩沒有抵消，原子具有淨磁矩；原子具有淨磁矩；SN受外磁場作用，可調整部分原子磁矩，受外磁場作用，可調整部分原子磁矩，而使材料有同向的淨磁矩。而使材料有同向的淨磁矩。 在外磁場作用下，會產在外磁場作用下，會產生同方向的弱磁矩。生同方向的弱磁矩。但但原子磁矩方向任意，材料沒有淨磁矩。但但原子磁矩方向任意，材料沒有淨磁矩。在外磁場作用下，數個在外磁場作用下，數個單磁疇調整成同向的強單磁疇調整成同向的強磁矩。磁矩。受外磁場作用，會調整單磁疇的磁矩，受外磁場作用，會調整單磁疇的磁矩，而使材料有更強大的淨磁矩。而使材料有更強大的淨磁矩。 物質磁性的種類物質磁性

4、的種類電子的磁矩沒有抵消，電子的磁矩沒有抵消，原子具有淨磁矩；原子具有淨磁矩；且與鄰近原子作用，且與鄰近原子作用， 調整產生更強的淨磁矩區域，調整產生更強的淨磁矩區域，SN 稱為磁疇。稱為磁疇。鐵磁性：奈米微粒的磁性奈米微粒的磁性奈米微粒因奈米微粒因小尺寸效應小尺寸效應、量子尺寸效應量子尺寸效應、表面效應表面效應等而具有常規粗晶粒材料所不具備的磁等而具有常規粗晶粒材料所不具備的磁特性，主要有：特性，主要有： 超順磁性超順磁性 高矯頑力高矯頑力奈米微粒的磁性奈米微粒的磁性 超順磁性超順磁性：磁化方向不固定在一個易磁化方向，磁化方向不固定在一個易磁化方向， 易磁化方向作無規律的變化，易磁化方向作無

5、規律的變化， 稱為超順磁性。稱為超順磁性。 SNNSNS奈米微粒的磁性奈米微粒的磁性 超順磁性超順磁性：奈米微粒尺寸小到一定臨界值時進奈米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態；入超順磁狀態；不同種類的奈米微粒顯現超順磁性不同種類的奈米微粒顯現超順磁性的臨界尺寸不同。的臨界尺寸不同。 奈米微粒的磁性奈米微粒的磁性 高矯頑力高矯頑力：消除餘磁所需外加的反向磁場，消除餘磁所需外加的反向磁場， 稱為矯頑力。稱為矯頑力。 SNNSNSNS奈米微粒的磁性奈米微粒的磁性 高矯頑力高矯頑力：當粒子尺寸小到一定臨界值時，每當粒子尺寸小到一定臨界值時，每個粒子就是一個單磁疇；個粒子就是一個單磁疇； 每個單磁疇的

6、奈米微粒成為一個永每個單磁疇的奈米微粒成為一個永久磁鐵，久磁鐵， 具有很高的矯頑力。具有很高的矯頑力。 奈米微粒的磁性奈米微粒的磁性大塊的純鐵矯頑力約為大塊的純鐵矯頑力約為 80A/m80A/m， 而當顆粒尺寸減小到而當顆粒尺寸減小到20nm20nm以下時，以下時， 其矯頑力可增加其矯頑力可增加1 1千倍，千倍， 若進一步減小其尺寸，約小於若進一步減小其尺寸，約小於6nm6nm時，時， 其矯頑力反而降低到零，其矯頑力反而降低到零， 呈現出超順磁性。呈現出超順磁性。 0 磁學基礎知識 1 生物體的磁導航 2 奈米磁之應用 3 奈米磁流體實驗磁性奈米粒之介紹 magnetic nano-parti

7、cles 1 1 生物體的磁導航 1.1 磁感細菌 1.2 海龜 1.3 龍蝦 1.4 蜜蜂在北半球分離到的磁性細菌會向北游動，而在南半球分離到的細菌則會向南游動 1.1 磁感細菌底泥NS底泥NS具有各種形狀，通常具有鞭毛，能夠游動。對於氧氣表現出負趨性，也就是會游離具高氧氣濃度的地方。 1.1 磁感細菌 1.1 磁感細菌N S顯微鏡底下觀察，磁感細菌會受到磁鐵的影響聚集在水滴邊緣。奈米微粒的磁性奈米微粒的磁性超順磁臨界尺寸超順磁臨界尺寸 粒子大小粒子大小 單磁疇臨界尺單磁疇臨界尺寸寸有高矯頑力，具有強磁性，有高矯頑力，具有強磁性，而成為永久磁鐵。而成為永久磁鐵。如：磁性細如：磁性細菌菌 1.

8、1 磁感細菌磁性細菌磁性細菌體內沿長條軸線排列著大約體內沿長條軸線排列著大約20顆細黑粒，顆細黑粒， 每個細黑粒是直徑約每個細黑粒是直徑約50nm的強磁性的強磁性Fe3O4。 Fe3O4顆粒在顆粒在50nm附近恰形成單磁疇，附近恰形成單磁疇， 有最佳的強磁性。有最佳的強磁性。生物磁羅生物磁羅盤盤綠海龜的身體和大腦內有十分微小的鐵磁性晶體供其萬里遷徙 1.2 海龜 1.2 海龜 1.3 龍蝦美國北卡羅來納大學的Kenneth J. Lohmann等人在幾年前在海底利用磁線圈所作的實驗顯示龍蝦能在漆黑而無水流線索的海底利用磁場羅盤感走動 1.4 蜜蜂蜜蜂腹部表皮下方的有鐵奈米顆粒，提供長途飛行的導

9、航磁性奈米粒之介紹 magnetic nano-particles 0 磁學基礎知識 1 生物體的磁導航 2 奈米磁之應用 3 奈米磁流體實驗 2.1 奈米磁性標籤的應用 2.2 磁流體的應用 2.3 自旋電子磁電元件的應用2 奈米磁的應用 利用磁性奈米顆粒偵測分子或病源抗體的之檢驗法 磁性奈米顆粒與抗體結合具高靈敏度自動磁性分離測量計2.1 奈米磁性標籤的應用奈米磁性球檢測平台病毒磁性球奈米標幟Magnetic PlateIncubation靈敏度可以病毒的顆粒數目計算Science (2003 Sep) 301:1827, 1884Chad Mirkin LabNorthwestern U

10、niv以抗體辨識以 PCR 放大磁性球方便分離自動磁性分離測量計奈米標幟磁性球AgAg1.抗原抗體反應N S3.加入二級抗體4.發光之檢測2.磁性分離、清洗 是將奈米級粒徑的磁性顆粒(NanomagneticParticles)經表面活性劑處理後，安定分散於水或有機溶媒中，而製備之懸浮液，其磁性顆粒不會受到磁場或重力場之作用，產生凝聚而與液體分離 將磁性流體置於磁場中，由於磁場之作用，懸浮液中之磁性顆粒即往強磁場方向移動，同時亦帶動溶媒分子一起移動2.2 磁流體的應用：什麼是磁性流體？ 作潤滑劑：磁性流體如同固體可耐重及高壓，可作高真空之封阻元件；亦可作潤滑劑，如在各種機械的固定部與運動部之間

11、隙中注入油基磁性流體，則因其具磁性的關係不會洩漏，且可保持在間隙中，因此可克服傳統潤滑劑的缺點 利用加熱冷卻產生磁力熱循環：無需機械驅動零件，即可將磁力能量轉變為運動能量2.2 磁流體的應用做為局部醫療用途：將藥物混入對生物體無影響的溶媒基磁性流體中，利用磁場控制藥物的位置及方向應用於太空：例如太空衣的可動部位須保持密閉狀態而又能平順的移動，若在衣領部位注入磁性流體就有這種功能2.2 磁流體的應用 為了提高行駛性能，在減震器中采用了通過在磁場中粘性發生變化的磁性流體來控制衰減力的MagneticRideControl。同時配備了根據電磁力在高速行駛時使方向盤操作變得沈重、低速時變輕的Magna

12、steer，懸架減震系統為全輪雙叉骨式。 http:/ 2.2 磁流體的應用 磁隨機記憶體(MRAM)利用巨磁阻效應在不同的磁化狀態具有不同電阻值的特點，可以製成磁隨機記憶體，其優點是在無電源的情況下可繼續保留資訊2.3 自旋電子磁電元件的應用Motorola製造容量4MbitMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory 0 磁學基礎知識 1 生物體的磁導航 2 奈米磁之應用 3 奈米磁流體實驗磁性奈米粒之介紹 magnetic nano-particles 3. 奈米磁流體(Magnetic Fluid)實驗 如何製備？ 3.1材料3.2 步驟3.1

13、材料1 M FeCl3 in 2 M HCl2 M FeCl2 in 2 M HCl （新鮮配製）1.0 M NH3 in water25% tetramethylammonium hydroxide in water 3.2 步驟 1.將 4.0 mL of 1M FeCl3 及 1.0 mL of 2M FeCl2 的溶液加入 100 mL 的燒杯中，放置於電磁攪伴器上攪伴 2.將50 mL 1.0 M 的NH3的溶液用滴定管於5分鐘內緩緩加入燒杯中 3.滴定完後將電磁攪伴器關閉，取出攪拌棒 4.待其沉澱後將上清液倒掉，留下固態的沉澱物 5.將固態的沉澱物倒入秤量盒中，已洗滌瓶沖洗燒杯中的殘留物 6.待其沉澱後將上清液倒掉，再加入水以玻棒攪拌後將上清液倒掉重複數次3.2 步驟 7.加入1-2 mL 25% 的 tetramethylammonium hydroxide 用玻棒攪拌均勻後，將強力磁鐵放置於秤量盒下方，將盒中漆黑的液體倒掉；移動強力磁鐵後再將盒中漆黑的液體倒掉 8.重複數次後直到鐵流體形成尖形凸出物 9.成果3.2 步驟浩瀚的地球有太多事物待你我探索