磁介质

介质是铁磁质、顺磁质和抗磁质的总称,即在外磁场中因呈现磁化而能加强或减弱的物质。磁化方向与外磁场相反而使磁化减弱的物质,称为抗磁质。

磁介质

磁化方向与外磁场相同而使磁化加强的物质,可分为顺磁质与铁磁质两种。

  • 抗磁质与顺磁质的磁化较弱,外磁场撤去后磁性立即消失。
  • 铁磁质的磁化较强,外磁场撤去后还能保存部分磁性。

磁介质的分类

从磁介质的原子构成,它们间的相互作用以及它们在磁场下的反应,来讨论六种磁介质的性质:

抗磁性

抗磁性是所有材料都具有的。虽然它很弱。抗磁物质由无净磁矩的原子(即原子所有轨道层都充满电子;没有不成对的电子)它只有原子的电子绕轨道运动产生的磁矩。

在磁场作用下,电子受到罗仑兹力作用,使电子绕轨道运动的面积减少;等效于产生与磁场方向相反的磁矩。故称为抗磁性。

材料在磁场作用下所产生的磁化强度 M=xH;这里x 称为磁化率; H 是外加磁场。因此,抗磁物质的磁化率 x 是负的。x与温度无关。

顺磁性

这类物质的原子轨道只有部分填充电子,故原子有净磁矩。铁原子是没充满的典型原子。如这些原子间又没有相互作用,无外场时,整体的磁化强度为零(因每个原子磁矩混乱取向)。外加磁场时,原子磁矩部分取向;顺磁体的磁化强度随磁场增大而增大。故磁化率是正的。

数学表达式为: M=xH; x>0,但x随温度升高而下降。这是温度使每个原子磁矩倾向于混乱的原故。x(T)随温度的变化,称居里定律。

顺磁物质磁化率的单位和抗磁的相同。粘土:x=13;富铁粘土:x=65;黑云母:x=79 等是顺磁性的物质。

铁磁性

铁磁性的原子都有剩磁矩,而且它们间相互交换作用十分强(来自电子间的交换力),引起原子磁矩平行取向。交换是由于二个电子自旋的相对取向所造成的交换力,是量子力学效应。这种力很强;它相当于1000 Tesla磁场的量级。或近似100 万倍地磁场的大小。

铁磁在无外磁场都有一净磁化强度。Fe,Ni,Co 及其合金是铁磁性的典型物质。

它有三个特性:

(1)自发磁化强度(由自旋磁矩的大小决定);

(2)有一磁有序温度(居里温度);在此温度之上,变成磁无序(顺磁性)

(3)磁场去后,铁磁物质还保留剩余磁化强度(有磁滞)。

顺磁与铁磁的主要性能比较:顺磁磁化达饱和所需外场为10Tesla,铁磁只需1Tesla。

铁的氧化物由于晶体结构形成较复杂的磁有序,称为亚铁磁性。这种磁有序结构由二种称A和B的磁次晶格组成,它们由氧阴离子隔开,但通过氧离子进行间接(超)交换作用。使二种次晶格的自旋反平行取向。

由于亚铁磁的二种次晶格的磁矩不相等,使整体物质有一净磁矩。此净磁矩在外场下的行为和铁磁性的相似。它也具有自发磁化强度,居里温度,剩磁(磁滞)等。但铁磁和反铁磁却有十分不同的磁有序结构。Fe3O4是典型的亚铁磁磁介质。

反铁磁性

反铁磁介质内,二种磁次晶格原子的磁矩的交换作用是负的,使得每个原子的磁矩方向都与其近邻的每个原子的磁矩方向反平行,如果磁介质内二种次磁晶格的磁矩完全相等,则整体的净磁矩为零。这种类型的磁有序,称为反铁磁性。

它从零度至涅尔温度之间的磁化率与顺磁性的相近;在涅尔温度时最大。

反铁磁磁介质一般为过渡金属化合物,特别是氧化物。

比较多的括,赤铁矿,铬,铁锰合金和镍的氧化物(NiO)等。

超顺磁性

把铁磁或亚铁介质粉碎成纳米尺寸的颗粒,其在磁场下的行为称超顺磁性。因为这些纳米磁性颗粒都各自有磁矩,但在温度的热运动下,它们是混乱取向的,在外磁场作用下,会形成一定的磁化强度。其行为类似顺磁性,但其磁化率则与铁磁或亚铁磁性的介质相近。

综合上面六类磁介质的性质看;六类中,只有抗磁性一种介质的原子没有剩余磁矩。其余五种磁介质的原子都有剩余磁矩。但顺磁介质内的原子没有磁有序。其余的铁磁,亚铁磁,反铁磁和超顺磁介质的原子都有磁有序结构。

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