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磁源物质的磁性

2022/07/16120 作者:佚名
导读:磁源抗磁性 抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向,因此,会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是,对于具有顺磁性的物质,顺磁性通常比较显著,遮掩了抗磁性。只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如,惰性气体元素和抗腐蚀金属元素(金、银、铜等等)都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时,抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除,则抗磁性也会遁隐形迹。 在具有抗磁性的物质里,所有电子都已成对,内秉电子磁矩不能集成宏

磁源抗磁性

抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向,因此,会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是,对于具有顺磁性的物质,顺磁性通常比较显著,遮掩了抗磁性。只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如,惰性气体元素和抗腐蚀金属元素(金、银、铜等等)都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时,抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除,则抗磁性也会遁隐形迹。

在具有抗磁性的物质里,所有电子都已成对,内秉电子磁矩不能集成宏观效应。抗磁性的机制是电子轨域运动,用经典物理理论解释如下:

由于外磁场的作用,环绕着原子核的电子,其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动,从而产生额外电流与伴随的额外磁矩。这额外磁矩与外磁场呈相反方向,抗拒外磁场的作用。由这机制所带来的磁化率与温度无关,以方程表达为

其中,
是磁常数,
是原子数量密度,
是原子序,
是磁场,
是电子质量,
是轨道半径。
的量子力学平均值。

特别注意,这解释只能用来启发思考。正确的解释需要依赖量子力学。

磁源顺磁性

碱金属元素和除了铁、钴、镍以外的过渡元素都具有顺磁性。在顺磁性物质内部,由于原子轨域或分子轨域只含有奇数个电子,会存在有很多未配对电子。遵守泡利不相容原理,任何配对电子的自旋,其磁矩的方向都必需彼此相反。未配对电子可以自由地将磁矩指向任意方向。当施加外磁场时,这些未配对电子的磁矩趋于与外磁场呈相同方向,从而使磁场更加强烈。假设外磁场被撤除,则顺磁性也会消失无踪。

一般而言,除了金属物质以外,顺磁性与温度相关。由于热骚动(thermal agitation)造成的碰撞会影响磁矩整齐排列,温度越高,顺磁性越微弱;温度越低,顺磁性越强烈。

在低磁场,足够高温的状况,根据居里定律,磁化率与绝对温度T的关系式为

其中,C是依不同物质而定的居里常数。

磁源磁畴

在铁磁性物质内部,由于原子的磁矩不等于零,每一个原子的表现就好似微小的永久磁铁。假设聚集于一个小区域的原子,其磁矩都均匀地同向平行排列,则称这小区域为磁畴或外斯畴(Weiss domain)。使用磁力显微镜(magnetic force microscope),可以观测到磁畴。

磁畴的存在是能量极小化的后果。这是物理大师列夫·朗道和叶津·李佛西兹(Evgeny Lifshitz)提出的点子。假设一个铁磁性长方体是单独磁畴,则会有很多正磁荷与负磁荷分别形成于长方块的顶面与底面,从而拥有较强烈的磁能。假设铁磁性长方块分为两个磁畴,其中一个磁畴的磁矩朝上,另一个朝下,则会有正磁荷与负磁荷分别形成于顶面的左右边,又有负磁荷与正磁荷相反地分别形成于底面的左右边,所以,磁能较微弱,大约为一半。假设铁磁性长方块是由多个磁畴组成,则由于磁荷不会形成于顶面与底面,只会形成于斜虚界面,所有的磁场都包含于长方块内部,磁能更微弱。这种组态称为“闭磁畴”(closure domain),是最小能量态。

将铁磁性物质置入外磁场,则磁畴壁会开始移动,假若磁畴的磁矩方向与外磁场方向近似相同,则磁畴会扩大;反之,则会缩小。这时,假若关闭磁场,则磁畴可能不会回到原先的未磁化状态。铁磁性物质已被磁化,形成永久磁铁。

假设磁化足够强烈,所有会扩大的磁畴吞并了其它磁畴,结果只剩下单独一个磁畴,则此物质已经达到磁饱和。再增强外磁场,也无法更进一步使物质磁化。

假设外磁场为零,现将已被磁化的铁磁性物质加热至居里温度,则物质内部的分子会被大幅度热骚动,磁畴会开始分裂,每个磁畴变得越来越小,其磁矩也呈随机方向,失去任何可侦测的磁性。假设将物质冷却,则磁畴结构会自发地回复,就好像液体凝固成固态晶体一样。

磁源亚铁磁性

像铁磁性物质一样,当磁场不存在时,亚铁磁性物质仍旧会保持磁化不变;又像反铁磁性物质一样,相邻的电子自旋指向相反方向。这两种性质并不互相矛盾,在亚铁磁性物质内部,分别属于不同次晶格的不同原子,其磁矩的方向相反,数值大小不相等,所以,物质的净磁矩不等于0,磁化强度不等于零,具有较微弱的铁磁性。

由于亚铁磁性物质是绝缘体。处于高频率时变磁场的亚铁磁性物质,由于感应出的涡电流很少,可以允许微波穿过,所以,可以做为像隔离器、循环器、回旋器等等微波器件的材料。

由于组成亚铁磁性物质的成分必需分别具有至少两种不同的磁矩,只有化合物或合金才会表现出亚铁磁性。常见的亚铁磁性物质有磁铁矿(Fe3O4)、铁氧体(ferrite)等等。

磁源超顺磁性

当铁磁体或亚铁磁体的尺寸足够小的时候,由于热骚动影响,这些奈米粒子会随机地改变方向。假设没有外磁场,则通常它们不会表现出磁性。但是,假设施加外磁场,则它们会被磁化,就像顺磁性一样,而且磁化率超大于顺磁体的磁化率。

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