磁性

磁性

磁性,是物質在磁場作用時,其原子或次原子水準所起的反應的性質。根據其反應,物質的磁性大約可分為:1.抗磁性;2.順磁性;3.鐵磁性;4.反鐵磁性;5.亞鐵磁性;6.超順磁性和其它類型的磁性等。 物質的磁相(狀態)和溫度(及其它如壓力或磁場等)有關,因此,某種物質由溫度和其它因素決定,可能顯出多種磁性。

  • 中文名稱
    磁性
  • 外文名稱
    magnetic
  • 拼音
    cixing
  • 強弱
    磁力方向和強度

基本介紹

磁性是物質放在不均勻的磁場中會受到磁力的作用。在相同的不均勻磁場中由單位質量的物質所受到的磁力方向和強度來確定物質磁性的強弱。因為任何物質都具有磁性所以任何物質在不均勻磁場中都會受到磁力的作用。

磁性

鐵中有許多具有兩個異性磁極的原磁體在無外磁場作用時這些原磁體排列紊亂它們的磁性相互抵消對外不顯示磁性。當把鐵靠近磁鐵時這些原磁體在磁鐵的作用下整齊地排列起來使靠近磁鐵的一端具有與磁鐵極性相反的極性而相互吸引。這說明鐵中由于原磁體的存在能夠被磁鐵所磁化。而銅、鋁等金屬是沒有原磁體結構的所以不能被磁鐵所吸引。

磁性

在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線而是一種場我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道物質之間存在萬有引力它是一種引力場。磁場與之類似是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示磁力線密的地方磁場強磁力線疏的地方磁場弱。單位截面上穿過的磁力線數目稱為磁通量密度

磁性

運動的帶電粒子在磁場中會受到一種稱為洛侖茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場中所受到洛侖磁力的大小來確定磁場強度的高低。特斯拉是磁通密度的國際單位製單位。磁通密度是描述磁場的基本物理量而磁場強度是描述磁場的輔助量。特斯拉(TeslaN)(1886~1943)是克羅埃西亞裔美國電機工程師曾發明變壓器和交流電動機。

物質的磁性不但是普遍存在的而且是多種多樣的並因此得到廣泛的研究和套用。近自我們的身體和周邊的物質遠至各種星體和星際中的物質微觀世界的原子原子核和基本粒子巨觀世界的各種材料都具有這樣或那樣的磁性。世界上的物質究竟有多少種磁性呢一般說來物質的磁性可以分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性。

磁性分類

磁鐵磁鋼磁石磁體電磁鐵等等在英文裏都隻有一個詞 magnet。

他們的分類主要從磁性相來區分。比如 AlNiCoSrFeO19SmCoNdFeBFeCrCoMnAlC.總的來說磁鐵隨時間溫度輻射振動等會有一些變化。尤其是溫度接近居裏點時磁性下降是很多的有些磁鐵矯頑力低的開路後或與鐵摩擦也會下降。但正常的使用磁性的變化是很少的否則就不是永磁體了。

起源

如果磁是電磁以太渦旋一個磁鐵沒看到任何電磁以太的渦旋為什麽會有磁性我們的回答是物質的磁性起源于原子中電子的運動電子的運動會產生一個電磁以太的渦旋。

早在1820年丹麥科學家奧斯特就發現了電流的磁效應第一次揭示了磁與電存在著聯系從而把電學和磁學聯系起來。

為了解釋永磁和磁化現象安培提出了分子電流假說。安培認為任何物質的分子中都存在著環形電流稱為分子電流而分子電流相當一個基元磁體。當物質在巨觀上不存在磁性時這些分子電流做的取向是無規則的它們對外界所產生的磁效應互相抵消故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下等效于基元磁體的各個分子電流將傾向于沿外磁場方向取向而使物體顯示磁性。

磁現象和電現象有本質的聯系。物質的磁性和電子的運動結構有著密切的關系。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念是把電子看成一個帶電的小球他們認為與地球繞太陽的運動相似電子一方面繞原子核運轉相應有軌道角動量和軌道磁矩另一方面又繞本身軸線自轉具有自旋角動量和相應的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩。現在人們認為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉動是不正確的。

電子繞原子核作圓軌道運轉和繞本身的自旋運動都會產生電磁以太的渦旋而形成磁性人們常用磁矩來描述磁性。因此電子具有磁矩電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中電子的軌道磁矩受晶格的作用其方向是變化的不能形成一個聯合磁矩對外沒有磁性作用。因此物質的磁性不是由電子的軌道磁矩引起而是主要由自旋磁矩引起。每個電子自旋磁矩的近似值等于一個波爾磁子 。 是原子磁矩的單位 。因為原子核比電子重2000倍左右其運動速度僅為電子速度的幾千分之一故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾可以忽略不計。

孤立原子的磁矩決定于原子的結構。原子中如果有未被填滿的電子殼層其電子的自旋磁矩未被抵消原子就具有“永久磁矩”。例如鐵原子的原子序數為26共有26個電子在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個電子自旋反平行外其餘4個軌道均隻有一個電子且這些電子的自旋方向平行由此總的電子自旋磁矩為4 。

分類

1 抗磁性

當磁化強度M為負時固體表現為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質。在外磁場中這類磁化了的介質內部的磁感應強度小于真空中的磁感應強度M。抗磁性物質的原子離子的磁矩應為零即不存在永久磁矩。當抗磁性物質放入外磁場中外磁場使電子軌道改變感生一個與外磁場方向相反的磁矩表現為抗磁性。所以抗磁性來源于原子中電子軌道狀態的變化。抗磁性物質的抗磁性一般很微弱磁化率H一般約為-10-5為負值。

2 順磁性

順磁性物質的主要特征是不論外加磁場是否存在原子內部存在永久磁矩。但在無外加磁場時由于順磁物質的原子做無規則的熱振動巨觀看來沒有磁性在外加磁場作用下每個原子磁矩比較規則地取向物質顯示極弱的磁性。磁化強度與外磁場方向一致

為正而且嚴格地與外磁場H成正比。

順磁性物質的磁性除了與H有關外還依賴于溫度。其磁化率H與絕對溫度T成反比。

式中C稱為居裏常數取決于順磁物質的磁化強度和磁矩大小。

順磁性物質的磁化率一般也很小室溫下H約為10^-5。一般含有奇數個電子的原子或分子電子未填滿殼層的原子或離子如過渡元素、稀土元素、鋼系元素還有鋁鉑等金屬都屬于順磁物質。

3 鐵磁性

對諸如Fe、Co、Ni等物質在室溫下磁化率可達10^-3數量級稱這類物質的磁性為鐵磁性。

鐵磁性物質即使在較弱的磁場內也可得到極高的磁化強度而且當外磁場移去後仍可保留極強的磁性。其磁化率為正值但當外場增大時由于磁化強度迅速達到飽和其H變小。

鐵磁性物質具有很強的磁性主要起因于它們具有很強的內部交換場。鐵磁物質的交換能為正值而且較大使得相鄰原子的磁矩平行取向相應于穩定狀態在物質內部形成許多小區域——磁疇。每個磁疇大約有1015個原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列假設晶體內部存在很強的稱為“分子場”的內場“分子場”足以使每個磁疇自動磁化達飽和狀態。這種自生的磁化強度叫自發磁化強度。由于它的存在鐵磁物質能在弱磁場下強列地磁化。因此自發磁化是鐵磁物質的基本特征也是鐵磁物質和順磁物質的區別所在。

鐵磁體的鐵磁性隻在某一溫度以下才表現出來超過這一溫度由于物質內部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向因而自發磁化強度變為0鐵磁性消失。這一溫度稱為居裏點 。在居裏點以上材料表現為強順磁性其磁化率與溫度的關系服從居裏——外斯定律

式中C為居裏常數。

4 反鐵磁性

反鐵磁性是指由于電子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自發磁化強度電子磁矩是同向排列的在不同子晶格中電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發磁化強度大小相同方向相反整個晶體 。反鐵磁性物質大都是非金屬化合物如MnO。

不論在什麽溫度下都不能觀察到反鐵磁性物質的任何自發磁化現象因此其巨觀特徵是順磁性的M與H處于同一方向磁化率 為正值。溫度很高時 極小溫度降低 逐漸增大。在一定溫度 時 達最大值 。稱 為反鐵磁性物質的奈爾溫度。對奈爾點存在 的解釋是在極低溫度下由于相鄰原子的自旋完全反向其磁矩幾乎完全抵消故磁化率 幾乎接近于0。當溫度上升時使自旋反向的作用減弱 增加。當溫度升至奈爾點以上時熱騷動的影響較大此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。

5 亞鐵磁性

亞鐵磁性是指有兩套子晶格的形成的磁性材料。不同子晶格的磁矩方向和反鐵磁一樣但是不同子晶格的磁化強度不同不能完全抵消掉所以有剩餘磁矩稱為亞鐵磁。反鐵磁性物質大都是合金如TbFe合金。 亞鐵磁也有從亞鐵磁變為順磁性的臨界溫度稱為居裏溫度。

發展歷史

在中國古代最早提及磁性的文獻是公元前4世紀鬼谷子的“天然磁鐵吸鐵”。公元20-100摟恩恆Luoen-heng的“天然磁鐵吸一針”沈括1031-1095第一人寫及指南針之事使航海的方向更準確。12世紀中國人知道用指南針航海。

1187年亞力山大·尼卡姆第一人在歐洲用指南針航海。

1269年彼得Peter寫磁鐵的信件第一個把磁鐵的性質延伸。

1282年一位葉門的物理學家天文學家亞十拉夫描寫磁鐵的性質和指南針。

1600年威廉·吉伯發表“磁鐵磁體和地球大磁鐵”。在此工作中他描述了用他的地球模型做的許多實驗他得出地球產生磁場是指南針永遠指南的原因。汗斯·奧斯特的工作使人們知道電和磁的關系。

1831年邁克爾·法拉第發現線圈內磁通的變化可使線圈產生電壓。詹姆斯·麥克斯韋把電磁和光都歸為電磁範疇。

21世紀電磁性的研究得到繼續發展使它溶入更基本的標準gauge理論即量子電動力學弱電理論最後進入標準模型standard model。

檢驗磁極

目的和要求

認識磁體的性質和磁極間的相互作用以及磁化現象。

儀器和器材

磁極

人造磁體(條形、針形、蹄形、棒形磁鐵),鐵屑、大頭針,玻璃板,木板,玻璃管,支架,支座,鐵棒,小銅片(或銅粉)。

實驗方法

1.把磁體放到鐵屑(或大頭針)裏,然後把它拿出來,磁體能吸引鐵屑(或大頭針)如圖3.22-1所示。

2.磁體隔著某些物質(如木板、玻璃)放到鐵屑(或大頭針)裏,磁體仍有吸鐵現象。

3.把磁體放到木屑或銅片(粉)內。磁體不能把木屑或銅片吸起來。

觀察重點:磁體兩端吸引起很多鐵屑或大頭針,而不能吸引起木屑或銅片(粉)等物質。

結論:磁體兩端磁性最強,稱為磁極。能夠被磁鐵吸引的物質叫鐵磁性物質

編者提示:本小實驗可輔以“電磁學”部分的物理實驗教學,以此培養和提高學生的實驗能力和素養。

材料分類

磁性材料具有磁有序的強磁性物質,廣義還包括可套用其磁性和磁效應的弱磁性及反鐵磁性物質。磁性是物質的一種基本屬性。物質按照其內部結構及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質,抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。磁性材料按性質分為金屬和非金屬兩類,前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等,後者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料磁記錄材料磁電阻材料磁泡材料、磁光材料,旋磁材料以及磁性薄膜材料等,反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲線、磁滯回線和磁損耗等。

1.永磁材料

永磁材料一經外磁場磁化以後,即使在相當大的反向磁場作用下,仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對這類材料的要求是剩餘磁感應強度Br高,矯頑力BHC(即磁性材料抗退磁能力)強,磁能積(BH)(即給空間提供的磁場能量)大。相對于軟磁材料而言,它亦稱為硬磁材料

永磁材料有合金、鐵氧體金屬間化合物三類。①合金類:包括鑄造、燒結和可加工合金。鑄造合金的主要品種有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W);燒結合金有:Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AlNi(Co)、FeCrCo等;可加工合金有:FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等,後兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。②鐵氧體類:主要成分為MO·6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等復合組分。③金屬間化合物類:主要以MnBi為代表。

永磁材料有多種用途:①基于電磁力作用原理的套用主要有:揚聲器、話筒、電表、按鍵、電機、繼電器感測器、開關等。②基于磁電作用原理的套用主要有:磁控管行波管微波電子管顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基于磁力作用原理的套用主要有:磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖、影印機、控溫計等。其他方面的套用還有:磁療、磁化水、磁麻醉等。

根據使用的需要,永磁材料可有不同的結構和形態。有些材料還有各向同性和各向異性之別。

2.軟磁材料

它的功能主要是導磁、電磁能量的轉換與傳輸。因此,對這類材料要求有較高的磁導率和磁感應強度,同時磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反,其Br和BHC越小越好,但飽和磁感應強度Bs則越大越好。

軟磁材料的一種——鐵粉芯

軟磁材料大體上可分為四類。①合金薄帶或薄片:FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶態合金薄帶:Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以適當的Si、B、P和其他摻雜元素,又稱磁性玻璃。③磁介質(鐵粉芯):FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體等粉料,經電絕緣介質包覆和粘合後按要求壓製成形。④鐵氧體:包括尖晶石型──M O·Fe2O3 (M 代表NiZn、MnZn、MgZn、Li1/2Fe1/2Zn、CaZn等),磁鉛石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其復合組分)。 軟磁材料的套用甚廣,主要用于磁性天線、電感器變壓器、磁頭、耳機、繼電器、振動子、電視偏轉軛、電纜、延遲線、感測器、微波吸收材料、電磁鐵加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場禁止、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開關)等。

3.矩磁材料和磁記錄材料

主要用作信息記錄、無接點開關、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點是磁滯回線呈矩形。

4.旋磁材料

具有獨特的微波磁性,如導磁率的張量特徵、法拉第旋轉、共振吸收、場移、相移、雙折射自旋波等效應。據此設計的器件主要用作微波能量的傳輸和轉換,常用的有隔離器、環行器、濾波器(固定式或電調式)、衰減器、相移器、調製器、開關、限幅器及延遲線等,還有尚在發展中的磁表面波和靜磁波器件(見微波鐵氧體器件)。常用的材料已形成系列,有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等鐵氧體材料;並可按器件的需要製成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結構和形態。

5.壓磁材料

這類材料的特點是在外加磁場作用下會發生機械形變,故又稱磁致伸縮材料,它的功能是作磁聲或磁力能量的轉換。常用于超音波發生器的振動頭、通信機的機械濾波器和電脈沖信號延遲線等,與微波技術結合則可製作微聲(或旋聲)器件。由于合金材料的機械強度高,抗振而不炸裂,故振動頭多用Ni系和NiCo系合金;在小信號下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態合金中新出現的有較強壓磁性的品種,適宜于製作延遲線。壓磁材料的生產和套用遠不及前面四種材料。

磁性材料的套用——變壓器

磁性材料是生產、生活、國防科學技術中廣泛使用的材料。如製造電力技術中的各種電機、變壓器,電子技術中的各種磁性元件和微波電子管,通信技術中的濾波器和增感器,國防技術中的磁性水雷、電磁炮,各種家用電器等。此外,磁性材料在地礦探測、海洋探測以及信息、能源、生物、空間新技術中也獲得了廣泛的套用。 磁性材料的用途廣泛。主要是利用其各種磁特徵和特殊效應製成元件或器件;用于存儲、傳輸和轉換電磁能量與信息,或在特定空間產生一定強度和分布的磁場;有時也以材料的自然形態而直接利用(如磁性液體)。磁性材料在電子技術領域和其他科學技術領域中都有重要的作用。

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