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磁介質,是由於磁場和物質之間的相互作用,外加磁場使物質處於一種磁化狀態,從而改變物質內原來磁場的分佈。這種在磁場作用下,其內部磁化狀態發生變化的物質,稱為磁介質(magnetic media).磁介質在磁場作用下內部狀態的變化叫做磁化。磁場強度與物質內磁通密度間的關係由磁介質的性質所決定。磁介質的性質則由其內部的分子、原子和電子的性質,原子的晶體結構及其相互作用所決定,有關磁介質的理論屬於固體物理學的重要部分。根據物質在磁場中的磁化性能,可分為六大類磁介質:1.抗磁性;2.順磁性;3.鐵磁性;4.亞鐵磁性;5.反鐵磁性;6.超順磁性。

1 磁介質 -簡介

磁介質 教學圖片磁介質 教學圖片

物質放在磁場中, 能影響磁場的大小和分佈的叫媒介物。又稱磁介質。外加磁場強度與磁介質內磁通密度之間的關係由磁介質的性質決定。而磁介質的性質是由它內部的分子、原子和電子的性質以及它們的相互作用和介質的晶體結構所決定。根據物質的性能,可分為六大類磁介質:1.抗磁性;2.順磁性;3.鐵磁性;4.亞鐵磁性;5.反鐵磁性和 6.超順磁性。物質之所以形成這些性質的有關理論屬於固體物理學的重要部分。
  

磁導率是表徵磁介質的一個重要參數。磁介質磁化的物理過程可用A.-M.安培提出的分子電流概念做出概略的說明;每一個原子(電子)有剩餘電流而產生原子或電子磁矩,這些磁矩在外磁場作用下,轉向磁場的方向,這個過程就是磁介質的磁化過程。左上圖表示,抗磁性磁介質在外磁場作用下,每個原子的磁矩方向都與磁場方向相反,故稱為抗磁性。

2 磁介質 -磁介質的分類

 現在,從磁介質的原子構成,它們間的相互作用以及它們在磁場下的反應,來討論六種磁介質的性質:.

抗磁性

抗磁性是所有材料都具有的。雖然它很弱。抗磁物質由無凈磁矩的原子(即原子所有軌道層都充滿電子;沒有不成對的電子)它只有原子的電子繞軌道運動產生的磁矩。在磁場作用下,電子受到羅侖茲力作用,使電子繞軌道運動的面積減少;等效於產生與磁場方向相反的磁矩(見上左圖)。故稱為抗磁性。材料在磁場作用下所產生的磁化強度 M=xH; 這裡x 稱為磁化率; H 是外加磁場。因此,抗磁物質的磁化率 x 是負的。x與溫度無關。x的單位是:10負八次方乘m的三次方/Kg..SiO2, x=-0.62 ; CaCo3  x=-0.48 ;  H2O   x=-0.9 等都是抗磁物質。

順磁性

這類物質的原子軌道只有部分填充電子,故原子有凈磁矩。鐵原子是沒充滿的典型原子。如這些原子間又沒有相互作用,無外場時,整體的磁化強度為零(因每個原子磁矩混亂取向)。外加磁場時,原子磁矩部分取向;順磁體的磁化強度隨磁場增大而增大。故磁化率是正的。數學表達式為: M=xH;  x>0, 但x隨溫度升高而下降。這是溫度使每個原子磁矩傾向於混亂的原故。x(T)隨溫度的變化,稱居里定律。順磁物質磁化率的單位和抗磁的相同。粘土  x=13; 富鐵粘土 x=65; 黑雲母  x=79 等是順磁性的物質。

鐵磁性

鐵磁性的原子都有剩磁矩,而且它們間相互交換作用十分強(來自電子間的交換力),引起原子磁矩平行取向。
交換是由於二個電子自旋的相對取向所造成的交換力,是量子力學效應。這種力很強;它相當於1000 Tesla磁場的量級。或近似100 萬倍地磁場的大小。 
鐵磁在無外磁場都有一凈磁化強度。Fe, Ni, Co 及其合金是鐵磁性的典型物質。它有三個特性:(1)自發磁化強度(由自旋磁矩的大小決定);(2)有一磁有序溫度(居里溫度);在此溫度之上,變成磁無序(順磁性)(3),磁場去后,鐵磁物質還保留剩餘磁化強度(有磁滯)。順磁與鐵磁的主要性能比較:順磁磁化達飽和所需外場為10Tesla,鐵磁只需1Tesla. 順磁的磁化率為~50;而鐵磁的則為1000-10000(單位如上)。

亞鐵磁性

鐵的氧化物由於晶體結構形成較複雜的磁有序,稱為亞鐵磁性。這種磁有序結構由二種稱A和B的磁次晶格組成,它們由氧陰離子隔開,但通過氧離子進行間接(超)交換作用。使二種次晶格的自旋反平行取向。由於亞鐵磁的二種次晶格的磁矩不相等,使整體物質有一凈磁矩。此凈磁矩在外場下的行為和鐵磁性的相似。它也具有自發磁化強度,居里溫度;剩磁(磁滯)等。但鐵磁和反鐵磁卻有十分不同的磁有序結構。Fe3O4是典型的亞鐵磁磁介質。

反鐵磁性

反鐵磁介質內,二種磁次晶格原子的磁矩的交換作用是負的,使得每個原子的磁矩方向都與其近鄰的每個原子的磁矩方向反平行,如果磁介質內二種次磁晶格的磁矩完全相等,則整體的凈磁矩為零。這種類型的磁有序,稱為反鐵磁性。它從零度至涅爾(Neel)溫度之間的磁化率與順磁性的相近;在涅爾溫度時最大。

  反鐵磁磁介質一般為過渡金屬化合物,特別是氧化物。比較多的括,赤鐵礦,鉻,鐵錳合金和鎳的氧化物(NiO)等。

超順磁性

把鐵磁或亞鐵介質粉碎成納米尺寸的顆粒,其在磁場下的行為稱超順磁性。因為這些納米磁性顆粒都各自有磁矩,但在溫度的熱運動下,它們是混亂取向的,在外磁場作用下,會形成一定的磁化強度。其行為類似順磁性,但其磁化率則與鐵磁或亞鐵磁性的介質相近。
綜合上面六類磁介質的性質看;六類中,只有抗磁性一種介質的原子沒有剩餘磁矩。其餘五種磁介質的原子都有剩餘磁矩。但順磁介質內的原子沒有磁有序。其餘的鐵磁,亞鐵磁,反鐵磁和超順磁介質的原子都有磁有序結構。

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