02 物质的磁性
二.物质的磁性
2.1.物质的抗磁性
物质的抗磁性(Diamagnetism)是一些类别的物质,当处在外加磁场中,会对磁场产生的微弱斥力的一种磁性现象,磁化率量级一般为-10数量级。
抗磁性来源:外磁场穿过电子轨道产生电磁感应,使轨道电子加速从而产生与外磁场方向相反的磁场。
特点:所有物质在外磁场作用下都会产生此种现象,不过大多数物质的抗磁性被较强的顺磁性掩盖而不能表现出来。
图2.1 抗磁性的由来
2.2物质的顺磁性
物质的顺磁性(paramagnetism)是指物质对磁场响应很弱的磁性,磁化率量级一般为10——10数量级。
顺磁性的由来--朗之万理论:组成顺磁性物质的原子、离子或分子有未被电子填满的内壳层,此类材料中存在固有磁矩,因相互作用力小于热运动,磁矩为自由磁矩,取向无规则,材料不能自发磁化,但在外磁场H的作用下,自由磁矩沿着外磁场方向择优分布,引起顺磁性磁化。
图2.2 顺磁性
2.3.铁磁性
铁磁性(Ferromagnetism)指的是一种材料的磁性状态,具有自发性的磁化现象。材料对磁场响应很强的磁性,磁化率量级一般为10——10数量级。具有铁磁性的元素不多,但具有铁磁性的合金或化合物种类很多。
特点:1.与顺磁性不同,铁磁性是强磁;2.具有自发性磁化现象。
图2.3 铁磁性
2.3.1自发磁化原因
海森堡模型:与顺磁性物质类似,铁磁性物质内部原子中有未配对电子,原子间存在交换作用,为了使自旋相互作用能最低,这些电子的自旋趋于与相邻未配对电子的自旋呈相同方向。
外斯分子场理论:
分子场引发自发磁化假设:铁磁性物质内部存在着分子场(原因见海森堡模型),原子磁矩受到分子场的影响,克服无序热运动,自发地取向一致,从而表现为铁磁性。
当温度升高到热运动能足以抗衡分子场时,分子场引发的一致取向被破坏,从而表现为顺磁性,此温度称为居里温度,可以据此估算分子场大小。
2.3.2 磁畴
假设铁磁物质均匀自发磁化,磁化后的物质因具有一定的大小和形状,必然产生磁极,磁极的退磁场产生退磁能,退磁能的存在增加了铁磁体内的总能量,从而使这个自发磁化状态不再稳定,为了降低退磁场能,只有改变自发磁化的分布,于是在铁磁体内部产生许多自发磁化的小区域,称为磁畴。
图2.4 铁磁物质的自发磁化与外磁场磁化
综上:磁畴是铁磁性物质在消磁状态下内部的多个小区域,每个小区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩由于分子场的作用取向一致,出现自发磁化的现象;但相邻的区域原子磁矩排列方向不同,以致于各磁畴之间的磁场相互抵消,因此宏观铁磁体在无外磁场的作用下,并不表现出磁性。
如图2.4 所示,各原子磁矩取向一致的小区域为磁畴,磁畴之间由畴壁隔开。同时,磁畴不可能无限制增加的,由于畴壁的存在,系统增加了畴壁能,磁畴的多少是由退磁场能和畴壁能的和为极小值决定的,一个典型的磁畴的体积约为10cm,约含有10个磁性原子。畴壁宽度一般为10个原子量级。
单畴:当铁磁材料的颗粒尺寸小于某一尺寸时,成为多畴时的畴壁能比单畴的退磁场能还要高时,材料将不再分畴从而形成单畴结构,这个尺寸称为临界尺寸。单畴颗粒的磁化过程小时(磁化过程的介绍见下节)只有磁畴转动,因此磁化和退磁都比较困难。一般永磁材料的制备工艺中,使用粉末法实现小颗粒的单畴结构。
拥有铁磁性的材料称为铁磁材料,铁磁材料主要包括两大类:硬磁材料和软磁材料;硬磁材料又称永磁材料,是经磁化即能保持恒定磁性的材料,如汝铁硼永磁体。软磁材料是指易于磁化也易于退磁的材料,如硅钢。关于磁化的相关描述见下节。
物质的磁性除了以上的还包括亚铁磁性(磁化率在10-10数量级)、反铁磁性等。
图2.5 亚铁磁性及反铁磁性
2.4.磁晶及磁晶的各向异性
2.4.1磁晶
磁性物质内部结构中的质点(原子、离子、分子、原子团)有规则地在三维空间呈周期性重复排列,组成一定形式的晶格,外形上表现为一定形状的几何多面体。,不同材料有不同的晶格结构,铁单晶的晶格结构见图2.6。
图2.6 Fe单晶体心立方晶格结构
2.4.2 磁晶各向异性
磁晶各向异性:磁晶沿不同的晶轴方向磁化难度不同,有难磁化轴和易磁化轴之分。磁晶各向异性存在于所有铁磁性晶体中。图2.7中[100]为易磁化轴。
图2.7 Fe晶体不同磁化轴的磁化曲线
2.4.3磁致伸缩
磁致伸缩:磁性材料随着磁化状态的改变,其长度和体积都会发生微小的变化的现象。一般体积磁致伸缩量很小,可以忽略。通常说的磁致伸缩是横向或纵向的线性磁致伸缩。所有铁磁材料都会表现出可测量的磁致伸缩。
当磁性材料达到饱和时的λ值称为饱和磁致伸缩系数,用λ来表示。
图 2.8 磁致伸缩系数与外磁场强度的关系
磁致伸缩产生的原因:
H=0且磁性材料在居里温度以下时,会出现自发磁化现象,其结构尺寸如图中所示;
磁性材料受外磁场影响后,结构尺寸会发生变化,当H>H(H为饱和磁场强度)其尺寸如图中所示。微观上说,磁致伸缩是由于原子的自旋磁矩与轨道磁矩相互之间的作用而产生的。
图 2.9 磁致伸缩产生的原因