[科普中國(guó)]-磁性

能吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)稱為磁性。磁體兩端磁性最強(qiáng)的區(qū)域稱為磁極，一端稱為北極（N極），一端稱為南極（S極）。實(shí)驗(yàn)證明，同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。

磁性的研究起源早在1820年，丹麥科學(xué)家?jiàn)W斯特就發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，第一次揭示了磁與電存在著聯(lián)系，從而把電學(xué)和磁學(xué)聯(lián)系起來(lái)。

為了解釋永磁和磁化現(xiàn)象，安培提出了分子電流假說(shuō)。安培認(rèn)為，任何物質(zhì)的分子中都存在著環(huán)形電流，稱為分子電流，而分子電流相當(dāng)一個(gè)基元磁體。當(dāng)物質(zhì)在宏觀上不存在磁性時(shí)，這些分子電流做的取向是無(wú)規(guī)則的，它們對(duì)外界所產(chǎn)生的磁效應(yīng)互相抵消，故使整個(gè)物體不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，等效于基元磁體的各個(gè)分子電流將傾向于沿外磁場(chǎng)方向取向，而使物體顯示磁性。

磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有本質(zhì)的聯(lián)系。物質(zhì)的磁性和電子的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)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(gè)帶電的小球，他們認(rèn)為，與地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)相似，電子一方面繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，相應(yīng)有軌道角動(dòng)量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉(zhuǎn)，具有自旋角動(dòng)量和相應(yīng)的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的磁矩正是這自旋磁矩。（人們認(rèn)為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)是不正確的。）

電子繞原子核作圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)和繞本身的自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生電磁以太的渦旋而形成磁性，人們常用磁矩來(lái)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(gè)聯(lián)合磁矩，對(duì)外沒(méi)有磁性作用。因此，物質(zhì)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(gè)電子自旋磁矩的近似值等于一個(gè)波爾磁子。 是原子磁矩的單位， 。因?yàn)樵雍吮入娮又?000倍左右，其運(yùn)動(dòng)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(jì)。

孤立原子的磁矩決定于原子的結(jié)構(gòu)。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(shù)為26，共有26個(gè)電子，在5個(gè)軌道中除了有一條軌道必須填入2個(gè)電子（自旋反平行）外，其余4個(gè)軌道均只有一個(gè)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 。1

磁性的定義和相關(guān)概念簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，磁性是物質(zhì)放在不均勻的磁場(chǎng)中會(huì)受到磁力的作用。在相同的不均勻磁場(chǎng)中，由單位質(zhì)量的物質(zhì)所受到的磁力方向和強(qiáng)度，來(lái)確定物質(zhì)磁性的強(qiáng)弱。因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)都具有磁性，所以任何物質(zhì)在不均勻磁場(chǎng)中都會(huì)受到磁力的作用。

在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場(chǎng)，我們稱之為磁場(chǎng)。磁性物質(zhì)的相互吸引等就是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的。我們知道，物質(zhì)之間存在萬(wàn)有引力，它是一種引力場(chǎng)。磁場(chǎng)與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場(chǎng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以用假想的磁力線數(shù)量來(lái)表示，磁力線密的地方磁場(chǎng)強(qiáng)，磁力線疏的地方磁場(chǎng)弱。單位截面上穿過(guò)的磁力線數(shù)目稱為磁通量密度。

運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中會(huì)受到一種稱為洛倫茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場(chǎng)中所受到洛侖磁力的大小來(lái)確定磁場(chǎng)強(qiáng)度的高低。特斯拉是磁通密度的國(guó)際單位制單位。磁通密度是描述磁場(chǎng)的基本物理量，而磁場(chǎng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)的輔助量。特斯拉(Tesla，N)(1886~1943)是克羅地亞裔美國(guó)電機(jī)工程師，曾發(fā)明變壓器和交流電動(dòng)機(jī)。

物質(zhì)的磁性不但是普遍存在的，而且是多種多樣的，并因此得到廣泛的研究和應(yīng)用。近自我們的身體和周邊的物質(zhì)，遠(yuǎn)至各種星體和星際中的物質(zhì)，微觀世界的原子、原子核和基本粒子，宏觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性。1

磁性的分類一般說(shuō)來(lái)，物質(zhì)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。

1． 抗磁性

當(dāng)磁化強(qiáng)度M為負(fù)時(shí)，固體表現(xiàn)為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質(zhì)。在外磁場(chǎng)中，這類磁化了的介質(zhì)內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度M?？勾判晕镔|(zhì)的原子（離子）的磁矩應(yīng)為零，即不存在永久磁矩。當(dāng)抗磁性物質(zhì)放入外磁場(chǎng)中，外磁場(chǎng)使電子軌道改變，感生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反的磁矩，表現(xiàn)為抗磁性。所以抗磁性來(lái)源于原子中電子軌道狀態(tài)的變化?？勾判晕镔|(zhì)的抗磁性一般很微弱，磁化率H一般約為-10^-5，為負(fù)值。

2． 順磁性

順磁性物質(zhì)的主要特征是，不論外加磁場(chǎng)是否存在，原子內(nèi)部存在永久磁矩。但在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，由于順磁物質(zhì)的原子做無(wú)規(guī)則的熱振動(dòng)，宏觀看來(lái)，沒(méi)有磁性；在外加磁場(chǎng)作用下，每個(gè)原子磁矩比較規(guī)則地取向，物質(zhì)顯示極弱的磁性。磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)方向一致，

為正，而且嚴(yán)格地與外磁場(chǎng)H成正比。

順磁性物質(zhì)的磁性除了與H有關(guān)外，還依賴于溫度。其磁化率H與絕對(duì)溫度T成反比。

式中，C稱為居里常數(shù)，取決于順磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度和磁矩大小。

順磁性物質(zhì)的磁化率一般也很小，室溫下H約為10^-5。一般含有奇數(shù)個(gè)電子的原子或分子，電子未填滿殼層的原子或離子，如過(guò)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(zhì)。

3． 鐵磁性

對(duì)諸如Fe、Co、Ni等物質(zhì)，在室溫下磁化率可達(dá)10^-3數(shù)量級(jí)，稱這類物質(zhì)的磁性為鐵磁性。

鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場(chǎng)內(nèi)，也可得到極高的磁化強(qiáng)度，其磁化率為正值，但當(dāng)外場(chǎng)增大時(shí)，由于磁化強(qiáng)度迅速達(dá)到飽和，其H變小。

鐵磁性物質(zhì)具有很強(qiáng)的磁性，主要起因于它們具有很強(qiáng)的內(nèi)部交換場(chǎng)。鐵磁物質(zhì)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(yīng)于穩(wěn)定狀態(tài)），在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域——磁疇。每個(gè)磁疇大約有1015個(gè)原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列，假設(shè)晶體內(nèi)部存在很強(qiáng)的稱為“分子場(chǎng)”的內(nèi)場(chǎng)，“分子場(chǎng)”足以使每個(gè)磁疇自動(dòng)磁化達(dá)飽和狀態(tài)。這種自生的磁化強(qiáng)度叫自發(fā)磁化強(qiáng)度。由于它的存在，鐵磁物質(zhì)能在弱磁場(chǎng)下強(qiáng)列地磁化。因此自發(fā)磁化是鐵磁物質(zhì)的基本特征，也是鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的區(qū)別所在。

鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來(lái)，超過(guò)這一溫度，由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動(dòng)破壞電子自旋磁矩的平行取向，因而自發(fā)磁化強(qiáng)度變?yōu)?，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點(diǎn) 。在居里點(diǎn)以上，材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性，其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里——外斯定律，

式中C為居里常數(shù)。

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(fā)磁化強(qiáng)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(gè)子晶格中自發(fā)磁化強(qiáng)度大小相同，方向相反，整個(gè)晶體 。反鐵磁性物質(zhì)大都是非金屬化合物，如MnO。

不論在什么溫度下，都不能觀察到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁化現(xiàn)象，因此其宏觀特性是順磁性的，M與H處于同一方向，磁化率 為正值。溫度很高時(shí)， 極?。粶囟冉档?， 逐漸增大。在一定溫度 時(shí)， 達(dá)最大值 。稱 為反鐵磁性物質(zhì)的奈爾溫度。對(duì)奈爾點(diǎn)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(dāng)溫度上升時(shí)，使自旋反向的作用減弱， 增加。當(dāng)溫度升至奈爾點(diǎn)以上時(shí)，熱騷動(dòng)的影響較大，此時(shí)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(qiáng)度不同，不能完全抵消掉，所以有剩余磁矩，稱為亞鐵磁。反鐵磁性物質(zhì)大都是合金，如TbFe合金。 亞鐵磁也有從亞鐵磁變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度，稱為居里溫度。1

檢驗(yàn)磁性存在的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笳J(rèn)識(shí)磁體的性質(zhì)和磁極間的相互作用以及磁化現(xiàn)象。

儀器和器材

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(shí)驗(yàn)方法1．把磁體放到鐵屑（或大頭針）里，然后把它拿出來(lái)，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(zhì)（如木板、玻璃）放到鐵屑（或大頭針）里，磁體仍有吸鐵現(xiàn)象。

3．把磁體放到木屑或銅片（粉）內(nèi)。磁體不能把木屑或銅片吸起來(lái)。

觀察重點(diǎn)：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(zhì)。

結(jié)論：磁體兩端磁性最強(qiáng)，稱為磁極。能夠被磁鐵吸引的物質(zhì)叫鐵磁性物質(zhì)。

編者提示：本小實(shí)驗(yàn)可輔以“電磁學(xué)”部分的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以此培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退仞B(yǎng)。2

磁性的應(yīng)用——磁性材料分類磁性材料具有磁有序的強(qiáng)磁性物質(zhì)，廣義還包括可應(yīng)用其磁性和磁效應(yīng)的弱磁性及反鐵磁性物質(zhì)。磁性是物質(zhì)的一種基本屬性。物質(zhì)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在外磁場(chǎng)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(zhì)。鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)為強(qiáng)磁性物質(zhì)，抗磁性和順磁性物質(zhì)為弱磁性物質(zhì)。磁性材料按性質(zhì)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，后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(jīng)外磁場(chǎng)磁化以后，即使在相當(dāng)大的反向磁場(chǎng)作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對(duì)這類材料的要求是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高，矯頑力BHC(即磁性材料抗退磁能力)強(qiáng)，磁能積(BH)(即給空間提供的磁場(chǎng)能量)大。相對(duì)于軟磁材料而言，它亦稱為硬磁材料。

永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類。①合金類：包括鑄造、燒結(jié)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(jié)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，后兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。②鐵氧體類：主要成分為MO·6,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等復(fù)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應(yīng)用主要有：揚(yáng)聲器、話筒、電表、按鍵、電機(jī)、繼電器、傳感器、開(kāi)關(guān)等。②基于磁電作用原理的應(yīng)用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、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應(yīng)用主要有：磁軸承、選礦機(jī)、磁力分離器、磁性吸盤(pán)、磁密封、磁黑板、玩具、標(biāo)牌、密碼鎖、復(fù)印機(jī)、控溫計(jì)等。其他方面的應(yīng)用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。

根據(jù)使用的需要，永磁材料可有不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。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(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸。因此，對(duì)這類材料要求有較高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)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(yīng)強(qiáng)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(tài)合金薄帶：Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以適當(dāng)?shù)腟i、B、P和其他摻雜元素,又稱磁性玻璃。③磁介質(zhì)（鐵粉芯）:FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體等粉料，經(jīng)電絕緣介質(zhì)包覆和粘合后按要求壓制成形。④鐵氧體：包括尖晶石型──MO· (M 代表NiZn、MnZn、MgZn、CaZn等),磁鉛石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其復(fù)合組分)。

軟磁材料的應(yīng)用甚廣，主要用于磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機(jī)、繼電器、振動(dòng)子、電視偏轉(zhuǎn)軛、電纜、延遲線、傳感器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場(chǎng)探頭、磁性基片、磁場(chǎng)屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤(pán)、磁敏元件(如磁熱材料作開(kāi)關(guān))等。

3．矩磁材料和磁記錄材料

主要用作信息記錄、無(wú)接點(diǎn)開(kāi)關(guān)、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點(diǎn)是磁滯回線呈矩形。

4．旋磁材料

具有獨(dú)特的微波磁性，如導(dǎo)磁率的張量特性、法拉第旋轉(zhuǎn)、共振吸收、場(chǎng)移、相移、雙折射和自旋波等效應(yīng)。據(jù)此設(shè)計(jì)的器件主要用作微波能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，常用的有隔離器、環(huán)行器、濾波器（固定式或電調(diào)式）、衰減器、相移器、調(diào)制器、開(kāi)關(guān)、限幅器及延遲線等，還有尚在發(fā)展中的磁表面波和靜磁波器件（見(jiàn)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；并可按器件的需要制成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

5．壓磁材料

這類材料的特點(diǎn)是在外加磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生機(jī)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(zhuǎn)換。常用于超聲波發(fā)生器的振動(dòng)頭、通信機(jī)的機(jī)械濾波器和電脈沖信號(hào)延遲線等，與微波技術(shù)結(jié)合則可制作微聲（或旋聲）器件。由于合金材料的機(jī)械強(qiáng)度高，抗振而不炸裂，故振動(dòng)頭多用Ni系和NiCo系合金；在小信號(hào)下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態(tài)合金中新出現(xiàn)的有較強(qiáng)壓磁性的品種，適宜于制作延遲線。壓磁材料的生產(chǎn)和應(yīng)用遠(yuǎn)不及前面四種材料。

磁性材料的應(yīng)用——變壓器

磁性材料是生產(chǎn)、生活、國(guó)防科學(xué)技術(shù)中廣泛使用的材料。如制造電力技術(shù)中的各種電機(jī)、變壓器，電子技術(shù)中的各種磁性元件和微波電子管，通信技術(shù)中的濾波器和增感器，國(guó)防技術(shù)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(cè)、海洋探測(cè)以及信息、能源、生物、空間新技術(shù)中也獲得了廣泛的應(yīng)用。 磁性材料的用途廣泛。主要是利用其各種磁特性和特殊效應(yīng)制成元件或器件；用于存儲(chǔ)、傳輸和轉(zhuǎn)換電磁能量與信息，或在特定空間產(chǎn)生一定強(qiáng)度和分布的磁場(chǎng)；有時(shí)也以材料的自然形態(tài)而直接利用(如磁性液體)。磁性材料在電子技術(shù)領(lǐng)域和其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都有重要的作用。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李飛 - 博士 - 江蘇師范大學(xué)