磁性的起源和常見(jiàn)磁性材料應(yīng)用

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1、磁性的起源和常見(jiàn)磁性材料應(yīng)用陳陽(yáng)，王皓，徐航，信躍龍磁性，在很久以前就引起了人們的興趣。早在3000多年前，中國(guó)人就發(fā)現(xiàn)了自然界中存在一種磁石，它們可以相互吸引或吸引鐵石。人們以豐富地想象力將此現(xiàn)象比喻為母親慈愛(ài)地對(duì)待幼兒，《呂氏春秋·季秋記》中就有“慈石召鐵，或引之也”的記述?，F(xiàn)今漢語(yǔ)中的“磁”字就來(lái)源于當(dāng)時(shí)的“慈”。中國(guó)古代的四大發(fā)明之一的指南針就是中國(guó)古代人民很早就開(kāi)始利用磁性的實(shí)例。我們知道，所謂磁石其實(shí)也就是鐵礦石（一般為磁鐵礦Fe3O4）。我們也知道，鐵會(huì)被磁鐵吸引而且會(huì)被磁鐵磁化。那么，它們?yōu)槭裁磿?huì)有磁性或會(huì)被磁化？磁性到底是怎樣產(chǎn)生的

2、呢？為了解釋物質(zhì)的宏觀磁性的性質(zhì)，我們從原子著手來(lái)考察一下磁性的來(lái)源。一、磁性的起源“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”。磁性當(dāng)然也是由物質(zhì)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。原子結(jié)構(gòu)與磁性的關(guān)系可以歸納為：（1）原子的磁性來(lái)源于電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)；（2）原子內(nèi)具有未被填滿(mǎn)的電子是材料具有磁性的必要條件；（3）電子的“交換作用”是原子具有磁性的根本原因。1.電子磁矩的產(chǎn)生原子磁性是磁性材料的基礎(chǔ)，而原子磁性來(lái)源于電子磁矩。電子的運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生電子磁矩的根源，電子有繞原子核旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)和自身旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，因此電子磁矩也是由電子的軌道磁矩和電子的自旋磁矩兩部分組成的。按照波爾的原子軌道理論，原子

3、內(nèi)的電子是圍繞著原子核在一定軌道上運(yùn)動(dòng)的。電子沿軌道的運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)圓電流，相應(yīng)得就會(huì)產(chǎn)生軌道磁矩。原子中的電子軌道磁矩平面可以取不同方向，但是在定向的磁場(chǎng)中，電子軌道只能去一定的幾個(gè)方向，也就是說(shuō)軌道的方向是量子化的。由電子電荷的自旋所產(chǎn)生的磁矩就稱(chēng)為電子自旋磁矩。在外磁場(chǎng)作用下，自旋磁矩只可能與軌道磁矩平行或反平行。很多磁性材料中，電子自旋磁矩要比電子軌道磁矩大。這是因?yàn)樵诰w中，電子的軌道磁矩要受晶格場(chǎng)的作用，它的方向是改變的，不能形成一個(gè)聯(lián)合磁矩，對(duì)外沒(méi)有磁矩。這也即一般所謂的軌道動(dòng)量矩和軌道磁矩的“猝滅”或“凍結(jié)”。所以很多固態(tài)物質(zhì)的磁性

4、主要不是由電子軌道磁矩引起的，而來(lái)源于電子自旋磁矩。當(dāng)然這里還會(huì)有原子核的自旋磁矩，但一般都比電子自旋磁矩小得多（相差三個(gè)數(shù)量級(jí)），因此可以忽略不計(jì)了。2.原子的磁矩在原子中，由泡利不相容原理，原子中不可能有兩個(gè)電子處于同一狀態(tài)。又一個(gè)軌道中最多容納兩個(gè)電子，所以當(dāng)一個(gè)軌道被電子填滿(mǎn)，其中的電子對(duì)必然自旋相反，那么它們的電子自旋磁矩會(huì)互相抵消。要想讓原子對(duì)外形成磁矩，則必須有未被填滿(mǎn)的電子軌道。當(dāng)然從實(shí)例中我們很容易可以看出，這只是一個(gè)必要條件。像Cu、Cr、V和大量鑭系金屬都有未被電子填滿(mǎn)的軌道，但它們都不會(huì)顯示出磁性（具體指鐵磁性）。3.磁性分類(lèi)

5、在討論電子的交換作用前，我們還是先來(lái)看一下物質(zhì)的宏觀磁性的表現(xiàn)。按照原子磁矩的作用互相疊加后在宏觀上所表現(xiàn)出磁性的不同，磁性材料可以分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性。1）抗磁性抗磁性是指沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)，電子殼層被充滿(mǎn)的原子的磁矩等于零，或者有些分子的總磁矩為零，不表現(xiàn)宏觀磁性。但在磁場(chǎng)作用下，電子的軌道運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)附加運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反但++2+數(shù)值很小的感應(yīng)磁矩。這種現(xiàn)象就被稱(chēng)為抗磁性。像Na、K、Ca、--F、Cl等都是常見(jiàn)的抗磁性物質(zhì)。2）順磁性順磁性是指原子都有未被抵消的磁矩，原子具有總磁矩，但是由于原子磁矩方向是

6、混亂的，對(duì)外作用互相抵消，也不表現(xiàn)為宏觀磁性。但在外加磁場(chǎng)的作用下，每個(gè)原子磁矩處于順著外加磁場(chǎng)的時(shí)間較多，而處于與外磁場(chǎng)方相反的時(shí)間較少，宏觀上能顯示出極弱的磁性，事實(shí)上，這樣物質(zhì)也就磁化了。實(shí)驗(yàn)表明，溫度越高，順磁性物質(zhì)的磁化率就越低。這是因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)破壞了原子磁矩的規(guī)則取向，溫度越高，原子的熱運(yùn)動(dòng)能量越大，要使原子磁性轉(zhuǎn)向外加磁場(chǎng)越難，于是磁化率就越低。3）鐵磁性鐵磁性是指臨近原子由于互相作用，在加上外磁場(chǎng)時(shí)，能使磁矩趨向于外磁場(chǎng)方向而整齊排列的現(xiàn)象。一般鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場(chǎng)內(nèi)也可得到很高的磁化強(qiáng)度；在外磁場(chǎng)移去后，仍可保留較強(qiáng)磁性。為什么

7、鐵磁性物質(zhì)能夠在很弱的磁場(chǎng)下磁化達(dá)到飽和呢？這是因?yàn)檫@些物質(zhì)內(nèi)部的原子磁矩，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的作用下，已經(jīng)以某種方式整齊排列達(dá)到一定程度的磁化，也就是一般所謂的自發(fā)磁化。這種自發(fā)磁化是分為小區(qū)域的，在每一個(gè)小區(qū)域中，原子磁矩按同一方向平行排列。這些小區(qū)域就被稱(chēng)為磁疇。在物質(zhì)內(nèi)部各個(gè)磁疇的自發(fā)磁化取向是各不相同的，對(duì)外效果互相抵消，所以整個(gè)物質(zhì)對(duì)外仍不呈現(xiàn)出磁性。也即相當(dāng)于鐵磁性物質(zhì)是由一個(gè)個(gè)小的“磁鐵”按不規(guī)則的方式組成的，在統(tǒng)計(jì)規(guī)律下對(duì)外沒(méi)有磁性，但當(dāng)有一個(gè)外力（外磁場(chǎng)）將每個(gè)“小磁鐵”的極性擺到相同的方向，即對(duì)外表現(xiàn)出強(qiáng)磁性。鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部所存在的

8、磁疇得自發(fā)磁化是鐵磁性的重要原因。這就可以解釋為何“原子內(nèi)具有未被填滿(mǎn)的電子”只是物質(zhì)具有磁性的必要條件了。