磁介質

磁介質使實物物質處於一種特殊狀態，從而改變原來磁場的分布。這種在磁場作用下，其內部狀態發生變化，並反過來影響磁場存在或分布的物質，稱為磁介質。磁介質在磁場作用下內部狀態的變化叫做磁化。磁場強度與磁通密度間的關係決定於所在之處磁介質的性質。這種性質來源於物質內分子、原子和電子的性狀及其相互作用，有關理論屬於固體物理學的重要內容。

基本介紹

• 中文名：磁介質
• 外文名：magnetic medium 
• 原因：磁場和事物之間的相互作用
• 磁化：磁介質在磁場作用下內部狀態改變
• 作用：改變原來磁場的分布
• 學科：物理學

簡介

在磁場作用下表現出磁性的物質。物質在外磁場作用下表現出磁性的現象稱為磁化。所有物質都能磁化，故都是磁介質。按磁化機構的不同，磁介質可分為抗磁體、順磁體、鐵磁體、反鐵磁體和亞鐵磁體五大類。在無外磁場時抗磁體分子的固有磁矩為零，外加磁場後，由於電磁感應每個分子感應出與外磁場方向相反的磁矩，所產生的附加磁場在介質內部與外磁場方向相反，此性質稱為抗磁性。順磁體分子的固有磁矩不為零，在無外磁場時，由於熱運動而使分子磁矩的取向作無規分布，巨觀上不顯示磁性。在外磁場作用下，分子磁矩趨向於與外磁場方向一致的排列，所產生的附加磁場在介質內部與外磁場方向一致，此性質稱為順磁性。介質磁化後的特點是在巨觀體積中總磁矩不為零，單位體積中的總磁矩稱為磁化強度。

磁介質 - 簡介

實驗結果

實驗表明，磁化強度與磁場強度成正比，比例係數χm稱為磁化率。抗磁體和順磁體的磁性都很弱，即cm很小，屬弱磁性物質。抗磁體的cm為負值，與磁場強度無關，也不依賴於溫度。順磁體的cm為正值，也與磁場強度無關，但與溫度成反比，即 cm =C/T，C稱為居里常數，T為熱力學溫度，此關係稱為居里定律。

鐵磁體在低於一定溫度Tc時，內部存在許多自發磁化的小區域，稱為磁疇，磁疇具有磁有序結構，同一磁疇內分子磁矩同向。無外磁場時不同磁疇的取向作無規分布，巨觀上不顯示磁性；在外磁場作用下磁疇轉向，巨觀體積內的總磁矩不為零，內部可產生與外磁場方向一致的、比外磁場要強得多的附加磁場。外磁場撤去後仍保留部分磁化強度。鐵磁體還具有磁滯現象（見鐵磁性）。鐵磁體屬強磁物質，是套用最廣的磁介質。

反鐵磁體

反鐵磁體內由於原子之間的相互作用使之與鐵磁體一樣具有磁有序結構，相鄰自旋磁矩作反平行排列，大小恰好相抵消，因而不具有固有的自發磁化磁矩，此種性質稱為反鐵磁性。反鐵磁體具有較大的順磁磁化率，在一定溫度TN處存在磁化率的峰值，溫度大於TN時反鐵磁性消失而成為順磁體，臨界溫度TN稱為奈耳溫度。在奈耳溫度TN處，反鐵磁體的熱脹係數和比熱容等均發生突變。錳、鐵、鈷、鎳等過渡族金屬的氧化物均是反鐵磁體。

亞鐵磁性

亞鐵磁性與反鐵磁性具有相同的物理本質，只是亞鐵磁體中反平行的自旋磁矩大小不等，因而存在部分抵消不盡的自發磁矩，類似於鐵磁體。溫度高於某一數值Tc時，亞鐵磁體變為順磁體，Tc稱居里溫度。鐵氧體大都是亞鐵磁體。

磁介質的分類

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。抗磁物質由無淨磁矩的原子（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。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。

順磁性

這類物質的原子軌道只有部分填充電子，故原子有淨磁矩。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淨磁化強度。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），磁場去後，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。

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，使整體物質有一淨磁矩。此淨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，則整體的淨磁矩為零。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。