For faster navigation, this Iframe is preloading the Wikiwand page for 磁化强度.

磁化强度

维基百科,自由的百科全书

在这篇文章内,向量标量分别用粗体斜体显示。例如,位置向量通常用 表示;而其大小则用 来表示。

磁化强度(英语:magnetization),又称磁化向量,是衡量物体的磁性的一个物理量,定义为单位体积的磁偶极矩,如下方程:

其中, 是磁化强度,磁偶极子密度, 是每一个磁偶极子的磁偶极矩。

当施加外磁场于物质时,物质的内部会被磁化,会出现很多微小的磁偶极子。磁化强度描述物质被磁化的程度。采用国际单位制,磁化强度的单位是安培/米。

物质被磁化所产生的磁偶极矩有两种起源。一种是由在原子内部的电子,由于外磁场的作用,其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动,从而产生的额外磁矩,累积凝聚而成。另外一种是在外加静磁场后,物质内的粒子自旋发生“磁化”,趋于依照磁场方向排列。这些自旋构成的磁偶极子可视为一个个小磁铁,可以以向量表示,作为自旋相关磁性分析的经典描述。例如,用于核磁共振现象中自旋动态的分析。

物质对于外磁场的响应,和物质本身任何已存在的磁偶极矩(例如,在铁磁性物质内部的磁偶极矩),综合起来,就是净磁化强度。

在一个磁性物质的内部,磁化强度不一定是均匀的,磁化强度时常是位置向量函数

麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组描述磁感应强度 磁场强度 电场 电位移 电荷密度 电流密度 的物理行为。这里会探索磁化强度 的角色和与这些物理量之间的关系。

磁感应强度、磁场强度和磁化强度之间的关系

磁场强度 定义为

其中,磁常数

对于抗磁性物质和顺磁性物质, 之间的关系通常是线性关系

其中,磁化率

由于迟滞现象铁磁性物质的 之间并不存在一一对应关系。

磁化电流

在磁性物质内,“磁化电流”是总电流的一部分,又称为“束缚电流”,是由束缚电荷形成的。磁性物质内部的“束缚电流密度” 和“表面束缚电流密度” 分别为

其中, 是垂直于磁性物质表面的单位向量。

在麦克斯韦方程组内的总电流

其中, 是自由电流密度, 是电极化电流密度。

自由电流密度是由自由电荷形成的自由电流的密度。自由电荷不束缚于物质的原子的内部。

电极化电流是由含时电极化强度形成的:

静磁学

除去自由电流和各种含时效应,描述磁现象的麦克斯韦方程组约化为

应用类比方法,与静电学问题类比:

静磁学的问题可以用静电学的方法来解析。在这里, 项目类比于 项目。

磁化动力学

当思考奈米尺寸和奈米时段的磁化作用时,含时磁化物理行为变得很重要。不单只是依著外磁场的磁场线排列,在物质内的单独的磁偶极矩会开始绕着外磁场进动,通过弛豫,缓慢地随着能量传输进入物质结构,达成与磁场线排列。

磁性物质

各种不同磁性的级列。[1]
各种不同磁性的级列。[1]

抗磁性

抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向,因此,会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是,对于具有顺磁性的物质,顺磁性通常比较显著,遮掩了抗磁性。[2] 只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如,惰性气体元素和抗腐蚀金属元素(等等)都具有显著的抗磁性。[3] 当外磁场存在时,抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除,则抗磁性也会遁隐形迹。

在具有抗磁性的物质里,所有电子都已成对,内秉电子磁矩不能集成宏观效应。抗磁性的机制是电子轨域运动,用经典物理理论解释如下:[4]

由于外磁场的作用,环绕着原子核的电子,其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动,从而产生额外电流与伴随的额外磁矩。这额外磁矩与外磁场呈相反方向,抗拒外磁场的作用。由这机制所带来的磁化率与温度无关,以方程表达为
其中,磁常数 是原子数量密度,原子序 是电子质量, 是轨道半径。 的量子力学平均值。

特别注意,这解释只能用来启发思考。正确的解释需要依赖量子力学

顺磁性

对于顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质,磁化率与温度之间的理论关系。[4]
对于顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质,磁化率与温度之间的理论关系。[4]

碱金属元素和除了以外的过渡元素都具有顺磁性。[3]在顺磁性物质内部,由于原子轨域或分子轨域只含有奇数个电子,会存在有很多未配对电子。遵守泡利不相容原理,任何配对电子的自旋,其磁矩的方向都必需彼此相反。未配对电子可以自由地将磁矩指向任意方向。当施加外磁场时,这些未配对电子的磁矩趋于与外磁场呈相同方向,从而使磁场更加强烈。假设外磁场被撤除,则顺磁性也会消失无踪。

一般而言,除了金属物质以外,[3]顺磁性与温度相关。由于热骚动(thermal agitation)造成的碰撞会影响磁矩整齐排列,温度越高,顺磁性越微弱;温度越低,顺磁性越强烈。

在低磁场,足够高温的状况,[注 1]根据居里定律Curie's law),磁化率 与绝对温度 的关系式为[4]

其中, 是依不同物质而定的居里常数Curie constant)。

铁磁性

磁化强度(竖轴)与H场(横轴)之间的磁滞回路关系。
磁化强度(竖轴)与H场(横轴)之间的磁滞回路关系。

在铁磁性物质内部,如同顺磁性物质,有很多未配对电子。由于交换作用exchange interaction),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。由于铁磁性物质内部又分为很多磁畴,虽然磁畴内部所有电子的自旋会单向排列,造成“饱合磁矩”,磁畴与磁畴之间,磁矩的方向与大小都不相同。所以,未被磁化的铁磁性物质,其净磁矩与磁化向量都等于零。

假设施加外磁场,这些磁畴的磁矩还趋于与外磁场呈相同方向,从而形成有可能相当强烈的磁化向量与其感应磁场。 随着外磁场的增高,磁化强度也会增高,直到“饱和点”,净磁矩等于饱合磁矩。这时,再增高外磁场也不会改变磁化强度。假设,现在减弱外磁场,磁化强度也会跟着减弱。但是不会与先前对于同一外磁场的磁化强度相同。磁化强度与外磁场的关系不是一一对应关系。磁化强度比外磁场的曲线形成了磁滞回线

假设再到达饱和点后,撤除外磁场,则铁磁性物质仍能保存一些磁化的状态,净磁矩与磁化向量不等于零。所以,经过磁化处理后的铁磁性物质具有“自发磁矩”。

每一种铁磁性物质都具有自己独特的居里温度。假若温度高过居里温度,则铁磁性物质会失去自发磁矩,从有序的“铁磁相”转变为无序的“顺磁相”。这是因为热力学的无序趋向,大大地超过了铁磁性物质降低能量的有序趋向。根据居里-外斯定律Curie-Weiss law),磁化率 与绝对温度 的关系式为[4]

其中,居里温度(采用绝对温度单位)。

假设温度低于居里温度,则根据实验得到的经验公式,

其中, 是磁化强度差, 是物质分别在绝对温度 的磁化强度, 是依物质而定的比例常数。

这与布洛赫温度1.5次方定律(Bloch T3/2 law)的理论结果一致。

与它们的合金化合物等等,这些常见的铁磁性物质很容易做实验显示出其铁磁性。

反铁磁性

反铁磁性的有序排列
反铁磁性的有序排列

在反铁磁性物质内部,相邻价电子的自旋趋于相反方向。这种物质的净磁矩为零,不会产生磁场。这种物质比较不常见,大多数反铁磁性物质只存在于低温状况。假设温度超过奈尔温度,则通常会变为具有顺磁性。例如,、轻镧系元素等等,都具有反铁磁性。

当温度高于奈尔温度 时,磁化率 与温度 的理论关系式为[4]

做实验得到的经验关系式为

其中, 是依物质而定的常数,与 差别很大。

理论而言,当温度低于奈尔温度 时,可以分成两种状况:[5]

  • 假设外磁场垂直于自旋,则垂直磁化率近似为常数
  • 假设外磁场平行于自旋,则在绝对温度0K时,平行磁化率为零;在从0K到奈尔温度 之间,平行磁化率会从 平滑地单调递增至

亚铁磁性

亚铁磁性的有序排列
亚铁磁性的有序排列

像铁磁性物质一样,当磁场不存在时,亚铁磁性物质仍旧会保持磁化不变;又像反铁磁性物质一样,相邻的电子自旋指向相反方向。这两种性质并不互相矛盾,在亚铁磁性物质内部,分别属于不同次晶格的不同原子,其磁矩的方向相反,数值大小不相等,所以,物质的净磁矩不等于0,磁化强度不等于零,具有较微弱的铁磁性。

由于亚铁磁性物质是绝缘体。处于高频率时变磁场的亚铁磁性物质,由于感应出的涡电流很少,可以允许微波穿过,所以可以做为像隔离器(isolator)、循环器(circulator)、回旋器(gyrator)等等微波器件的材料。

由于组成亚铁磁性物质的成分必需分别具有至少两种不同的磁矩,只有化合物或合金才会表现出亚铁磁性。常见的亚铁磁性物质有磁铁矿(Fe3O4)、铁氧体(ferrite)等等

超顺磁性

当铁磁体或亚铁磁体的尺寸足够小的时候,由于热骚动影响,这些奈米粒子会随机地改变方向。假设没有外磁场,则通常它们不会表现出磁性。但是,假设施加外磁场,则它们会被磁化,就像顺磁性一样,而且磁化率超大于顺磁体的磁化率。

参阅

注释

  1. ^ 更确切地说,当 时,居里定律成立;其中, 是磁矩,玻尔兹曼常数

参考文献

  1. ^ HP Meyers. Introductory solid state physics 2. CRC Press. 1997: 362; Figure 11.1. ISBN 0748406603. 
  2. ^ Catherine Westbrook, Carolyn Kaut, Carolyn Kaut-Roth. MRI (Magnetic Resonance Imaging) in practice 2. Wiley-Blackwell. 1998: 217. ISBN 0632042052. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Chen, Chih-Wen, Magnetism and metallurgy of soft magnetic materials, Courier Dover Publications: pp. 1, 7–8, 12, 1977, ISBN 9780486649979 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Kittel, Charles. Introduction to Solid State Physics 6th. John Wiley & Sons. 1986: pp. 299–302, 323–324, 330–335, 340–344, 351–352. ISBN 0-471-87474-4. 
  5. ^ Chikazumi, Sōshin; Chad Graham. Physics of ferromagnetism 2nd. Oxford University Press. 2009: 140-142. ISBN 9780199564811. 
{{bottomLinkPreText}} {{bottomLinkText}}
磁化强度
Listen to this article

This browser is not supported by Wikiwand :(
Wikiwand requires a browser with modern capabilities in order to provide you with the best reading experience.
Please download and use one of the following browsers:

This article was just edited, click to reload
This article has been deleted on Wikipedia (Why?)

Back to homepage

Please click Add in the dialog above
Please click Allow in the top-left corner,
then click Install Now in the dialog
Please click Open in the download dialog,
then click Install
Please click the "Downloads" icon in the Safari toolbar, open the first download in the list,
then click Install
{{::$root.activation.text}}

Install Wikiwand

Install on Chrome Install on Firefox
Don't forget to rate us

Tell your friends about Wikiwand!

Gmail Facebook Twitter Link

Enjoying Wikiwand?

Tell your friends and spread the love:
Share on Gmail Share on Facebook Share on Twitter Share on Buffer

Our magic isn't perfect

You can help our automatic cover photo selection by reporting an unsuitable photo.

This photo is visually disturbing This photo is not a good choice

Thank you for helping!


Your input will affect cover photo selection, along with input from other users.