磁性的起源和常见磁性材料应用

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1、磁性的起源和常见磁性材料应用陈阳，王皓，徐航，信跃龙磁性，在很久以前就引起了人们的兴趣。早在3000多年前，中国人就发现了自然界中存在一种磁石，它们可以相互吸引或吸引铁石。人们以丰富地想象力将此现象比喻为母亲慈爱地对待幼儿，《吕氏春秋·季秋记》中就有“慈石召铁，或引之也”的记述。现今汉语中的“磁”字就来源于当时的“慈”。中国古代的四大发明之一的指南针就是中国古代人民很早就开始利用磁性的实例。我们知道，所谓磁石其实也就是铁矿石（一般为磁铁矿Fe3O4）。我们也知道，铁会被磁铁吸引而且会被磁铁磁化。那么，它们为什么会有磁性或会被磁化？磁性到底是怎样产生的

2、呢？为了解释物质的宏观磁性的性质，我们从原子着手来考察一下磁性的来源。一、磁性的起源“结构决定性质”。磁性当然也是由物质原子内部结构决定的。原子结构与磁性的关系可以归纳为：（1）原子的磁性来源于电子的自旋和轨道运动；（2）原子内具有未被填满的电子是材料具有磁性的必要条件；（3）电子的“交换作用”是原子具有磁性的根本原因。1.电子磁矩的产生原子磁性是磁性材料的基础，而原子磁性来源于电子磁矩。电子的运动是产生电子磁矩的根源，电子有绕原子核旋转的运动和自身旋转的运动，因此电子磁矩也是由电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩两部分组成的。按照波尔的原子轨道理论，原子

3、内的电子是围绕着原子核在一定轨道上运动的。电子沿轨道的运动，相当于一个圆电流，相应得就会产生轨道磁矩。原子中的电子轨道磁矩平面可以取不同方向，但是在定向的磁场中，电子轨道只能去一定的几个方向，也就是说轨道的方向是量子化的。由电子电荷的自旋所产生的磁矩就称为电子自旋磁矩。在外磁场作用下，自旋磁矩只可能与轨道磁矩平行或反平行。很多磁性材料中，电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大。这是因为在晶体中，电子的轨道磁矩要受晶格场的作用，它的方向是改变的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁矩。这也即一般所谓的轨道动量矩和轨道磁矩的“猝灭”或“冻结”。所以很多固态物质的磁性

4、主要不是由电子轨道磁矩引起的，而来源于电子自旋磁矩。当然这里还会有原子核的自旋磁矩，但一般都比电子自旋磁矩小得多（相差三个数量级），因此可以忽略不计了。2.原子的磁矩在原子中，由泡利不相容原理，原子中不可能有两个电子处于同一状态。又一个轨道中最多容纳两个电子，所以当一个轨道被电子填满，其中的电子对必然自旋相反，那么它们的电子自旋磁矩会互相抵消。要想让原子对外形成磁矩，则必须有未被填满的电子轨道。当然从实例中我们很容易可以看出，这只是一个必要条件。像Cu、Cr、V和大量镧系金属都有未被电子填满的轨道，但它们都不会显示出磁性（具体指铁磁性）。3.磁性分类

5、在讨论电子的交换作用前，我们还是先来看一下物质的宏观磁性的表现。按照原子磁矩的作用互相叠加后在宏观上所表现出磁性的不同，磁性材料可以分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。1）抗磁性抗磁性是指没有磁场作用时，电子壳层被充满的原子的磁矩等于零，或者有些分子的总磁矩为零，不表现宏观磁性。但在磁场作用下，电子的轨道运动将产生一个附加运动，出现一个与外磁场方向相反但++2+数值很小的感应磁矩。这种现象就被称为抗磁性。像Na、K、Ca、--F、Cl等都是常见的抗磁性物质。2）顺磁性顺磁性是指原子都有未被抵消的磁矩，原子具有总磁矩，但是由于原子磁矩方向是

6、混乱的，对外作用互相抵消，也不表现为宏观磁性。但在外加磁场的作用下，每个原子磁矩处于顺着外加磁场的时间较多，而处于与外磁场方相反的时间较少，宏观上能显示出极弱的磁性，事实上，这样物质也就磁化了。实验表明，温度越高，顺磁性物质的磁化率就越低。这是因为热运动破坏了原子磁矩的规则取向，温度越高，原子的热运动能量越大，要使原子磁性转向外加磁场越难，于是磁化率就越低。3）铁磁性铁磁性是指临近原子由于互相作用，在加上外磁场时，能使磁矩趋向于外磁场方向而整齐排列的现象。一般铁磁性物质即使在较弱的磁场内也可得到很高的磁化强度；在外磁场移去后，仍可保留较强磁性。为什么

7、铁磁性物质能够在很弱的磁场下磁化达到饱和呢？这是因为这些物质内部的原子磁矩，在没有外加磁场的作用下，已经以某种方式整齐排列达到一定程度的磁化，也就是一般所谓的自发磁化。这种自发磁化是分为小区域的，在每一个小区域中，原子磁矩按同一方向平行排列。这些小区域就被称为磁畴。在物质内部各个磁畴的自发磁化取向是各不相同的，对外效果互相抵消，所以整个物质对外仍不呈现出磁性。也即相当于铁磁性物质是由一个个小的“磁铁”按不规则的方式组成的，在统计规律下对外没有磁性，但当有一个外力（外磁场）将每个“小磁铁”的极性摆到相同的方向，即对外表现出强磁性。铁磁性物质内部所存在的

8、磁畴得自发磁化是铁磁性的重要原因。这就可以解释为何“原子内具有未被填满的电子”只是物质具有磁性的必要条件了。