磁介質

物質放在磁場中，能影響磁場的大小和分佈的叫媒介物。又稱磁介質。外加磁場強度與磁介質內磁通密度之間的關係由磁介質的性質決定。而磁介質的性質是由它內部的分子、原子和電子的性質以及它們的相互作用和介質的晶體結構所決定。根據物質的性能，可分為六大類磁介質：1.抗磁性；2.順磁性；3.鐵磁性；4.亞鐵磁性；5.反鐵磁性和 6.超順磁性。物質之所以形成這些性質的有關理論屬於固體物理學的重要部分。

磁導率是表徵磁介質的一個重要參數。磁介質磁化的物理過程可用A.-M.安培提出的分子電流概念做出概略的說明；每一個原子（電子）有剩餘電流而產生原子或電子磁矩，這些磁矩在外磁場作用下，轉向磁場的方向，這個過程就是磁介質的磁化過程。左上圖表示，抗磁性磁介質在外磁場作用下，每個原子的磁矩方向都與磁場方向相反，故稱為抗磁性。

現在，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：.

抗磁性是所有材料都具有的。雖然它很弱。抗磁物質由無凈磁矩的原子（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（見上左圖）。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。x的單位是：10負八次方乘m的三次方/Kg..SiO2, x=-0.62 ; CaCo3 x=-0.48 ; H2O x=-0.9 等都是抗磁物質。

這類物質的原子軌道只有部分填充電子，故原子有凈磁矩。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凈磁化強度。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），磁場去后，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. 順磁的磁化率為～50；而鐵磁的則為1000-10000（單位如上）。

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，使整體物質有一凈磁矩。此凈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，則整體的凈磁矩為零。這種類型的磁有序，稱為反鐵磁性。它從零度至涅爾（Neel)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。

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。