磁性

早在1820年，丹麥科學家奧斯特就發現了電流的磁效應，第一次揭示了磁與電存在著聯繫，從而把電學和磁學聯繫起來。

為了解釋永磁和磁化現象，安培提出了分子電流假說。安培認為，任何物質的分子中都存在著環形電流，稱為分子電流，而分子電流相當一個基元磁體。當物質在宏觀上不存在磁性時，這些分子電流做的取向是無規則的，它們對外界所產生的磁效應互相抵消，故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下，等效於基元磁體的各個分子電流將傾向於沿外磁場方向取向，而使物體顯示磁性。

磁現象和電現象有本質的聯繫。物質的磁性和電子的運動結構有著密切的關係。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念，是把電子看成一個帶電的小球，他們認為，與地球繞太陽的運動相似，電子一方面繞原子核運轉，相應有軌道角動量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉，具有自旋角動量和相應的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩。（人們認為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉動是不正確的。）

電子繞原子核作圓軌道運轉和繞本身的自旋運動都會產生電磁以太的渦旋而形成磁性，人們常用磁矩來描述磁性。因此電子具有磁矩，電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中，電子的軌道磁矩受晶格的作用，其方向是變化的，不能形成一個聯合磁矩，對外沒有磁性作用。因此，物質的磁性不是由電子的軌道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每個電子自旋磁矩的近似值等於一個波爾磁子。是原子磁矩的單位， 。因為原子核比電子重2000倍左右，其運動速度僅為電子速度的幾千分之一，故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾，可以忽略不計。

孤立原子的磁矩決定於原子的結構。原子中如果有未被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。例如，鐵原子的原子序數為26，共有26個電子，在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個電子（自旋反平行）外，其餘4個軌道均只有一個電子，且這些電子的自旋方向平行，由此總的電子自旋磁矩為4 。

簡單說來，磁性是物質放在不均勻的磁場中會受到磁力的作用。在相同的不均勻磁場中，由單位質量的物質所受到的磁力方向和強度，來確定物質磁性的強弱。因為任何物質都具有磁性，所以任何物質在不均勻磁場中都會受到磁力的作用。

在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道，物質之間存在萬有引力，它是一種引力場。磁場與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱。單位截面上穿過的磁力線數目稱為磁通量密度。

運動的帶電粒子在磁場中會受到一種稱為洛倫茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場中所受到洛侖磁力的大小來確定磁場強度的高低。特斯拉是磁通密度的國際單位制單位。磁通密度是描述磁場的基本物理量，而磁場強度是描述磁場的輔助量。特斯拉(Tesla，N)(1886~1943)是克羅埃西亞裔美國電機工程師，曾發明變壓器和交流電動機。

物質的磁性不但是普遍存在的，而且是多種多樣的，並因此得到廣泛的研究和應用。近自我們的身體和周邊的物質，遠至各種星體和星際中的物質，微觀世界的原子、原子核和基本粒子，宏觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性。

一般說來，物質的磁性可以分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性。

1． 抗磁性

當磁化強度M為負時，固體表現為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質。在外磁場中，這類磁化了的介質內部的磁感應強度小於真空中的磁感應強度M。抗磁性物質的原子（離子）的磁矩應為零，即不存在永久磁矩。當抗磁性物質放入外磁場中，外磁場使電子軌道改變，感生一個與外磁場方向相反的磁矩，表現為抗磁性。所以抗磁性來源於原子中電子軌道狀態的變化。抗磁性物質的抗磁性一般很微弱，磁化率H一般約為-10^-5，為負值。

2． 順磁性

順磁性物質的主要特徵是，不論外加磁場是否存在，原子內部存在永久磁矩。但在無外加磁場時，由於順磁物質的原子做無規則的熱振動，宏觀看來，沒有磁性；在外加磁場作用下，每個原子磁矩比較規則地取向，物質顯示極弱的磁性。磁化強度與外磁場方向一致，

為正，而且嚴格地與外磁場H成正比。

順磁性物質的磁性除了與H有關外，還依賴於溫度。其磁化率H與絕對溫度T成反比。

式中，C稱為居里常數，取決於順磁物質的磁化強度和磁矩大小。

順磁性物質的磁化率一般也很小，室溫下H約為10^-5。一般含有奇數個電子的原子或分子，電子未填滿殼層的原子或離子，如過渡元素、稀土元素、鋼系元素，還有鋁鉑等金屬，都屬於順磁物質。

3． 鐵磁性

對諸如Fe、Co、Ni等物質，在室溫下磁化率可達10^-3數量級，稱這類物質的磁性為鐵磁性。

鐵磁性物質即使在較弱的磁場內，也可得到極高的磁化強度，其磁化率為正值，但當外場增大時，由於磁化強度迅速達到飽和，其H變小。

鐵磁性物質具有很強的磁性，主要起因於它們具有很強的內部交換場。鐵磁物質的交換能為正值，而且較大，使得相鄰原子的磁矩平行取向（相應於穩定狀態），在物質內部形成許多小區域——磁疇。每個磁疇大約有1015個原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列，假設晶體內部存在很強的稱為“分子場”的內場，“分子場”足以使每個磁疇自動磁化達飽和狀態。這種自生的磁化強度叫自發磁化強度。由於它的存在，鐵磁物質能在弱磁場下強列地磁化。因此自發磁化是鐵磁物質的基本特徵，也是鐵磁物質和順磁物質的區別所在。

鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現出來，超過這一溫度，由於物質內部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向，因而自發磁化強度變為0，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點。在居里點以上，材料表現為強順磁性，其磁化率與溫度的關係服從居里——外斯定律，

式中C為居里常數。

4． 反鐵磁性

反鐵磁性是指由於電子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自發磁化強度，電子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發磁化強度大小相同，方向相反，整個晶體。反鐵磁性物質大都是非金屬化合物，如MnO。

不論在什麼溫度下，都不能觀察到反鐵磁性物質的任何自發磁化現象，因此其宏觀特性是順磁性的，M與H處於同一方向，磁化率 為正值。溫度很高時，極小；溫度降低，逐漸增大。在一定溫度 時，達最大值。稱 為反鐵磁性物質的奈爾溫度。對奈爾點存在 的解釋是：在極低溫度下，由於相鄰原子的自旋完全反向，其磁矩幾乎完全抵消，故磁化率 幾乎接近於0。當溫度上升時，使自旋反向的作用減弱，增加。當溫度升至奈爾點以上時，熱騷動的影響較大，此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。

5． 亞鐵磁性

亞鐵磁性是指有兩套子晶格的形成的磁性材料。不同子晶格的磁矩方向和反鐵磁一樣，但是不同子晶格的磁化強度不同，不能完全抵消掉，所以有剩餘磁矩，稱為亞鐵磁。反鐵磁性物質大都是合金，如TbFe合金。亞鐵磁也有從亞鐵磁變為順磁性的臨界溫度，稱為居里溫度。

認識磁體的性質和磁極間的相互作用以及磁化現象。

人造磁體（條形、針形、蹄形、棒形磁鐵），鐵屑、大頭針，玻璃板，木板，玻璃管，支架，支座，鐵棒，小銅片（或銅粉）。

1．把磁體放到鐵屑（或大頭針）里，然後把它拿出來，磁體能吸引鐵屑（或大頭針）如圖3．22－1所示。

2．磁體隔著某些物質（如木板、玻璃）放到鐵屑（或大頭針）里，磁體仍有吸鐵現象。

3．把磁體放到木屑或銅片（粉）內。磁體不能把木屑或銅片吸起來。

觀察重點：磁體兩端吸引起很多鐵屑或大頭針，而不能吸引起木屑或銅片（粉）等物質。

結論：磁體兩端磁性最強，稱為磁極。能夠被磁鐵吸引的物質叫鐵磁性物質。

編者提示：本小實驗可輔以“電磁學”部分的物理實驗教學，以此培養和提高學生的實驗能力和素養。

磁性材料具有磁有序的強磁性物質，廣義還包括可應用其磁性和磁效應的弱磁性及反鐵磁性物質。磁性是物質的一種基本屬性。物質按照其內部結構及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質。鐵磁性和亞鐵磁性物質為強磁性物質，抗磁性和順磁性物質為弱磁性物質。磁性材料按性質分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，後者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲線、磁滯回線和磁損耗等。

1．永磁材料

永磁材料一經外磁場磁化以後，即使在相當大的反向磁場作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對這類材料的要求是剩餘磁感應強度Br高，矯頑力BHC(即磁性材料抗退磁能力)強，磁能積(BH)(即給空間提供的磁場能量)大。相對於軟磁材料而言，它亦稱為硬磁材料。

永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類。①合金類：包括鑄造、燒結和可加工合金。鑄造合金的主要品種有:AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCo(V)(W)；燒結合金有：Re－Co（Re代表稀土元素）、Re－Fe以及AlNi（Co）、FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo、PtCo、MnAlC、CuNiFe和AlMnAg等，后兩種中BHC較低者亦稱半永磁材料。②鐵氧體類：主要成分為MO·6,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等複合組分。③金屬間化合物類：主要以MnBi為代表。

永磁材料有多種用途：①基於電磁力作用原理的應用主要有：揚聲器、話筒、電錶、按鍵、電機、繼電器、感測器、開關等。②基於磁電作用原理的應用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基於磁力作用原理的應用主要有：磁軸承、選礦機、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標牌、密碼鎖、複印機、控溫計等。其他方面的應用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。

根據使用的需要，永磁材料可有不同的結構和形態。有些材料還有各向同性和各向異性之別。

2．軟磁材料

它的功能主要是導磁、電磁能量的轉換與傳輸。因此，對這類材料要求有較高的磁導率和磁感應強度，同時磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但飽和磁感應強度Bs則越大越好。

軟磁材料的一種——鐵粉芯

軟磁材料大體上可分為四類。①合金薄帶或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶態合金薄帶：Fe基、Co基、FeNi基或FeNiCo基等配以適當的Si、B、P和其他摻雜元素，又稱磁性玻璃。③磁介質（鐵粉芯）:FeNi(Mo)、FeSiAl、羰基鐵和鐵氧體等粉料，經電絕緣介質包覆和粘合后按要求壓製成形。④鐵氧體：包括尖晶石型──MO· (M 代表NiZn、MnZn、MgZn、CaZn等),磁鉛石型──Ba3Me2Fe24O41(Me代表Co、Ni、Mg、Zn、Cu及其複合組分)。

軟磁材料的應用甚廣，主要用於磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機、繼電器、振動子、電視偏轉軛、電纜、延遲線、感測器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場探頭、磁性基片、磁場屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件(如磁熱材料作開關)等。

3．矩磁材料和磁記錄材料

主要用作信息記錄、無接點開關、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點是磁滯回線呈矩形。

4．旋磁材料

具有獨特的微波磁性，如導磁率的張量特性、法拉第旋轉、共振吸收、場移、相移、雙折射和自旋波等效應。據此設計的器件主要用作微波能量的傳輸和轉換，常用的有隔離器、環行器、濾波器（固定式或電調式）、衰減器、相移器、調製器、開關、限幅器及延遲線等，還有尚在發展中的磁表面波和靜磁波器件（見微波鐵氧體器件）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等鐵氧體材料；並可按器件的需要製成單晶、多晶、非晶或薄膜等不同的結構和形態。

5．壓磁材料

這類材料的特點是在外加磁場作用下會發生機械形變，故又稱磁致伸縮材料，它的功能是作磁聲或磁力能量的轉換。常用於超聲波發生器的振動頭、通信機的機械濾波器和電脈衝信號延遲線等，與微波技術結合則可製作微聲（或旋聲）器件。由於合金材料的機械強度高，抗振而不炸裂，故振動頭多用Ni系和NiCo系合金；在小信號下使用則多用Ni系和NiCo系鐵氧體。非晶態合金中新出現的有較強壓磁性的品種，適宜於製作延遲線。壓磁材料的生產和應用遠不及前面四種材料。

磁性材料的應用——變壓器

磁性材料是生產、生活、國防科學技術中廣泛使用的材料。如製造電力技術中的各種電機、變壓器，電子技術中的各種磁性元件和微波電子管，通信技術中的濾波器和增感器，國防技術中的磁性水雷、電磁炮，各種家用電器等。此外，磁性材料在地礦探測、海洋探測以及信息、能源、生物、空間新技術中也獲得了廣泛的應用。磁性材料的用途廣泛。主要是利用其各種磁特性和特殊效應製成元件或器件；用於存儲、傳輸和轉換電磁能量與信息，或在特定空間產生一定強度和分佈的磁場；有時也以材料的自然形態而直接利用(如磁性液體)。磁性材料在電子技術領域和其他科學技術領域中都有重要的作用。