磁介质

磁介质概念

如果某种物质在磁场作用下表现出磁性，那么我们就将它称作是一种磁介质。物质在外磁场作用下表现出磁性的现象称为磁化。所有物质都能磁化，故都是磁介质。

磁介质使实物物质处于一种特殊状态，从而改变原来磁场的分布。这种在磁场作用下，其内部状态发生变化，并反过来影响磁场存在或分布的物质，称为磁介质。磁介质在磁场作用下内部状态的变化叫做磁化。磁场强度与磁通密度间的关系决定于所在之处磁介质的性质。这种性质来源于物质内分子、原子和电子的性状及其相互作用，有关理论属于固体物理学的重要内容。

在无外磁场时抗磁体分子的固有磁矩为零，外加磁场后，由于电磁感应每个分子感应出与外磁场方向相反的磁矩，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向相反，此性质称为抗磁性。顺磁体分子的固有磁矩不为零，在无外磁场时，由于热运动而使分子磁矩的取向作无规分布，宏观上不显示磁性。在外磁场作用下，分子磁矩趋向于与外磁场方向一致的排列，所产生的附加磁场在介质内部与外磁场方向一致，此性质称为顺磁性。介质磁化后的特点是在宏观体积中总磁矩不为零，单位体积中的总磁矩称为磁化强度。

磁介质分类

按磁化机构的不同，磁介质可分为顺磁体、抗磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体五大类。

1、顺磁体

顺磁体物质的原子轨道只有部分填充电子，故原子有净磁矩。铁原子是没充满的典型原子。如这些原子间又没有相互作用，无外场时，整体的磁化强度为零（因每个原子磁矩混乱取向）。外加磁场时，原子磁矩部分取向；顺磁体的磁化强度随磁场增大而增大。故磁化率是正的。数学表达式为： M=xH； x>0，但x随温度升高而下降。这是温度使每个原子磁矩倾向于混乱的原故。x(T)随温度的变化，称居里定律。顺磁物质磁化率的单位和抗磁的相同。粘土：x=13；富铁粘土：x=65；黑云母：x=79 等是顺磁性的物质。

2、抗磁性体

所有材料都具有抗磁性，虽然抗磁性都很弱。抗磁物质由无净磁矩的原子（即原子所有轨道层都充满电子；没有不成对的电子）它只有原子的电子绕轨道运动产生的磁矩。在磁场作用下，电子受到罗仑兹力作用，使电子绕轨道运动的面积减少；等效于产生与磁场方向相反的磁矩。故称为抗磁性。材料在磁场作用下所产生的磁化强度 M=xH；这里x 称为磁化率； H 是外加磁场。因此，抗磁物质的磁化率 x 是负的。x与温度无关。

3、铁磁体

铁磁体的原子都有剩磁矩，而且它们间相互交换作用十分强（来自电子间的交换力），引起原子磁矩平行取向。交换是由于二个电子自旋的相对取向所造成的交换力，是量子力学效应。这种力很强；它相当于1000 Tesla磁场的量级。或近似100 万倍地磁场的大小。铁磁在无外磁场都有一净磁化强度。Fe，Ni，Co 及其合金是铁磁性的典型物质。

它有三个特性：

（1）自发磁化强度（由自旋磁矩的大小决定）；

（2）有一磁有序温度（居里温度）；在此温度之上，变成磁无序（顺磁性）

（3）磁场去后，铁磁物质还保留剩余磁化强度（有磁滞）。顺磁与铁磁的主要性能比较：顺磁磁化达饱和所需外场为10Tesla，铁磁只需1Tesla。

4、反铁磁性体

反铁磁介质内，二种磁次晶格原子的磁矩的交换作用是负的，使得每个原子的磁矩方向都与其近邻的每个原子的磁矩方向反平行，如果磁介质内二种次磁晶格的磁矩完全相等，则整体的净磁矩为零。这种类型的磁有序，称为反铁磁性。它从零度至涅尔温度之间的磁化率与顺磁性的相近；在涅尔温度时Z大。

反铁磁磁介质一般为过渡金属化合物，特别是氧化物。比较多的括，赤铁矿，铬，铁锰合金和镍的氧化物(NiO)等。

5、超顺磁性体

把铁磁或亚铁介质粉碎成纳米尺寸的颗粒，其在磁场下的行为称超顺磁性。因为这些纳米磁性颗粒都各自有磁矩，但在温度的热运动下，它们是混乱取向的，在外磁场作用下，会形成一定的磁化强度。其行为类似顺磁性，但其磁化率则与铁磁或亚铁磁性的介质相近。

综合上面六类磁介质的性质看；六类中，只有抗磁性一种介质的原子没有剩余磁矩。其余五种磁介质的原子都有剩余磁矩。但顺磁介质内的原子没有磁有序。其余的铁磁，亚铁磁，反铁磁和超顺磁介质的原子都有磁有序结构。

磁介质的磁化

实验表明，磁化强度与磁场强度成正比，比例系数χm称为磁化率。抗磁体和顺磁体的磁性都很弱，即cm很小，属弱磁性物质。抗磁体的cm为负值，与磁场强度无关，也不依赖于温度。顺磁体的cm为正值，也与磁场强度无关，但与温度成反比，即 cm =C/T，C称为居里常数，T为热力学温度，此关系称为居里定律。

铁磁体在低于一定温度Tc时，内部存在许多自发磁化的小区域，称为磁畴，磁畴具有磁有序结构，同一磁畴内分子磁矩同向。无外磁场时不同磁畴的取向作无规分布，宏观上不显示磁性；在外磁场作用下磁畴转向，宏观体积内的总磁矩不为零，内部可产生与外磁场方向一致的、比外磁场要强得多的附加磁场。外磁场撤去后仍保留部分磁化强度。铁磁体还具有磁滞现象（见铁磁性）。铁磁体属强磁物质，是应用Z广的磁介质。