磁化强度

----更新时间:2022-07-05

在这篇文章内,矢量与标量分别用粗体与斜体显示。例如,位置矢量通常用表示;而其大小则用来表示。

磁化强度(英语:magnetization),又称磁化矢量,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,是磁偶极子密度,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,可以以矢量表示,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。

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、电势移、电荷密度和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,是磁常数

对于抗磁性物质和顺磁性物质,与之间的关系通常是线性关系:

其中,是磁化率

由于迟滞现象,铁磁性物质的与之间并不存在一一对应关系。

磁化电流

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矢量。

在麦克斯韦方程组内的总电流为

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

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。 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(金、银、铜等等)都具有显著的抗磁性。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:

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,是磁常数, N是原子数量密度,是原子序,是电子质量,是轨道半径。是的量子力学平均值。

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

碱金属元素和除了铁、钴、镍以外的过渡元素都具有顺磁性。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,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,根据居里定律(Curie's law),磁化率与绝对温度的关系式为

其中,是依不同物质而定的居里常数(Curie constant)。

铁磁性

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,其净磁矩与磁化矢量都等于零。

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矢量与其感应磁场。 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,净磁矩与磁化矢量不等于零。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

其中,是居里温度(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,与是物质分别在绝对温度与的磁化强度,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。

镍、铁、钴、钆与它们的合金、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

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,铬、锰、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

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:

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

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

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。