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  • 1 # 物理思維

    材料放到磁場中,材料本身會被磁化。假設外磁場是H,材料磁化強度是M,我們定義磁化率為χ:

    磁化可看做是材料對外加磁場作出的反應。

    所有材料都具有抗磁性,對抗磁性來說,χ<0,即材料對外加磁場作出的反應是“逆著來”,如果把抗磁性材料放到強磁場中,我們能觀察到有趣的懸浮現象。

    抗磁材料的磁懸浮現象。

    抗磁性可解釋為材料中的電子對外加磁場作出的反應,材料中的電子有束縛電子和自由電子,前者適用於郎之萬抗磁性理論(一種經典框架下的理論),後者適用於朗道抗磁性理論。

    一般來說抗磁性是非常弱的。比如說銅(Cu)就是一種抗磁性材料,

    由於銅是抗磁材料,磁鐵自然沒法吸引銅,當然我們一般也感覺不到磁鐵對銅的排斥作用,因為χ實在是太小了。

    除抗磁性外還有順磁性,對順磁性來說,χ>0,原則上來說順磁性材料放到磁鐵附近是要受到吸引力的,但可惜的是順磁性一般都很弱,χ只有百萬分之一到千分之一,比如鋁(Al)就是一種順磁材料,

    這個磁化率太小了,所以磁鐵也吸引不起鋁塊,因為這個吸引力遠遠小於鋁塊本身的重力。

    抗磁性,順磁性和反鐵磁性都是所謂的弱磁性,鐵磁性和亞鐵磁性是強磁性,磁鐵能夠吸引起鐵塊,是因為鐵(Fe)是鐵磁材料,鐵的磁化率很大,

    物質磁性的起源是原子中電子的軌道磁矩和自旋磁矩,單個原子的總磁矩即便不為0,但由於它們本身是雜亂無章排列的,所以對外不顯示出磁性,而鐵磁和亞鐵磁材料(還有反鐵磁材料,反鐵磁材料原子的磁矩是正反向交替排列的,所以也不對外體現磁性)中存在著相鄰原子上電子間的交換作用,這些交換作用使得相鄰的磁矩平行排列或反平行排列,進而形成磁疇(整個區域內磁矩都是有序排列的)。

    這樣的機制對順磁材料來說是沒有的,因為電子在順磁材料內交換積分為0,順磁材料內部是原子磁矩雜亂無章的排列,單個原子的磁矩很小,導致原子磁矩在磁場中的能量太小,很難與熱擾動的能量kT匹敵。因此,順磁材料的磁化率很小。

    順磁性示意圖

    與之相對,鐵磁材料中存在磁疇,磁疇內原子的磁矩由於交換作用已經是定向排列的了,這樣磁疇順著磁場排列導致的能量降低將明顯大於熱擾動的能量。這是為什麼鐵磁材料具有很大磁化率的原因。

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