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磁性和磁性材料的分類
所有的物質具有磁性,但并不是所有的物質都能作為磁件材料來應用。有些物質具有
很強的磁性,而大部分物質磁性很弱,因此實際上只有很少一部分物質能夠作為磁件材料來應用。并且磁性材料發展到今天,已出現一大批磁性體和磁性器件,其品種繁多,功能各異。
因此有必要把物質磁性和各種磁性材料進行分類。
物質的磁性分類
按照磁體磁化時磁化率的大小和符號,可以將物質的磁性分為五個種類:抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性。
(1)抗磁性 是在外磁場的作用下,原子系統獲得與外磁場方向反向的磁矩的現象。它
是種微弱磁性,相應的物質被稱為抗磁牲物質。其磁化率χd為負值且很小,-般在10-5數量級。抗磁性材料χd的大小與溫度、磁場均無關,其磁化曲線為一直線。抗磁性物質包括惰性氣體、部分有機化合物、部分金屬和非金屬等。
(2)順磁性 一些物質在受到外磁場作用后,感生出與外磁場同向的磁化強度,其磁化
率χp>0,但數值很小,僅為10-6~10-3數量級,這種磁性稱為順磁性。順磁性物質的χp與溫度T有密切關系,服從居里一外斯定律,即
χp |
= |
C |
T- Tp |
式中,C為居里常數,T為絕對溫度,Tp為順磁居里溫度。順磁性物質包括稀土金屬和鐵族元素的鹽類等。
(3)反鐵磁性 這類物質的磁化率在某一溫度存在極大值,該溫度稱為奈爾溫度TN。當溫度:T>TN時,其磁化率與溫度的關系與正常順磁性物質的相似,服從居里一外斯定律:當溫度/T<TN磁化率不是繼續增大,而是降低,并逐漸趨于定值。這種磁性稱為反鐵磁性。反鐵磁性物質包括過渡族元素的鹽類及化合物等。
(4)鐵磁性 鐵磁性物質只要在很小的磁場作用下就能被磁化到飽和,不但磁化率χf而且數值在101?106數量級。當鐵磁性物質的溫度比臨界溫度Tc高時,鐵磁性將轉變為超順磁性,并服從居里一外斯定律,即:
χf |
= |
C |
T-Tp |
式中,C是居里常數,Tp是鐵磁性物質的順磁居里溫度。具有鐵磁性的元素不多,但具有鐵磁性的合金和化合物卻各種各樣。到目前為止,發現11個純元素晶體具有鐵磁性,它們是3個3d金屬鐵、鈷、鎳,以及4f金屬軋、鋱、鏑、鈥、鉺、銩和面心立方的鐠、面心立方的釹。
(5)亞鐵磁性 亞鐵磁性的宏觀磁性與鐵磁性相同,僅僅是磁化率低一些,大約為100?103數量級。典型的亞鐵磁性物質為鐵氣體。它們與鐵磁性物質的最顯著區別在于內部磁結構的不同。
以上五種磁性及--些相應物質的磁化率數據見表。
磁性類型 |
元素或化合物 |
磁化率χ |
抗磁性 |
銅Cu |
-1.0×10-5 |
鋅Zn |
-1.4×10-5 | |
金Au |
-3.6×10-5 | |
汞Hg |
-3.2×10-5 | |
水H2O |
-0.9×10-5 | |
氫H |
-0.2×10-5 | |
順磁性 |
鋰Li |
4.4×10-5 |
鈉Na |
0.62×10-5 | |
鋁AL |
2.2×10-5 | |
釩V |
38×10-5 | |
鈀Pd |
79×10-5 | |
釹Nd |
34×10-5 | |
空氣 |
36×10-8(氮是抗磁性) | |
反鐵磁性 |
MnO |
0.69[X(O)/X(TN)] |
FeO |
0.78 | |
CoO | ||
NiO |
0.67 | |
CrO | ||
Cr2O3 |
0.76 | |
鐵晶體 |
-1.4×10-6(相對磁導率) | |
鈷晶體 |
-103 | |
鐵磁性 |
鎳晶體 |
-106 |
3.5%Si-Fe |
-7×104 | |
AINiCo(鋁鎳鈷) |
=10 | |
亞鐵磁性 |
Fe3O4 |
-102(相對磁導率) |
各種鐵氧體 |
-103 |
上述五種磁性物質的磁化率和溫度有著不同的關系。
物質的磁性并不是恒定不變的。同一種物質,在不同的環境條件下,可以具有不同的磁性。例如,鐵磁性物質在居里點溫度以下是鐵磁性的,到達居里點溫度則轉變成為順磁性:重稀土金屬在低溫下是強磁性的,在室溫或高溫下卻變成了順磁性。
五種磁性對應站不同的磁結構,抗磁性物質由于是電子的抵抗磁矩,所以值很小,順磁性物質和反鐵磁件物質于磁矩混亂取向和相互抵消,磁化率也很小。因此這三種磁性是弱磁性。鐵磁性物質中磁矩平行取向,磁化率很高。亞鐵磁性物質磁矩雖為反平行排列,但是磁矩不能完全抵消,因而顯示較高的磁化率。因此鐵磁性和亞鐵磁性為強磁性。
由于抗磁性、順磁性和反鐵磁性都是弱磁性,需要精密儀器才能檢測出來,因此在技術上很少應用。鐵磁性和亞鐵磁性是強磁性,在技術上有著廣泛的應用,通常所說的磁性材料就是指具有鐵磁性或亞鐵磁性的強磁性材料。
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