§11-7  磁介质的磁化

    一、物质磁性的概述

    凡是处于磁场中能够对磁场发生影响的物质都属于磁介质。实验表明,一切由原子、分子构成的物质都能够对磁场发生影响,所以都属于磁介质。

    物质的磁性可以从其电结构中得到说明。构成物质的原子中每一个电子同时参与了两种运动,一种是绕核的轨道运动,一种是自旋。这两种运动都对应一定的磁矩:与绕核的轨道运动相对应的是轨道磁矩,与自旋相对应的是自旋磁矩。整个原子的磁矩是它所包含的所有电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。不同物质的原子包含的电子数目不同,电子所处的状态不同,其轨道磁矩和自旋磁矩合成的结果也不同。所以,有些物质的原子磁矩大些,有些物质的原子磁矩小些,还有些物质的原子磁矩恰好为零。另外,有些物质的原子磁矩虽不为零,但多个原子合成一个分子时,合成的结果使分子磁矩等于零。

    分子磁矩不为零的物质,其分子磁矩可以看作为由一个等效的圆电流所提供的,这个圆电流称为分子电流。但是由于分子热运动,物质中各分子磁矩混乱取向,致使任何宏观体积元内的分子磁矩的矢量和等于零,所以宏观上不显示磁性。当受到外磁场作用时,分子磁矩将在一定程度上沿外磁场方向排列,任何宏观体元内所有分子磁矩的矢量和不再为零,并且外磁场越强,分子磁矩排列的有序程度越高,相同体积内分子磁矩的矢量和也越大。分子热运动是会破坏分子磁矩的有序排列的,一旦将外磁场撤除,分子磁矩马上回到无序状态。这种磁性称为顺磁性,具有顺磁性的物质称为顺磁质,如锰、铬、铂、氮和氧等都属于此类。

    在分子磁矩不为零的物质中,另有一种具有强烈磁性的物质称为铁磁质,如铁、钴、镍以及它们的合金,稀土-钴合金,钕-铁-硼,以及各种铁氧体等都属于此类。这种物质的磁性显然也只能来源于其原子的磁性。与顺磁质不同的是,在铁磁晶体中相邻原子磁矩之间存在一种特殊的相互作用,称为交换作用,使相邻原子的磁矩自发地平行排列起来,抵御了分子热运动的破坏作用。也正是由于交换作用的存在,使铁磁质具有一系列不同于顺磁质的性质,这将在下节讨论。

    分子磁矩为零的物质是否就没有任何磁性了呢?不是的,它们仍然表现出一定的磁性。这种磁性来源于原子中电子在外磁场的作用下所产生的附加运动(即进动),这种附加运动也等效为某一圆电流并对应一定的磁矩。可见,尽管这种物质分子的固有磁矩为零,但在外磁场的作用下却出现了感生磁矩。不过,由于电子带负电,这种磁矩的方向总是与外磁场的方向相反,故得名为抗磁性。具有抗磁性的物质称为抗磁质,如汞、铜、铋、银和氢等都属于此类。

    对于上述各种磁介质,在一定温度和一定外磁场下,都将表现出一定的宏观磁性,这就是磁化。这种宏观磁性都可以用磁化强度矢量来表征。磁介质的磁化强度定义为单位体积内分子磁矩的矢量和,若用M表示,该定义可写为

                            ,                   (11-64)

式中 是体积 Dt 内的分子磁矩或分子感生磁矩的矢量和。如果磁介质中各处的磁化强度的大小和方向都一致,就称均匀磁化。大家所讨论的磁化都属于均匀磁化的情形。

       
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