磁性材料的基本現象:
一、自發磁化:
從“磁性來源”中我們了解到,某些原子的核外電子的自旋磁矩不能抵消,從而產生剩余的磁矩。但是,假如每個原子的磁矩仍然混亂排列,那么整個物體仍不能具有磁性。只有所以原子的磁矩沿一個方向整潔地排列,就象很多小磁鐵首尾相接,才能使物體對外顯示磁性,成為磁性材料。這種原子磁矩的整潔排列現象,就稱為自發磁化。
既然磁性材料內部存在自發磁化,那么是不是物體中所有的原子都沿一個方向排列整潔了呢?當然不是,否則,凡是鋼鐵等就會永遠帶有磁性,成為一塊大磁鐵,永遠能夠相互吸引了(實際上,兩塊軟鐵不會自己相互吸引)。事實上,磁性材料盡大多數都具有磁疇結構,使得它們沒有磁化時不顯示磁性。
二、磁疇:
所謂磁疇,是指磁性材料內部的一個個小區域,每個區域內部包含大量原子,這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整潔排列,但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同,如右圖所示。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。宏觀物體一般總是具有很多磁疇,這樣,磁疇的磁矩方向各不相同,結果相互抵消,矢量和為零,整個物體的磁矩為零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當磁性材料被磁化以后,它才能對外顯示出磁性。下圖為在顯微鏡中觀察到的磁性材料中常見的磁疇外形,其中左面是軟磁材料常見的條形疇,黑白部分由于不同的磁疇其磁矩方向不同而具有不同的亮度,它們的交界面就是疇壁;中間是樹枝狀疇和疇壁;右面是薄膜材料中可以見到的磁疇外形。實際的磁性材料中,磁疇結果五花八門,如條形疇、迷宮疇、楔形疇、環形疇、樹枝狀疇、泡狀疇等。
既然磁疇內部的磁矩排列是整潔的,那么在磁疇壁處原子磁矩又是怎樣排列的呢?在疇壁的一側,原子磁矩指向某個方向,假設在疇壁的另一側原子磁矩方向相反。那么,在疇壁內部,原子磁矩必須成某種形式的過渡狀態。實際上,疇壁由很多層原子組成。為了實現磁矩的轉向,從一側開始,每一層原子的磁矩都相對于磁疇中的磁矩方向偏轉了一個角度,并且每一層的原子磁矩偏轉角度逐漸增大,到另一側時,磁矩已經完全轉到和這一側磁疇的磁矩相同的方向。
三、居里溫度:
對于所有的磁性材料來說,并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地,磁性材料具有一個臨界溫度Tc,在這個溫度以上,由于高溫下原子的劇烈熱運動,原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下,原子磁矩排列整潔,產生自發磁化,物體變成鐵磁性的。
利用這個特點,人們開發出了很多控制元件。例如,我們使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里點的特性。在電飯鍋的底部中心裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105度的磁性材料。當鍋里的水分干了以后,食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大約105度時,由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失,磁鐵就對它失往了吸力,這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開,同時帶動電源開關被斷開,停止加熱。
四、與磁性材料有關的常用物理量:
磁場強度:指空間某處磁場的大小,用H表示,它的單位是安/米(A/m)。
磁化強度:指材料內部單位體積的磁矩矢量和,用M表示,單位是安/米(A/m)。
磁感應強度: 磁感應強度B的定義是:B=m0(H+M),其中H和M分別是磁化強度和磁場強度,而m0是一個系數,叫做真空導磁率。磁感應強度又稱為磁通密度,單位是特斯拉(T)。
導磁率:導磁率的定義是m=B/m0H,是磁化曲線(見材料的靜態磁化)上任意一點上B和H的比值。導磁率實際上代表了磁性材料被磁化的輕易程度,或者說是材料對外部磁場的靈敏程度。