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磁性和磁性材料的分类
所有的物质具有磁性,但并不是所有的物质都能作为磁件材料来应用。有些物质具有
很强的磁性,而大部分物质磁性很弱,因此实际上只有很少一部分物质能够作为磁件材料来应用。并且磁性材料发展到今天,已出现一大批磁性体和磁性器件,其品种繁多,功能各异。
因此有必要把物质磁性和各种磁性材料进行分类。
物质的磁性分类
按照磁体磁化时磁化率的大小和符号,可以将物质的磁性分为五个种类:抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。
(1)抗磁性 是在外磁场的作用下,原子系统获得与外磁场方向反向的磁矩的现象。它
是种微弱磁性,相应的物质被称为抗磁牲物质。其磁化率χd为负值且很小,-般在10-5数量级。抗磁性材料χd的大小与温度、磁场均无关,其磁化曲线为一直线。抗磁性物质包括惰性气体、部分有机化合物、部分金属和非金属等。
(2)顺磁性 一些物质在受到外磁场作用后,感生出与外磁场同向的磁化强度,其磁化
率χp>0,但数值很小,仅为10-6~10-3数量级,这种磁性称为顺磁性。顺磁性物质的χp与温度T有密切关系,服从居里一外斯定律,即
χp |
= |
C |
T- Tp |
式中,C为居里常数,T为绝对温度,Tp为顺磁居里温度。顺磁性物质包括稀土金属和铁族元素的盐类等。
(3)反铁磁性 这类物质的磁化率在某一温度存在极大值,该温度称为奈尔温度TN。当温度:T>TN时,其磁化率与温度的关系与正常顺磁性物质的相似,服从居里一外斯定律:当温度/T<TN磁化率不是继续增大,而是降低,并逐渐趋于定值。这种磁性称为反铁磁性。反铁磁性物质包括过渡族元素的盐类及化合物等。
(4)铁磁性 铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和,不但磁化率χf而且数值在101〜106数量级。当铁磁性物质的温度比临界温度Tc高时,铁磁性将转变为超顺磁性,并服从居里一外斯定律,即:
χf |
= |
C |
T-Tp |
式中,C是居里常数,Tp是铁磁性物质的顺磁居里温度。具有铁磁性的元素不多,但具有铁磁性的合金和化合物却各种各样。到目前为止,发现11个纯元素晶体具有铁磁性,它们是3个3d金属铁、钴、镍,以及4f金属轧、铽、镝、钬、铒、铥和面心立方的镨、面心立方的钕。
(5)亚铁磁性 亚铁磁性的宏观磁性与铁磁性相同,仅仅是磁化率低一些,大约为100〜103数量级。典型的亚铁磁性物质为铁氣体。它们与铁磁性物质的最显著区别在于内部磁结构的不同。
以上五种磁性及--些相应物质的磁化率数据见表。
磁性类型 |
元素或化合物 |
磁化率χ |
抗磁性 |
铜Cu |
-1.0×10-5 |
锌Zn |
-1.4×10-5 | |
金Au |
-3.6×10-5 | |
汞Hg |
-3.2×10-5 | |
水H2O |
-0.9×10-5 | |
氢H |
-0.2×10-5 | |
顺磁性 |
锂Li |
4.4×10-5 |
钠Na |
0.62×10-5 | |
铝AL |
2.2×10-5 | |
钒V |
38×10-5 | |
钯Pd |
79×10-5 | |
钕Nd |
34×10-5 | |
空气 |
36×10-8(氮是抗磁性) | |
反铁磁性 |
MnO |
0.69[X(O)/X(TN)] |
FeO |
0.78 | |
CoO | ||
NiO |
0.67 | |
CrO | ||
Cr2O3 |
0.76 | |
铁晶体 |
-1.4×10-6(相对磁导率) | |
钴晶体 |
-103 | |
铁磁性 |
镍晶体 |
-106 |
3.5%Si-Fe |
-7×104 | |
AINiCo(铝镍钴) |
=10 | |
亚铁磁性 |
Fe3O4 |
-102(相对磁导率) |
各种铁氧体 |
-103 |
上述五种磁性物质的磁化率和温度有着不同的关系。
物质的磁性并不是恒定不变的。同一种物质,在不同的环境条件下,可以具有不同的磁性。例如,铁磁性物质在居里点温度以下是铁磁性的,到达居里点温度则转变成为顺磁性:重稀土金属在低温下是强磁性的,在室温或高温下却变成了顺磁性。
五种磁性对应站不同的磁结构,抗磁性物质由于是电子的抵抗磁矩,所以值很小,顺磁性物质和反铁磁件物质于磁矩混乱取向和相互抵消,磁化率也很小。因此这三种磁性是弱磁性。铁磁性物质中磁矩平行取向,磁化率很高。亚铁磁性物质磁矩虽为反平行排列,但是磁矩不能完全抵消,因而显示较高的磁化率。因此铁磁性和亚铁磁性为强磁性。
由于抗磁性、顺磁性和反铁磁性都是弱磁性,需要精密仪器才能检测出来,因此在技术上很少应用。铁磁性和亚铁磁性是强磁性,在技术上有着广泛的应用,通常所说的磁性材料就是指具有铁磁性或亚铁磁性的强磁性材料。
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