文档介绍：第三篇材料的磁性

中国在二千七百多年前就开始对材料的磁性进行了研究,并发明了指南针。可以说
中国是磁的故乡。随着科学技术的发展,已揭示出一切物质都具有磁性,任何空间均存
在磁场。磁性是物质的基本属性,就像物质具有质量和电性一样。磁性在生产和技术、
科研和国防、以及家庭生活中有广泛的应用。例如:1)在电气化中,如发电用的发电
机和动力用的电动机,在将机械能转换为电能及将电能转换为机械能的过程中,是以磁
场的作用和磁性材料为基础的。2)在信息化中,如计算机需要使用多种的磁记录器和
磁存储器。3)在高能加速器和粒子检测器中以及为实现热核聚变研究的高温等离子体
装置中,都需要使用强磁场。4)在原子核和基本粒子的微观物理学研究中,磁场是多
种研究原子核和基本粒子的加速器和检测器所必需的重要设备。5)在生物学和医方面,
由于生物体为弱磁体,各组织和器官的弱磁性也有所不同,如脑磁场、心磁场和眼磁场
等。这些弱的生物磁性和极微弱的生物磁场,在不同的生理状态和病理状态下也会发生
变化,因此可以利用这些磁性和磁场的变化进行生理和病理方面的研究以及一些疾病的
诊断。6)在地球科学研究和应用中,人们在从各方面研究地磁场的起源和演化。由不
同地质时代和不同地区的岩石磁性的观测研究,不但发现岩石磁性的磁化方向与地质年
代和地区有关,而且还由此可推断岩石生长的时的地磁场的方向和强度。7)在天文学
的研究和航天新技术中,目前已知的最强磁场(脉冲星即中子星的磁场高达 108-109 T)
和最低磁场(星系际磁场低到 10-13 T)均存在于天文学的研究中。总之,磁学已深入到
日常生活和科学研究与技术应用的各个领域中,入图 1 所示。
图 1 物质的磁学特性所涉及的领域。
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要了解磁性的特征,就要考虑磁性的来源。早期的磁性来源有两种不同的观点:即
安培分子电流观点和磁荷观点。安培提出在磁介质中分子、原子存在着一种环形电流—
—分子电流,分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体。在没有被磁化时,这些小的
分子电流的排列是杂乱无章的,对外不显磁性。加入磁场Ha,由于电磁相互作用,使得
分子电流沿磁场方向规则排列,即经过磁化的磁铁其小分子电流都定向规则排列,对外
显磁性,如图2所示。分子内部之间的电流相互叠加后,在材料中形成了磁性。

Ha

••
•
••
••
••
•
••

图2 安培分子环流假说。

而磁荷的观点则认为,磁介质的最小单元是磁偶极子,在介质没有被磁化时,各个
磁偶极子的取向是无规的,磁棒不显示磁性,如图 3 所示。
图 3 没有外加磁时,磁荷分布情况。

当处于磁场 H a 中时,H a 将对每个磁偶极子产生一个力矩,使其磁偶极矩转向磁场
的方向,各磁偶极子在一定程度上沿着磁场的方向排列。由于磁偶极子的整齐排列,在
介质内部,“十”(正)、“—”(负)极首尾衔接,相互抵消,其宏观的效果是在整个磁
棒的两端面上分别出现了 N,S 极,或者说,“十”、“—”磁荷,这样介质就被磁化了。
这时铁芯将显示出磁性,而磁化强度是单位体积内分子磁偶极矩的矢量和。对于顺磁或
铁磁材料,如图 4,
H
a S N
加场后
图 4 加磁场后磁荷的分布情况。

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这两种观点假设的模型不同,但最后得到的宏观表达式完全一样,所以计算的结果
也完全一样,两种观点的结果是等效的。但是这两种观点都不能从本质上揭示材料磁性
的起源。
现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性。通常产生磁场的方式通常
有四种:
1)一种是带电的粒子漂移或运动产生磁场,如图5所示。
B
e- v

图5 电子漂移或运动产生磁场。

2)电子的自旋,这属于量子力学的范畴了,见图6。
μs
e-
S

图6 电子的自旋产生磁矩。

3)电子的轨道运动:核外电子的运动相当于一个闭合电流,具有一定的轨道磁矩,
如图7所示。

图7 轨道磁矩与轨道角动量。

4)原子核的磁矩。而实际上,材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。
材料中原子核的磁矩很小,只有电子的几千分之一,通常可以略去不计。
由此可见,要研究材料的磁性,必须探讨体系的电子特性。人们已知电子是电荷与
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自旋的统一载体,如图 8 所示。

电荷自旋

图8 电子是自旋和电荷的统一载体。

在当今光电子和微电子材料的研究和应用领域中,人们常常关注的只是电子的电荷
特性,而忽略了电子自旋的