关于磁性材料的10个问题.docx

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1、关于磁性材料的10个问题目录1 .什么是磁力？12 .那么磁性是如何产生的？23 .那么到底是电子自旋的作用更大还是电子绕原子核的轨道运动作用更大？54 .温度对磁性有什么影响？为什么高温时磁铁没有磁性？65 .哪些因素还会影响磁性？76 .那么磁畴呢？87 .磁性材料的分类有哪些？88 .如何从量子力学的角度理解磁性？IO9 .软磁和硬磁是什么意思？1110 .软磁和硬磁材料都是铁磁材料吗？还是也可能是抗磁材料或者顺磁材料？12什么是磁力？磁性从何而来？为什么有些材料表现出磁性而另一些则没有？之前写过很多关于电机和传感器的文章，里面用到了磁铁。我本来想写一下磁铁的分类和磁铁如何生产出来的，但

2、是有一个更基本的问题萦绕在我脑海。材料的磁性到底从何而来？为什么有些材料表现出磁性而另一些则没有？这篇文章，我打算以对话的方式来聊聊这个基本问题，对于磁铁的理解会更到位。1什么是磁力？磁力也称为磁性，是某些材料（如磁铁或者电磁铁）所具有的自然力。它有点像一种无形的力量，将某些物体吸引到彼此。可以将磁力想象成类似于磁铁所具有的超能力。就像超级英雄如何用他们的力量吸引或排斥物体一样，磁铁具有吸引或排斥其他磁铁或磁性物体的能力。将两块磁铁想象成两个喜欢在一起或讨厌对方的朋友。当两块磁铁的不同端相互靠近时，它们会感受到强烈的吸引力，就像两个迫不及待想要在一起的朋友。这叫做异极引力。另一方面，如果你试图

3、将两块磁铁的相同端放在一起，它们会相互排斥，就像两个合不来的朋友想要远离对方一样。这称为同极排斥。磁性也是磁铁使某些材料暂时具有磁性的原因。这就像将他们的超能力借给附近的物体。当您将回形针靠近磁铁时，磁铁会将其磁性传递给回形针，使回形针暂时具有磁性。发生这种情况是因为磁铁的磁场影响回形针中的原子并以磁性方式排列它们。所以，磁力就像是磁铁所拥有的一种神奇力量，可以让它们吸引或排斥其他磁铁或磁性材料。这是一种将物体聚集在一起或将它们推开的力量，就像喜欢在一起或喜欢保持距离的朋友一样。2.那么磁性是如何产生的？磁性是由物质中的微观电荷和电流运动引起的。当电荷或电流在物质中移动时，会产生磁场,这种磁场

4、是磁性的基础。磁性的主要原理是电子的自旋和轨道运动。Fundamenta1sofMagnetismOriginsofMagneticMoments:Simp1eViewMagneticmomentsarisefrome1ectronmotionsandtheuspinsone1ectrons.magneticmomentsnuc1eusTe1ectronspinAdaptedfromFig.18.4,Ca11ister&Rethwisch3e.e1ectronorbita1e1ectronmotionspinNetatomicmagneticmoment=sumofmomentsfroma11

5、e1ectrons.2015IEEESummerSchoo1-June14-19,UniversityofMinnesota电子的轨道运动和自旋示意图。就像地球围绕太阳旋转一样，电子围绕原子核旋转，这称为轨道运动。但是其实类似于地球自转，电子还会围绕自身旋转，把这种旋转称为自旋。当电子自旋和轨道运动相互作用时，会形成微小的电流环（磁矩），这些电流环产生磁场，可以看着微型磁铁。在没有外部磁场的情况下，这些微小的电流环通常是随机排列的，导致物质没有明显的磁性。MiboSComCMaqCetSMagneticmomentofanatomduetoe1ectronorbit.Magneticmomen

6、tofanatomduetoe1ectron/nuc1earspin.q，e(XXPftffftaton10-23Am2atomThemasetizationornetmaseticdipo1emomentperunitvo1umeisgivenbyGxiXO/rffrrM=Nmaverage/magneticdipo1emomentAm2七岁罗E1记使得微小的电流环AmNumberofdipo1esperunitvo1umem3自旋和轨道运动磁矩示意图。然而，当外部磁场施加在物质上时，它会对电子的自旋和轨道运动施加力,趋向于在特定的方向上对齐。电子可能有向上自旋或向下自旋。自旋向上的电子可以

7、被认为是北极朝上的磁铁，自旋向下的电子南极向上。当大量的电子自旋和轨道运动对齐时，它们的磁场叠加在一起，形成了一个更强大的磁场，这种物质就表现出明显的磁性。Fundamenta1sofMagnetismmagnetism:atomicoriginsehamagneticmoment=2”Feature:CurieTemperature-Thetemperatureabovewhichaferromagneticmateria11osesitsmagnetism2015IEEESummerSchoo1-June14-19,UniversityofMinnesota铁磁材料的电子磁矩全部朝一个方向

8、，有强磁性。Fundamenta1sofMagnetismmagnetism:atomicoriginsantipara11e1magneticspinsantipara11e1spins=antiferromagnetism”Feature:Nee1Temperature一Thetemperatureabovewhichanantiferromagneticmateria11osesitsmagnetism2015IEEESummerSchoo1-June14-19,UniversityofMinnesota非铁磁材料的磁矩相互抵消。在某些材料中，如铁、银和钻等，电子自旋和轨道运动更容易被外

9、部磁场所影响，因此这些材料对磁场更敏感，并表现出较强的磁性。这些材料称为铁磁材料。而其他材料，如铜和铝等，对外部磁场的影响较小，表现出较弱的磁性，这些材料称为非铁磁材料。总的来说，磁性是由微观电荷和电流运动引起的，当大量的电子自旋和轨道运动在特定方向上对齐时，就会形成明显的磁性。3.那么到底是电子自旋的作用更大还是电子绕原子核的轨道运动作用更大？电子的自旋和绕原子核的轨道运动都对磁性起到重要作用，但它们的贡献有所不同。电子的自旋是指电子围绕自身轴线旋转的性质，它类似于地球自转。自旋产生的磁场被称为自旋磁矩。电子的自旋磁矩对于物质的磁性起到了重要作用，尤其是在原子和分子尺度上。电子绕原子核的轨道

10、运动是指电子在原子中沿特定轨道运动的性质，类似于地球绕太阳的运动。绕核轨道运动的电子也会产生磁场，被称为轨道磁矩。轨道磁矩对物质的磁性也有贡献，特别是在固体中。在大多数情况下，电子的轨道运动对物质的磁性影响较小，而自旋对磁性的贡献更为重要。这是因为电子的轨道运动通常是圆周形状，磁场的平均效应往往会彼此抵消。而电子的自旋磁矩由于是围绕自身旋转，因此在平均效应上没有抵消，对磁性起到了更大的作用。然而，存在一些特殊情况，例如过渡金属化合物等，其中电子的轨道运动对磁性也起到了重要作用。在这些材料中，电子的轨道形状和排布导致轨道磁矩对磁性的贡献增加。总的来说，电子的自旋和轨道运动都对磁性有贡献，但在大多

11、数情况下，自旋的作用更大，尤其是在原子和分子尺度上。4 .温度对磁性有什么影响？为什么高温时磁铁没有磁性？温度对磁性有重要影响，高温时磁性会减弱或消失，导致磁铁失去磁性。这是因为温度增加会增加材料中的热运动，而热运动对于磁性的存在和维持起到破坏性的作用。在一个磁体中，磁性来源于电子的自旋和轨道运动对齐产生的磁矩。在低温下，材料中的原子和电子具有较小的热能，电子相对较静止，自旋和轨道运动更容易保持对齐，磁矩之间的相互作用较强，因此磁体表现出明显的磁性。然而，当温度升高时，原子和电子获得更多的热能，它们的热运动增强。这种热运动会导致磁矩的随机化，自旋和轨道运动之间的对齐程度减弱，从而削弱了磁性。高

12、温下，热运动足够强大，以至于原子和电子的自旋和轨道运动难以保持对齐，磁矩之间的相互作用减弱，导致磁体失去磁性。在临界温度以上，被称为居里温度(Curietemperature),磁体完全失去了磁性。居里温度是材料特有的，不同材料的居里温度也不同。对于铁磁材料，如铁、银和钻，居里温度较高，通常在几百摄氏度到千摄氏度之间。非铁磁材料的居里温度相对较低。Curietemperaturecomparisons(SSne8)H.A=SUaPXn-JUO=S2BSFe和Fe3O4居里温度图对比。因此，高温会增加热运动，破坏自旋和轨道运动的对齐，降低磁矩的相互作用，导致磁体失去磁性。5 .哪些因素还会影响磁

13、性？除了温度，磁性还受到其他因素的影响，包括以下几个主要因素：材料的组成和结构：不同材料的磁性性质差异很大。一些材料，如铁、锲和钻等铁磁材料，对磁场更敏感，表现出较强的磁性。而其他材料，如铜、铝等非铁磁材料，对磁场的影响较小，表现出较弱的磁性。外部磁场：外部磁场可以对材料的磁性产生影响。当外部磁场施加在物质上时，可以对电子的自旋和轨道运动施加力，使得微小的电流环趋向于在特定的方向上对齐，进而增强材料的磁性。外部磁场的强度和方向都会影响材料的磁性。形状和尺寸：材料的形状和尺寸也可以影响其磁性。在微观层面上，材料的形状和结构可以影响自旋和轨道运动的相互作用，从而改变磁性。在宏观层面上，磁体的形状和

14、尺寸可以影响磁场的分布和强度，进而影响整个磁体的磁性。磁化历史：材料的磁化历史也可以影响其磁性。如果一个材料经历过强磁场的磁化过程，然后被去除磁场，它可能会保留一定的残余磁性，称为剩余磁性或磁记忆。这种剩余磁性可以在一定程度上影响材料的磁性。总之，除了温度之外，材料的组成和结构、外部磁场、形状和尺寸，以及磁化历史都可以对磁性产生影响。这些因素相互作用，决定了材料的磁性特性。6 .那么磁畴呢？磁畴是指在铁磁材料中存在的微观区域，这些区域在每个区域内的磁矩方向上相对一致，而不同区域之间的磁矩方向可能不同。每个磁畴内的磁矩对齐，形成一个微观磁性区域。在没有外部磁场作用时，铁磁材料中的磁畴是随机分布的

15、，没有明显的整体磁性。但当外部磁场施加在铁磁材料上时，磁场会影响磁畴的排列和取向。在外部磁场作用下，磁畴会发生变化。首先，磁畴的数量可能会减少，一些磁畴会增长，而其他磁畴会收缩。其次，磁畴的取向会趋向于在外部磁场的方向上对齐。最终，在足够强的外部磁场下，磁畴可能会完全合并，整个材料将呈现出一个统一的磁性方向，从而形成一个大的磁畴。磁畴的存在对铁磁材料的磁性具有重要影响。在没有外部磁场的情况下，磁畴的随机分布导致整体磁性被抵消，材料没有明显的磁性。但当外部磁场施加在材料上时，磁畴的重排和对齐使得材料表现出明显的磁性。需要注意的是，磁畴的尺寸和形状取决于材料的特性和处理条件。不同材料和处理方法可能会导致不同大小的磁畴。通过调控磁畴的形态和尺寸，可以对铁磁材料的磁性进行调整和控制，这在磁存储和磁传感器等领域具有重要应用。7 .磁性材料的分类有哪些？磁性材料可根据其磁性和行为分为几类。以下是磁性材料的主要分类：铁磁材料：铁磁材料表现出很强的磁性，可以被磁化成为永磁体。它们具有高磁化率，即使在去除外部磁场后仍能保