陶瓷的許多磁特性類似于其介電特性。磁極化和介電極化、永久電偶極子和永久磁偶極子、自發磁化和自發電矩以及磁現象和介電現象之間的其他相似性也很明顯。然而存在單獨的正電荷和負電荷(單極),卻并不存在相應的磁單極,這是因為磁場起因于自旋電子或通電線圈。
隨著固體電子學領域的日益擴展,陶瓷材料的磁特性顯得愈加重要。雖然人們早已知道天然磁鐵(Fe203)的磁性是有用的,而且在13世紀開始用于指南針,但是直到1946年JL.Snoeck 才在荷蘭 Philips 實驗室研究出強磁性、高電阻率、低弛豫損耗的氧化物陶瓷。磁性陶瓷常用作高頻器件,由于陶瓷中的亞鐵磁氧化物有較高的電阻率,使它比金屬優越得多;近30年來,隨著這種技術的發展,磁性陶瓷在收音機、電視和電子器件方面的應用日益增加。磁性陶瓷在數字計算機中用做開關時間快的記憶元件,這是導致計算機技術蓬勃發展的主要原因。在一些微波器件和依靠永磁的器件中,磁性陶瓷作為各種專用的電路元件而起重要的作用。
磁現象
磁鐵吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質稱為磁性。磁鐵兩端磁性強的區域稱為磁極,一端為北極(N極),一端為南極(S極)。實驗證明,同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引。
鐵中有許多具有兩個異性磁極的原磁體,在無外磁場作用時,這些原磁體排列紊亂,它們的磁性相互抵消,對外不顯示磁性。當把鐵靠近磁鐵時,這些原磁體在磁鐵的作用下,整齊地排列起來,使靠近磁鐵的一端具有與磁鐵極性相反的極性而相互吸引。這說明鐵中由于原磁體的存在能夠被磁鐵所磁化。而銅、鋁等金屬是沒有原磁體結構的,所以不能被磁鐵所吸引。
1、抗磁性材料
抗磁性是普遍存在的,它是所有物質在外磁場作用下毫不例外地具有的一種屬性。外磁場穿過電子軌道時,引起的電磁感應使軌道電子加速。根據焦耳-楞次定律,由軌道電子的這種加速運動所引起的磁通,總是與外磁場變化相反,因而磁化率k總是負的。
任何物體在磁場作用下,都會產生抗磁性效應。但因抗磁性很弱,若物體具有順磁性或序磁性(見鐵磁性)時,抗磁性就被掩蓋了。因此,從原子結構來看,呈現抗磁性的物體是由具有滿電子殼層結構的原子、離子或分子組成的,如惰性氣體、食鹽、水以及絕大多數有機化合物等。由于邁斯納效應,超導體是理想的抗磁體(見超導電性)。抗磁磁化率與磁場和溫度無關。但也有例外,如石墨、鉍等。
2、順磁性材料
一些物質在受到外磁場作用后,感生出與外磁場同向的磁化強度,其磁化率大于零,但數值很小,僅為10-5~10-3數量級,這種材料稱為順磁性材料。順磁性物質的磁化率與溫度有密切關系。順磁性物質包括稀土金屬和鐵族元素的鹽類等。
順磁性有其重要的應用,從順磁物質的順磁性和順磁共振可以研究其結構,特別是電子組態結構;順磁微波量子放大器是早期研制和應用的一種超低噪聲的微波放大器,促進了激光器的研究和發明,在生命科學中,如血紅蛋白和肌紅蛋白在未同氧結合時為順磁性,同氧結合后轉變為抗磁性,這兩種弱磁性的相互轉變反映了生物體內的氧化還原過程 ,其磁性研究成為生命現象的一種方法;目前醫學上從核磁共振成像技術發展到電子順磁共振成像技術,可以顯示生物體內順磁物質(如血紅蛋白和自由基等)的分布和變化,此外某些測氧儀利用了順磁性的原理。
順磁共振波譜儀
堿金屬和除鐵、鈷、鎳以外的過度元素都具有順磁性。
3、磁疇
鐵磁體材料在自發磁化的過程中為降低靜磁能而產生分化的方向各異的小型磁化區域,每個區域內部包含大量原子,這些原子的磁矩都像一個個小磁鐵那樣整齊排列,但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同,如下圖所示。
在鐵磁性物質內部,由于原子的磁矩不等于零,每一個原子的表現就好似微小的永久磁鐵。假設聚集于一個小區域的原子,其磁矩都均勻地同向平行排列,則稱這小區域為磁疇或外斯疇。使用磁力顯微鏡可以觀測到磁疇。
磁疇的種類分為:
a)單獨磁疇。
b)兩個異向磁疇。
c)多個磁疇,最小能量態。
磁疇所生成的磁場以帶箭頭細曲線表示。磁化強度以帶箭頭粗直線表示。
三種鐵磁性物質:純鐵、硅鐵和鈷,磁疇結構如圖。純鐵(圖2a)的磁疇結構為迷宮形狀,硅鐵(圖2b)則是針葉形狀,鈷(圖2c)的磁疇結構與純鐵和硅鐵都不相同。
磁疇
磁疇的形狀、尺寸、磁疇壁的厚度由交換能、退磁場能、磁晶各向異性能及磁彈性能來決定。平衡狀態的磁疇結構,應具有最小的能量。
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作者:粉體圈
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