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磁体

磁体是指能够产生磁场的物质或材料。是一种奇特的物质,它有一种无形的力,既能吸引一些物质,又能排斥一些物质。一般分为永磁体软磁体

磁体具有两极性,磁性北极N,磁性南极S,斩断后仍是两极N级、S极。单个磁极不能存在。同时,磁体具有指向性,如果把一个磁体悬挂起来,就会发现它的南极指向地理南磁极左右,北极指向北磁极左右。

磁体:一般定义为能够吸引铁、钴、镍一类物质的物体。

磁体一般又分为永磁体软磁体

永磁体:即能够长期保持其磁性的磁体,永磁体是硬磁体,不易失磁,也不易被磁化。

软磁体:作为导磁体和电磁铁的材料大都是,软磁体极性是随所加磁场极性而变化的。

磁体具有两极性,磁性北极N,磁性南极S,斩断后仍是两极N级、S极。单个磁极不能存在。同时,磁体具有指向性,如果把一个磁体悬挂起来,就会发现它的南极指向地理南磁极左右,北极指向北磁极左右。

磁极间具有相互作用,同名磁极相斥、异名磁极相吸。磁体周围存在着一种物质,能使磁针偏转,这种物质在物理学上被称作磁场。磁场的分布通常用磁感线来表示。

磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴,是指磁性材料内部的一个个小区域,每个区域内部包含大量原子,这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列,但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。

各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴,这样,磁畴的磁矩方向各不相同,结果相互抵消,矢量和为零,整个物体的磁矩为零,它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后,它才能对外显示出磁性。在中学物理教科书中,目前课程改革试验区(山东、江苏、海南、宁夏、广东等)使用的人教版《普通高中课程标准实验教科书.物理》采用了磁畴理论,而现在大部分地区使用的人教版教材《全日制普通高级中学教科书.物理》中在解释磁化原理是用的是安培的分子电流假说

铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的“交换耦合”作用,在无外磁场的情况下,它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成自发磁化小区域,称为磁畴。在未经磁化的铁磁质中,虽然每一磁畴内部都有确定的自发磁化方向,有很大的磁性,但大量磁畴的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。如图所示。

当铁磁质处于外磁场中时,那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向。另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小,这时铁磁质对外呈现宏观磁性。当外磁场增大时,上述效应相应增大,直到所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和。

在居里温度以下,铁磁或亚铁磁材料内部存在很多各自具有自发磁矩,且磁矩成对的小区域。他们排列的方向紊乱,如不加磁场进行磁化,从整体上看,磁矩为零。这些小区域即称为磁畴。磁畴之间的界面称为磁畴壁(magnetic domain wall)。当有外磁场作用时,磁畴内一些磁矩转向外磁场方向,使得与外磁场方向接近一致的总磁矩得到增加,这类磁畴得到成长,而其他磁畴变小,结果是磁化强度增高。

随着外磁场强度的进一步增高,磁化强度增大,但即使磁畴内的磁矩取向一致,成了单一磁畴区,其磁化方向与外磁场方向也不完全一致。只有当外磁场强度增加到一定程度时,所有磁畴中磁矩的磁化方向才能全部与外磁场方向取向完全一致。此时,铁磁体就达到磁饱和状态,即成饱和磁化。一旦达到饱和磁化后,即使磁场减小到零,磁矩也不会回到零,残留下一些磁化效应。这种残留磁化值称为残余磁感应强度(以符号Br表示)。饱和磁化值称为饱和磁感应强度(Bs)。若加上反向磁场,使剩余磁感应强度回到零,则此时的磁场强度称为矫顽磁场强度或矫顽力(Hc)。

安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流分子电流。由于分子电流的存在,每个磁分子成为小磁体,两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的,它们产生的磁场互相抵消,对外不显磁性。当外界磁场作用后,分子电流的取向大致相同,分子间相邻的电流作用抵消,而表面部分未抵消,它们的效果显示出宏观磁性。

安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实,它带有相当大的臆测成分;在今天已经了解到物质由分子组成,而分子由原子组成,原子中有绕核运动的电子,安培的分子电流假说有了实在的内容,已成为认识物质磁性的重要依据。

其中最著名的是指南针四大发明之一,他就是利用磁体的磁极具有指向性制成的,最早的指南仪叫司南

现已广泛用于发电机、电动机、指南针等方面,比如磁力抽水泵永磁体还可以用来发电,而且目前大部分的发电设备(比如火力发电,水力发电)都是用线圈切割磁体磁场来发电的。

还可以做理发用的电吹风。我们能够听到磁带或唱片上的音乐,也是磁体的功劳。

地球本身也是一个大的磁体,并有它自己的磁力。

发电机跟电动机的机心

电磁门

收音机扬声器

磁化水

磁悬浮列车电路控制

电脑储存信息

VCM

硬盘驱动(HDD)

光盘驱动器(ODD)

风力发电

节能环保家电

工业节能电机

混合动力汽车产业

喇叭音响

麦克风(话筒)

最初发现的磁体是被称为“天然磁石”的矿物,其中含有铁,能吸引其他物体,很像磁铁

自然界的各类岩石中最常见的磁性矿物有铁钛、铁锰氧化物及氢氧化物、铁的硫化物以及铁、钴、镍、合金等等。科学家们认为,这些矿物的磁学状态除铁钴镍及其合金之类属铁磁性外,其余则属反铁磁性(如钛铁矿赤铁矿针铁矿、钛尖晶石陨硫铁等),或铁氧体性(如磁铁矿磁赤铁矿磁黄铁矿锰尖晶石等)。其中铁氧体性的磁铁矿、磁赤铁矿的磁性最强。

磁化强度M为负时,固体表现为抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质。在外磁场中,这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M。抗磁性物质原子(离子)的磁矩应为零,即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中,外磁场使电子轨道改变,感生一个与外磁场方向相反的磁矩,表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱,磁化率H一般约为-10-5,为负值。

顺磁性物质的主要特征是,不论外加磁场是否存在,原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时,由于顺磁物质的原子做无规则的热振动,宏观看来,没有磁性;在外加磁场作用下,每个原子磁矩比较规则地取向,物质显示极弱的磁性。磁化强度与外磁场方向一致,为正,而且严格地与外磁场H成正比。

顺磁性物质的磁性除了与H有关外,还依赖于温度。其磁化率H与绝对温度T成反比。

式中,C称为居里常数,取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。

顺磁性物质的磁化率一般也很小,室温下H约为10-5。一般含有奇数个电子的原子或分子,电子未填满壳层的原子或离子,如过渡元素稀土元素、钢系元素,还有铝铂等金属,都属于顺磁物质。

对诸如Fe、Co、Ni等物质,在室温下磁化率可达10-3数量级,称这类物质的磁性为铁磁性

铁磁性物质即使在较弱的磁场内,也可得到极高的磁化强度,而且当外磁场移去后,仍可保留极强的磁性。其磁化率为正值,但当外场增大时,由于磁化强度迅速达到饱和,其H变小。

铁磁性物质具有很强的磁性,主要起因于它们具有很强的内部交换场。铁磁物质的交换能为正值,而且较大,使得相邻原子的磁矩平行取向(相应于稳定状态),在物质内部形成许多小区域磁畴。每个磁畴大约有1015个原子。这些原子的磁矩沿同一方向排列,假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场,“分子场”足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态。这种自生的磁化强度自发磁化强度。由于它的存在,铁磁物质能在弱磁场下强列地磁化。因此自发磁化是铁磁物质的基本特征,也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。

铁磁体铁磁性只在某一温度以下才表现出来,超过这一温度,由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向,因而自发磁化强度变为0,铁磁性消失。这一温度称为居里点 。在居里点以上,材料表现为强顺磁性,其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律,式中C为居里常数。

反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化强度,电子磁矩是同向排列的;在不同子晶格中,电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同,方向相反,整个晶体 。反铁磁性物质大都是非金属化合物,如MnO。

不论在什么温度下,都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象,因此其宏观特性是顺磁性的,M与H处于同一方向,磁化率 为正值。温度很高时, 极小;温度降低, 逐渐增大。在一定温度 时, 达最大值 。称 为反铁磁性物质的居里点尼尔点。对尼尔点存在 的解释是:在极低温度下,由于相邻原子的自旋完全反向,其磁矩几乎完全抵消,故磁化率 几乎接近于0。当温度上升时,使自旋反向的作用减弱, 增加。当温度升至尼尔点以上时,热骚动的影响较大,此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。

极光是来自太阳活动区的带电高能粒子(可达1万电子伏)流使高层大气分子或原子激发或电离而产生的。是常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中的彩色发光现象。极光一般呈带状、弧状、幕状、放射状,这些形状有时稳定有时作连续性变化。在地球南北两极附近地区的高空,夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南极称为南极光,在北极称为北极光

磁化是指使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程。

一些物体在磁体或电流的作用下会获得磁性,这种现象叫做磁化

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