矿物的磁性

2007-11-15 13:59阅读：

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1. 磁化现象与物质磁化率
磁化强度为单位体积物质的磁矩，可用下式表示：

式中m为磁化物质的磁矩（A·m2），是物质中所有原子磁矩的矢量和；V为物质体积（m3），M为
磁化强度（A/m）。
磁化强度与外磁场强度成比例增加，故又可表示为
M=KH
式中H为外磁场强度（A/m），K为物质体积磁化率，无量纲，可用以表示物质磁性。
合并公式2-22和2-23可得

物质体积磁化率为物质磁化时单位体积和单位磁场强度具有的磁矩。
物质的磁性又可用比磁化率表示，即

式中ρ为物质密度（kg/m3）；ρ与V之积为物质质量（kg）；
X为物质比磁化率（m3/kg），是物质磁化时，单位质量和单位磁场强度的磁矩，又称为质量磁
化率。
与比磁化率相对应的一个物理量是比磁化强度
即

式中j为比磁化强度（A·m2/kg）。
磁感应强度与磁场强度的关系可用下式表示

式中B为磁感应强度（T）；μ为物质磁导率（T·m/A）；μ0为真空磁导率，等于

；

为相对磁导率，无量纲，

。不同物质的

不同，例
如水的

，铁的

。
磁感应强度又可表示为

2. 物质磁性的类型
固体物质的磁性可分为五类：逆磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性和亚铁磁性。
物质按磁性类别可分为逆磁体，顺磁体、铁磁体、反铁磁体和亚铁磁体。
(1) 逆磁性
这类物质的原子中的电子轨道磁矩和自旋磁矩互相抵消，即原子磁矩为零。当将这类物质放进磁
场时，每个电子都产生一个附加磁矩，附加磁矩的方向与外磁场方向相反，因而显示逆磁性。
逆磁质的磁化率为负值，也是一个与温度无关的很小的常数值。由于逆磁性来源于原子中电子的
感应附加磁矩，故任何物质都有逆磁现象。但非逆磁质的原子磁矩不为零，其附加磁矩只有轨道磁矩
的百万分之几，因此，不显逆磁性。
(2) 顺磁性
顺磁性物质具有原子磁矩或分子磁矩，即具有本征磁矩。无外磁场作用时，单个原子磁矩的取向
与其余原子磁矩的取向无关，各个原子磁矩的取向无序，并处于剧烈的热振动状态，物质总磁矩为零
，因而对外不显磁性。在外磁场作用下，原子磁矩有向外磁场取向的趋势，外磁场越强，向外磁场方
向取向的概率越大，物质总磁矩增大。但由于磁场远不能克服热振动分子磁矩取向的破坏作用，所以
这种物质磁化时，对外显顺磁性。顺磁质的体积磁化率为

式中N为单位体积的原子数；

为原子（或分子、离子）磁矩；KB为波耳兹曼常数，等于

；T为绝对温度；C为居里常数。
上式表明，当温度不变时，物质体积磁化率为常数，与磁场无关，当温度变化时，磁化率随温度
的提高而降低。
(3) 反铁磁性
铂、钯、锰、铬等反铁磁质的磁化率随温度变化，低于临界温度时，与顺磁质和铁磁质都不同，
随温度的提高而增加；只是在临界温度以后，才与顺磁质相同，磁化率随温度的提高而减少；在临界
温度，磁化率有最大值。临界温度称为尼尔（

）点，用T_N表示。换言之，当温度低于尼尔点时，
呈反铁磁性，温度高于尼尔点时，呈顺磁性。反铁磁质有小的正磁化率，其比磁化率为10-10~10-9m3/
kg数量级。
（4）铁磁性
铁、钴、镍和某些稀土元素等的磁性通称为铁磁性。这类物质称为铁磁性物质。
① 铁磁效应
磁化效应曲线：起初，磁场强度H由O→HS时，磁感应强度B由O→S，S为磁饱和点，BS为饱和磁感
应强度，OS为起始（或基本）磁化曲线，然后，H由HS→O时，则B由S→Br，Br称为剩余感应强度，这
种退磁不可逆现象称为磁滞，意即B滞后于H的变化。当磁场强度H按反向由O→-Hc时，则B由Br→O，即
剩磁被退掉，Hc称为矫顽力，Hc的大小表明退磁的难易程度；继之，H由-Hc→-Hs时，则B 由O→

，
在反向达到磁饱和，最后

，H由

时，则B由，即回到最初的磁饱
和状态，形成封闭的磁滞回线。
铁磁质的磁性概括起来为：磁化时，磁感应强度（或磁化强度）随磁场强度的提高急剧增加，容
易磁化到饱和状态；退磁时，有磁滞效应，撤消外磁场后有剩磁；外磁场按正弦波形变化时，磁感应
强度按磁滞回线变化。
②磁畴结构
铁磁质是由许多自发磁化的小区域组成的，这些自发磁化的小区域叫做磁畴。每个磁畴内，在无
外磁场作用的情况下，原子磁矩排列在同一方向上，即自发磁化到饱和状态。磁畴之间的边界层叫做
磁畴壁。相邻磁畴的方向不同。因此，无外磁场作用时，各个磁畴的磁矩互相抵消，对外不显磁性。
（5）磁化过程
在磁化磁场的作用下，铁磁质的磁化包括两个过程：畴壁的移动和磁畴的转动。畴壁移动时，与
外磁场方向相近的磁畴的体积扩大，其他方向磁畴的体积缩小，以致消失。
在低磁场中，磁化以壁移为主。在较高磁场中，磁化以畴转为主。当所有磁畴都转到外磁场方
向时，磁化即达到饱和状态。磁化曲线的BC段是以畴转为主的磁化过程。铁磁质加热到一定温度后可
变为顺磁质，这一转变温度称为居里点。常用Tc表示，铁的Tc=630K。铁磁质在居里点以上的磁化率可
用下式表示。

式中C为居里常数，Tc为临界温度，当T>Tc时，热振动破坏了磁畴结构。
（6）亚铁磁质
亚铁磁质也有两种次晶格，但其领近原子（或离子）磁矩的排列方向相反，大小不等，具有未被
抵消的磁矩和相当大的自发磁化强度，因而具有很强的磁性，且与铁磁质的磁性十分相似。这种磁性
被称为亚铁磁性。
3．物体的磁性
将有限尺寸的磁性物体置于外磁场中磁化时，两端自由磁极在磁化体内部产生的磁场叫做退磁
场。当磁化均匀时，退磁场强度与磁化强度M成正比：

式中H_N为退磁场强度（A/m）；N为退磁因子(无因次)。
退磁场强度HN的方向与外磁场强度H及磁化强度M的方向相反，它削弱外磁场对物体的磁化作用。
对于一般的椭球体，沿它的三个主轴a、b、c的退磁因子Na、Nb和Nc的计算很复杂，但有下述简
单关系：

球体、细长圆柱体的无限大薄片是椭球体的特殊情况，其退磁因子分别为：
球体：a=b=c，三个轴向的退磁因子相等，即

细长圆柱体：

，a轴方向的退磁场非常弱，Na≈0，其它两个轴向的退磁因子相等，
所以

无限大薄片：b=c=∞，b、c轴向的退磁因子都为零，所以
Na=1，Na=Nc=0
长旋转椭球体（a>b=c）在a轴方向的磁化，可用下式计算退磁因子Na：

式中a为椭球体的长轴，与外磁场方向平行；b为椭球体的短轴，与外磁场方向垂直。
旋转椭球体的退磁因子N也可用下述经验公式计算：

显然，退磁因子与磁化物体的形状和磁化方向密切相关；薄片的退磁因子可达1；球体的退磁因
子为1/3；细长圆柱体的轴向退磁因子为零，径向退磁因子为1/2。
由于物体磁化时退磁场的产生，因而实际使物体磁化的有效磁场强度HE，即物体内部的磁场强度
，为外磁场强度H_E与退磁场强度H_N之差：
HE = H - HN
或 HE = H - NM
上式表明，物体的退磁因子越大，退磁场强度也越大，有效磁场强度越小，物体越难磁化。
物体磁化率可用下式表示: