Question

物质磁性的分类

Answer 1

如上所述，任何宏观物体在磁场当中都会受到磁力的作用。由于各种物质对磁力作用的反应不尽相同，所以就形成了不同类型的磁性物质。早在19世纪中叶，人们在科学实验中就已经发现：一些物质受到的磁力很弱，而且受力的方向与磁场的减弱方向一致，就好像是反抗磁场的作用。因而人们把这种物质称为抗磁性物质，并把相应的磁性称为抗磁性。另一些物质在磁场中的受力也很弱，但其受力的方向与磁场增强的方向一致，就好像是顺着磁场的作用，因而被称为顺磁性物质，并把相应的磁性称为顺磁性。另外，有少数物质，例如铁、钴、镍以及它们的合金，在磁场中受到很强的磁力吸引作用。由于这类强吸引力作用首先是在铁和含铁合金中观测到的，因此把这种磁性称为铁磁性，并把相应的物质称为铁磁性物质。

在20世纪30年代以前，人们认为自然界中只有上述三类磁性物质。但是到了20世纪30年代，人们在实验中观察到有些物质的磁化率-温度关系曲线出现反铁磁性，因此发现了反铁磁性物质并建立了反铁磁性理论。到了20世纪40年代，在大量的关于铁氧体磁性和反铁磁性的实验研究中，人们又发现了亚铁磁性物质。因此，到目前为止，根据现代磁学可将物质的磁性分为5种：①顺磁性；②反磁性；③铁磁性；④反铁磁性；⑤亚铁磁性。

物质磁性的定量分类是根据磁化率的大小和符号来进行的。

1.顺磁性物质

顺磁性物质的磁化强度与磁场强度的方向相同，大小成比例，磁化率的数量级为10^-5SI。在宏观上，顺磁性的磁化率与绝对温度T有关（居里定律）：

岩石物理学基础

式中：C_p为居里常数。

在微观上，顺磁性物质的磁化率可用郎之万公式来描述：

岩石物理学基础

式中：n为粒子密度；k为玻耳兹曼常数［k=1.38×10^-23J/K（焦耳/开）］；μ_a为单个原子（分子或离子）磁矩的绝对值。

2.反磁性物质

反磁性物质产生的磁化强度与按洛伦兹（Lorentz）规则确定的方向相反，大小与磁场强度成比例。因此，反磁性物质的磁化率是负值，其数量级为10^-5SI。

3.铁磁性物质

铁磁性物质的磁化率远远地大于零，其数量级在10^-1～10⁵SI之间。与其他磁性物质相比，铁磁性物质有以下几个特点：①磁化率比其他磁性物质高10个以上的数量级；②磁化率与磁场的大小及增加的先后顺序有关；③存在着饱和磁化强度和剩余磁化强度（磁滞现象）；④在居里温度点上，铁磁性物质的铁磁性消失，转化成顺磁性物质；⑤磁化率随温度升高而下降。在超过居里温度后，磁化率按居里-外斯定律变化：

岩石物理学基础

式中：T_c为居里温度。

4.反铁磁性物质

反铁磁性物质形成的总磁化强度为零。原因是邻近磁畴的磁矩排列方向相反，相互抵消。反铁磁性物质的磁性与环境温度有关，在超过奈耳温度后，反铁磁性物质变为顺磁性物质。

5.亚铁磁性物质

只有部分的自然磁化残留在物质当中，磁矩的排列使得磁性只是部分地抵消。反铁磁性是亚铁磁性物质的极限情况。