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📜  抗磁性材料——定义、特性、应用

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:37.853000             🧑  作者: Mango

抗磁性材料——定义、特性、应用

磁性的起源是由于电子的自旋运动及其相互作用。描述材料如何响应磁性是呈现不同类型磁性材料的最佳方法。你可能会惊讶地发现所有物质都是磁性的。主要区别在于某些材料比其他材料具有更高的磁导率。将它们分开的是磁矩之间相互作用的程度。少数材料没有集体原子磁矩相互作用，而另一些材料具有高原子磁矩相互作用。

磁性材料的分类

材料对外部磁力的响应由其磁特性定义。固体根据其磁性可分为三类：

  • 铁磁——被磁性材料强烈吸引的材料。镍、钴和铁就是其中的几个例子。
  • 顺磁性——被磁性材料微弱吸引的材料。钼、锂和镁是其中的几个例子。
  • 抗磁性——不被磁场吸引的材料。金、水、汞、铋和铜是其中的几个例子。

什么是抗磁性材料？

磁铁通常排斥抗磁性材料。从技术上讲，这些固体在与外部施加的磁场相反的方向上产生感应磁场并被它排斥。顺磁性材料的行为正好与这种现象相反。磁场是由电子在抗磁性材料原子上的轨道运动产生的，形成小的原子电流回路。当材料受到外部磁场的影响时，这些电流回路往往会以一种与外加磁场相反的方式排列。

因为抗磁性材料中的所有电子都是耦合的，所以每个原子没有永久净磁矩。抗磁特性是由于外部磁场的影响而导致电子路径重新排列的结果。因此，所有具有成对电子的材料都具有抗磁特性。

抗磁性材料的性质

  • 抗磁性材料没有原子偶极子，因为每个原子的磁矩由于成对电子而为零。
  • 磁铁会抵抗抗磁性材料。
  • 由于场对物质的排斥作用很弱，因此它们倾向于在非均匀场中从外部磁场的强区域迁移到弱区域。
  • 磁化强度 (I) 是一个微小的负数，与磁场成正比。
  • 磁化率可以忽略不计且很小。
  • 渗透率略小于一。
  • 温度不影响抗磁性材料。居里定律不适用于这些材料。
  • 当悬挂在均匀的磁场中时，一根抗磁性材料棒会静止，其长度垂直于磁场方向，因为磁场在两极处最高。
  • 在 U 型管中，抗磁性液体会压低磁铁两极之间的肢体。
  • 磁偶极矩很小，极化方向与磁场 H 的方向相反。
  • 如果将抗磁性液体放置在两个非常靠近彼此的极片之间的表玻璃中，液体会聚集在侧面，而凹陷会出现在磁场最大的中心。
  • 当液体倒在手表玻璃上时，手表玻璃放置在两个适当间隔的极片上（比前面的例子中更多），液体聚集在中间，那里的磁场最弱。
  • 由外加场引起的原子中电子轨道运动的偏移引起的感应偶极矩是抗磁性的来源。

抗磁性材料或抗磁性的应用

  • 由于抗磁性本质上是材料内磁场的排出，因此强大的抗磁性材料可以悬浮，或者如果它们足够强且足够大，则可以悬浮磁体。热解石墨在钕永磁体上的抗磁悬浮如下图所示。
  • 超导体中的抗磁响应使内部磁场为零，如下图所示。如上图所示，迈斯纳效应描述了某些材料在强大的永磁体存在下如何轻松悬浮。
  • 另一方面，高温（-100 K）的超导体是由不寻常的材料制成的，这些材料需要昂贵的加工并需要低温流体才能达到超导状态。
  • 下图中的超导体（蓝色）会排出其所有的外部磁场，这些磁场被称为完美抗磁体。

要记住的要点

抗磁性存在于所有材料中并且与温度无关，但由于与顺磁性和铁磁效应相比，这种效应非常温和，因此经常被忽视。

气体、液体和固体都可以表现出抗磁性。

超导体——超导体本质上是抗磁性材料，体积磁化率为 χ v = − 1（无量纲）。它们表现出完全的抗磁筛选，并且可以被归类为完美的抗磁体，因为它们会排出所有磁场。

迈斯纳效应——当在超导体附近引入永磁体时，超导材料会产生与永磁体磁场完全相反的电流。超导体排出外加磁场，导致其内部的磁场为零。在迈斯纳状态下，超导体充当完美的抗磁体。

示例问题

问题1：为什么抗磁化率是负的？

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问题2：水是天然抗磁性的吗？为什么？

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问题3：什么是抗磁性材料？

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问题 4：将抗磁性物质从 200 摄氏度加热到 450 摄氏度。什么是抗磁化率变化？

回答：

问题 5：举几个抗磁性物质的例子。

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