什么是磁力？磁性从何而来？为什么有些材料表现出磁性而另一些则没有？
之前写过很多关于电机和传感器的文章，里面用到了磁铁。
我本来想写一下磁铁的分类和磁铁如何生产出来的，但是有一个更基本的问题萦绕在我脑海。材料的磁性到底从何而来？为什么有些材料表现出磁性而另一些则没有？这篇文章，我打算以对话的方式来聊聊这个基本问题，对于磁铁的理解会更到位。磁力也称为磁性，是某些材料（如磁铁或者电磁铁）所具有的自然力。它有点像一种无形的力量，将某些物体吸引到彼此。可以将磁力想象成类似于磁铁所具有的超能力。就像超级英雄如何用他们的力量吸引或排斥物体一样，磁铁具有吸引或排斥其他磁铁或磁性物体的能力。将两块磁铁想象成两个喜欢在一起或讨厌对方的朋友。当两块磁铁的不同端相互靠近时，它们会感受到强烈的吸引力，就像两个迫不及待想要在一起的朋友。这叫做异极引力。另一方面，如果你试图将两块磁铁的相同端放在一起，它们会相互排斥，就像两个合不来的朋友想要远离对方一样。这称为同极排斥。磁性也是磁铁使某些材料暂时具有磁性的原因。这就像将他们的超能力借给附近的物体。当您将回形针靠近磁铁时，磁铁会将其磁性传递给回形针，使回形针暂时具有磁性。发生这种情况是因为磁铁的磁场影响回形针中的原子并以磁性方式排列它们。所以，磁力就像是磁铁所拥有的一种神奇力量，可以让它们吸引或排斥其他磁铁或磁性材料。这是一种将物体聚集在一起或将它们推开的力量，就像喜欢在一起或喜欢保持距离的朋友一样。磁性是由物质中的微观电荷和电流运动引起的。当电荷或电流在物质中移动时，会产生磁场，这种磁场是磁性的基础。电子的轨道运动和自旋示意图。就像地球围绕太阳旋转一样，电子围绕原子核旋转，这称为轨道运动。但是其实类似于地球自转，电子还会围绕自身旋转，把这种旋转称为自旋。当电子自旋和轨道运动相互作用时，会形成微小的电流环（磁矩），这些电流环产生磁场，可以看着微型磁铁。在没有外部磁场的情况下，这些微小的电流环通常是随机排列的，导致物质没有明显的磁性。自旋和轨道运动磁矩示意图。然而，当外部磁场施加在物质上时，它会对电子的自旋和轨道运动施加力，使得微小的电流环趋向于在特定的方向上对齐。电子可能有向上自旋或向下自旋。自旋向上的电子可以被认为是北极朝上的磁铁，自旋向下的电子南极向上。当大量的电子自旋和轨道运动对齐时，它们的磁场叠加在一起，形成了一个更强大的磁场，这种物质就表现出明显的磁性。铁磁材料的电子磁矩全部朝一个方向，有强磁性。非铁磁材料的磁矩相互抵消。在某些材料中，如铁、镍和钴等，电子自旋和轨道运动更容易被外部磁场所影响，因此这些材料对磁场更敏感，并表现出较强的磁性。这些材料称为铁磁材料。而其他材料，如铜和铝等，对外部磁场的影响较小，表现出较弱的磁性，这些材料称为非铁磁材料。总的来说，磁性是由微观电荷和电流运动引起的，当大量的电子自旋和轨道运动在特定方向上对齐时，就会形成明显的磁性。3. 那么到底是电子自旋的作用更大还是电子绕原子核的轨道运动作用更大？电子的自旋和绕原子核的轨道运动都对磁性起到重要作用，但它们的贡献有所不同。电子的自旋是指电子围绕自身轴线旋转的性质，它类似于地球自转。自旋产生的磁场被称为自旋磁矩。电子的自旋磁矩对于物质的磁性起到了重要作用，尤其是在原子和分子尺度上。电子绕原子核的轨道运动是指电子在原子中沿特定轨道运动的性质，类似于地球绕太阳的运动。绕核轨道运动的电子也会产生磁场，被称为轨道磁矩。轨道磁矩对物质的磁性也有贡献，特别是在固体中。在大多数情况下，电子的轨道运动对物质的磁性影响较小，而自旋对磁性的贡献更为重要。这是因为电子的轨道运动通常是圆周形状，磁场的平均效应往往会彼此抵消。而电子的自旋磁矩由于是围绕自身旋转，因此在平均效应上没有抵消，对磁性起到了更大的作用。然而，存在一些特殊情况，例如过渡金属化合物等，其中电子的轨道运动对磁性也起到了重要作用。在这些材料中，电子的轨道形状和排布导致轨道磁矩对磁性的贡献增加。总的来说，电子的自旋和轨道运动都对磁性有贡献，但在大多数情况下，自旋的作用更大，尤其是在原子和分子尺度上。4. 温度对磁性有什么影响？为什么高温时磁铁没有磁性？温度对磁性有重要影响，高温时磁性会减弱或消失，导致磁铁失去磁性。这是因为温度增加会增加材料中的热运动，而热运动对于磁性的存在和维持起到破坏性的作用。在一个磁体中，磁性来源于电子的自旋和轨道运动对齐产生的磁矩。在低温下，材料中的原子和电子具有较小的热能，电子相对较静止，自旋和轨道运动更容易保持对齐，磁矩之间的相互作用较强，因此磁体表现出明显的磁性。然而，当温度升高时，原子和电子获得更多的热能，它们的热运动增强。这种热运动会导致磁矩的随机化，自旋和轨道运动之间的对齐程度减弱，从而削弱了磁性。高温下，热运动足够强大，以至于原子和电子的自旋和轨道运动难以保持对齐，磁矩之间的相互作用减弱，导致磁体失去磁性。在临界温度以上，被称为居里温度（Curie temperature），磁体完全失去了磁性。居里温度是材料特有的，不同材料的居里温度也不同。对于铁磁材料，如铁、镍和钴，居里温度较高，通常在几百摄氏度到千摄氏度之间。非铁磁材料的居里温度相对较低。Fe和Fe3O4居里温度图对比。因此，高温会增加热运动，破坏自旋和轨道运动的对齐，降低磁矩的相互作用，导致磁体失去磁性。除了温度，磁性还受到其他因素的影响，包括以下几个主要因素：材料的组成和结构：不同材料的磁性性质差异很大。一些材料，如铁、镍和钴等铁磁材料，对磁场更敏感，表现出较强的磁性。而其他材料，如铜、铝等非铁磁材料，对磁场的影响较小，表现出较弱的磁性。外部磁场：外部磁场可以对材料的磁性产生影响。当外部磁场施加在物质上时，可以对电子的自旋和轨道运动施加力，使得微小的电流环趋向于在特定的方向上对齐，进而增强材料的磁性。外部磁场的强度和方向都会影响材料的磁性。形状和尺寸：材料的形状和尺寸也可以影响其磁性。在微观层面上，材料的形状和结构可以影响自旋和轨道运动的相互作用，从而改变磁性。在宏观层面上，磁体的形状和尺寸可以影响磁场的分布和强度，进而影响整个磁体的磁性。磁化历史：材料的磁化历史也可以影响其磁性。如果一个材料经历过强磁场的磁化过程，然后被去除磁场，它可能会保留一定的残余磁性，称为剩余磁性或磁记忆。这种剩余磁性可以在一定程度上影响材料的磁性。总之，除了温度之外，材料的组成和结构、外部磁场、形状和尺寸，以及磁化历史都可以对磁性产生影响。这些因素相互作用，决定了材料的磁性特性。磁畴是指在铁磁材料中存在的微观区域，这些区域在每个区域内的磁矩方向上相对一致，而不同区域之间的磁矩方向可能不同。每个磁畴内的磁矩对齐，形成一个微观磁性区域。在没有外部磁场作用时，铁磁材料中的磁畴是随机分布的，没有明显的整体磁性。但当外部磁场施加在铁磁材料上时，磁场会影响磁畴的排列和取向。在外部磁场作用下，磁畴会发生变化。首先，磁畴的数量可能会减少，一些磁畴会增长，而其他磁畴会收缩。其次，磁畴的取向会趋向于在外部磁场的方向上对齐。最终，在足够强的外部磁场下，磁畴可能会完全合并，整个材料将呈现出一个统一的磁性方向，从而形成一个大的磁畴。磁畴的存在对铁磁材料的磁性具有重要影响。在没有外部磁场的情况下，磁畴的随机分布导致整体磁性被抵消，材料没有明显的磁性。但当外部磁场施加在材料上时，磁畴的重排和对齐使得材料表现出明显的磁性。需要注意的是，磁畴的尺寸和形状取决于材料的特性和处理条件。不同材料和处理方法可能会导致不同大小的磁畴。通过调控磁畴的形态和尺寸，可以对铁磁材料的磁性进行调整和控制，这在磁存储和磁传感器等领域具有重要应用。磁性材料可根据其磁性和行为分为几类。以下是磁性材料的主要分类：铁磁材料：铁磁材料表现出很强的磁性，可以被磁化成为永磁体。它们具有高磁化率，即使在去除外部磁场后仍能保持磁化。常见的例子包括铁、镍、钴及其合金。磁性材料的分类。抗磁顺磁铁磁材料的表现。
顺磁性材料：顺磁性材料被外部磁场弱吸引并表现出正磁化率。它们在与施加的磁场相同的方向上被磁化，但是当磁场被移除时它们会失去磁性。顺磁性材料的示例包括铝、铂和氧。抗磁性材料：抗磁性材料被外部磁场弱排斥并表现出负磁化率。它们在施加磁场的相反方向上被磁化，并且在磁场移除时失去磁性。抗磁性材料的例子包括铜、铋和水。亚铁磁材料：亚铁磁材料表现出铁磁和反铁磁行为的组合。它们具有两个或多个具有不同磁矩的磁性子晶格，从而产生净磁化强度。铁氧体，例如磁铁矿 (Fe3O4)，是亚铁磁性材料的示例。反铁磁材料：反铁磁材料具有沿相反方向排列的相邻磁矩，导致净磁化强度为零。在没有外部磁场的情况下，它们不表现出宏观磁化。铬和锰的氧化物是反铁磁材料的例子。超顺磁材料：超顺磁材料表现出类似于铁磁材料的磁性，但仅限于纳米级。它们由纳米粒子组成，这些纳米粒子表现为独立的磁性实体，在高温或没有外部磁场的情况下会失去磁性。从量子力学的角度理解磁性涉及考虑电子的行为及其与磁场的相互作用。在量子力学中，电子由波函数描述，波函数表示它们的概率分布。这些波函数决定了电子可能占据的状态，包括它的能级和自旋方向。电子的自旋是一种固有属性，可以被认为是其固有的角动量。它有两个可能的方向，称为“向上旋转”和“向下旋转”。当将材料置于磁场中时，电子自旋与磁场之间的相互作用会导致一种称为塞曼效应的现象。塞曼效应分裂电子的能级，导致不同自旋方向的不同能态。在存在外部磁场的情况下，电子倾向于将其自旋与磁场平行或反平行对齐，具体取决于它们的能量状态。这种对齐导致材料产生净磁矩，从而有助于其磁性。此外，在量子力学中，电子表现出一种称为“自旋交换”或“自旋耦合”的特性。这是指电子倾向于将其自旋与相邻电子对齐，从而产生有助于材料整体磁性的集体行为。量子力学还解释了顺磁性和抗磁性等现象。顺磁性材料具有不成对的电子，可以使它们的自旋与外部磁场对齐，从而导致弱吸引力。另一方面，抗磁性材料的所有电子都成对，因此在存在磁场时会产生弱排斥力。总的来说，在量子力学的框架内理解磁性涉及考虑电子的波动性质、它们的自旋方向、与磁场的相互作用以及自旋交换引起的集体行为。这种方法提供了对磁性微观起源的全面理解。软磁和硬磁材料是根据它们的磁化特性和磁化行为进行定义的，主要区别在于它们的矫顽力和磁导率。较低的矫顽力：软磁材料在外加磁场作用下，容易磁化和去磁化。它们具有较低的矫顽力，即需要较小的外磁场来实现磁化反转。高磁导率：软磁材料能够有效地传导磁场，因此在应用中能够减小磁能的损耗。低剩磁和低矫顽力：软磁材料在去磁化后，能够保持较低的剩余磁化程度和矫顽力。这使得它们适用于需要快速磁化和去磁化的应用。高矫顽力：硬磁材料需要较大的外磁场才能实现磁化反转，因此具有较高的矫顽力。低磁导率：硬磁材料相对较低的磁导率导致它们不能有效地传导磁场。高剩磁和高矫顽力：硬磁材料在去磁化后仍能保持较高的剩余磁化程度和矫顽力。这使得它们适用于需要长期保持磁化状态的应用。因此，软磁材料和硬磁材料的主要区别在于它们的矫顽力、磁导率以及在外加磁场下的磁化和去磁化特性。软磁材料用于传输和转换磁能，而硬磁材料用于存储和保持磁能。10. 软磁和硬磁材料都是铁磁材料吗？还是也可能是抗磁材料或者顺磁材料？软磁和硬磁材料通常是铁磁材料，但并不限于铁磁材料。除了铁磁材料，软磁和硬磁材料也可能是抗磁材料或顺磁材料。根据矫顽力的大小，把铁磁材料分为软磁，半硬磁，和硬磁材料。铁磁材料的分类，及其在不同电机转子中的应用：磁滞电机转子中主要用半硬磁材料，比如钴钢，有部分也用硬磁材料。感应电机转子用软磁材料，永磁电机转子用硬磁材料。常见软磁硬磁材料分类。软磁材料通常是铁磁材料，如镍铁合金（如Permalloy）和铁硅合金（如电工钢）。这些材料在外加磁场下容易磁化和去磁化，用于传输和转换磁能。硬磁材料通常也是铁磁材料，如钕铁硼（NdFeB）和钴钡铷（Alnico）等永磁材料。这些材料能够保持较强的磁化状态，并具有较高的矫顽力，用于存储和保持磁能。读一下这段文字挺有趣的。软磁和硬磁材料磁滞回线对比。然而，软磁和硬磁材料也可以是其他类型的磁性材料。抗磁材料是指在外磁场下不会发生明显的磁化的材料，如铁氧体（铁磁性很弱）和铬（抗磁性）。顺磁材料是指在外磁场下会发生磁化，但磁化方向与外磁场方向一致的材料，如铝和锰。因此，软磁和硬磁材料的磁性质可以是铁磁性的，也可能是抗磁性的或顺磁性的，具体取决于材料的组成和微观结构。
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