抗磁性、顺磁性和铁磁性是指不同材料对磁场的反应。抗磁性、顺磁性和铁磁性之间的主要区别在于,抗磁性是指一种与外部磁场相反形成的磁性,当外部磁场被消除时,这种磁性就会消失;顺磁性是指一种沿外磁场方向形成的磁性,当外磁场消失时,顺磁性消失;铁磁性是指材料中沿外磁场方向形成的一种磁性,当外磁场被消除时,这种磁性仍能保持。
在量子力学中,电子有角动量。这里所说的“角动量”是一种量子力学性质,但它可以被认为类似于经典物理学中的角动量,在经典物理学中,物体在旋转运动时有角动量。
电子表现出两种角动量:自旋角动量和轨道角动量。自旋角动量是电子的固有特性,就像它们的电荷或质量一样。轨道角动量是电子在原子中所具有的一种性质。每个角动量都有一个磁矩。磁矩是一种使电子在磁场中受到力的性质。
The magnetic moment ( ) due to spin angular momentum ( ) is given by:
where and are the charge and mass of an electron respectively.
Similarly, the magnetic moment ( ) due to orbital angular momentum ( ) is given by:
所有的材料都是抗磁性的。抗磁性是三种不同类型磁性中最弱的。因此,如果一种物质是顺磁性或铁磁性的,那么它的抗磁效应就会被这两种磁性所掩盖。在抗磁材料中,材料中每个电子的磁矩被抵消。当抗磁材料置于磁场下时,该材料产生与外部磁场相反的磁场。结果,材料被外场排斥。例如,下图显示的是一只活青蛙,它被用来在强磁场下悬浮。在这里,青蛙的身体表现出抗磁性:
Due to diamagneti**, the frog produces a magnetic field that causes it to repel the external magnetic field. Therefore, it “floats”.
在原子中有未配对电子的材料中,单个电子的磁矩不能完全抵消,因此原子留下一个合成磁矩。然而,原子的磁矩是在随机方向上排列的,因此材料作为一个整体不显示磁性。然而,如果将这种材料置于外磁场中,那么单个原子的磁矩就可以与外磁场对齐,从而使材料磁化。顺磁性材料产生的磁场指向与外磁场相同的方向。这种材料只有在外部磁场中才会显示磁性。如果外部磁场被关闭,那么材料就会失去磁化作用。顺磁性材料包括液氧和某些金属。下面的视频演示了液氧的顺磁性:
构成铁磁性材料的原子中有未配对的电子,因此每个原子都有一个净磁矩。附近原子的磁矩趋向于排列,在材料中形成不同的区域(称为磁畴),在这些区域中,由于单个原子产生的磁矩排列在一起。然而,不同的磁畴仍可能有指向不同方向的磁矩。当铁磁性材料置于外磁场中时,磁场中的不同磁畴都与外磁场对齐。
How the magnetic moments of different magnetic domains align with an external magnetic field, as the external magnetic field strength is increased.
即使去除了外部磁场,这种材料也能保持其磁化强度。铁磁性材料包括铁、钴、镍及其合金。
在抗磁性材料中,单个原子没有净磁矩。
在顺磁性和铁磁性材料中,每个原子都有自己的磁矩。
抗磁材料的磁场与外部磁场的方向相反。
顺磁性和铁磁性材料的磁场与外部磁场的方向一致。
当外部磁场被移除时,抗磁和顺磁材料失去了它们的磁化。
铁磁性材料即使在去除外部磁场的情况下也能保持其磁化强度。
Image Courtesy
“A live frog levitates inside the Ø32mm vertical bore of a Bitter solenoid in a magnetic field of about 16 tesla at the Nijmegen High Field Magnet Laboratory” by Lijnis Nelemans (English Wikipedia) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Comm***
“埃斯克玛·德·多明尼奥斯·马格纳é铁磁体ándose con un campo creciente…“由4lex在西班牙维基百科(从es.Wikipedia转移到Comm***)[CC by-SA 3.0],通过维基媒体Comm***
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