磁化现象与磁性基本量

如果在真空中造一个磁场，然后在磁场中放入一种物质，就会发现，任何一种物质都会使其所占的空间的磁场发生变化。

不同物质所引起的磁场变化是不同的。对于铁，会使磁场强度明显增强，对于铜则会使磁场有所减弱，对于空气会使磁场略有增强。这就是说，物质在磁场中由于受磁场的作用，都会呈现一定的磁性，这种现象称为磁化。

若真空时，某空间的磁场强度为H₀，放入物质后，物质因磁化使它所在的空间磁场发生变化，即产生一个附加磁场H′，那么该空间总的磁场强度H应为这两个磁场强度的矢量和，即

H=H₀+H′

根据磁化后对磁场的影响，可以把物质分为三大类：

使磁场略有减弱的物质称为抗磁性物质，其B<B₀，如铜、银、惰性气体等；

使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质，其B>B₀，如铝、锰、氧气、空气等；

使磁场明显增强的物质称为铁磁性物质，其B≫B₀，如铁、钴、镍等。

显然，物质的磁化是由外加磁场引起的，因此磁化强度M和外加磁场H之间存在下列关系：

M=κH

比例系数κ称物质单位体积磁化率或称磁化系数。磁化率还有另外两种表示法，单位摩尔磁化率和单位质量磁化率。

根据物理学可知，磁感应强度B与磁化强度M及磁场强度H有如下关系：

B=H+M=H+κH=（1+κ）H=μH=μ₀μ_rH

因此，磁导率μ，相对磁导率μ_r与磁化率κ一样也是表示物质磁化的量。

抗磁性物质的磁化率为负值。抗磁性物质和顺磁性物质磁化率值均很小，铁磁性物质的磁化率很大而且与外加磁场有关。部分物质的磁化系数见表2-3。(www.xing528.com)

表2-3 部分物质的磁化系数

近代物理学证明：在金属结构中，每一个电子都在做循轨运动和自旋运动，磁性就是这些运动产生的。电子的循轨运动可以看成一个闭合的电流，由此产生一个轨道磁矩_μL：

μ_L=m_LμB

式中 m_L——磁量子数；

μ_B——玻尔磁子，是轨道磁矩的最小单位。

电子的自旋运动，是电子本身的一个特征，由此产生一个自旋磁矩μ_s：

μ_s=2m_sμ_B

式中 m_s——自旋量子数。

电子磁矩等于轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。

原子核也有磁性，但很小，约为电子磁矩的，可忽略不计。

理论证明，当原子中的一个电子层已排满，这个电子层磁矩的总矢量和为0。如果一个原子电子层未排满，这时总磁矩就不等于0，原子就呈现磁性。当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩将发生变化，分子的磁矩并不等于各个原子磁矩总和。分子的磁矩是分子内所有的电子的轨道磁矩、自旋磁矩的矢量和。

如果没有外磁场作用，由于热振动，原子或分子的固有磁矩方向是杂乱无章的，所以宏观上物质表现不出磁性。但是如果对物体加上一个外加磁场，物体被磁化后就表现出一定的磁性。对于一个物体，物质被磁化的程度用物体磁矩来表示，它等于物体内部的自旋磁矩，轨道磁矩及附加磁矩的矢量总和（∑μ）。显然，物体的磁矩∑μ与物体的大小、原子数量多少有关，即和物体的几何形状、尺寸有关。因此，宏观上衡量物体的磁性不用∑μ，而是用单位体积的磁矩来表示，单位体积的磁矩即为磁化强度M：