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為什么磁鐵可以吸引鐵、鈷、鎳?

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鐵磁性物質,包括鐵、鈷、鎳及其化合物與合金等材料,主要特性是具有很大的「磁化率」,亦即 χ 值為一很大的正數。鐵磁性物質與順磁性物質一樣,原子本身都具有「不成對電子」而造成原子的「凈磁矩」不為 0。不過鐵磁性物質與順磁性物質有一個非常不同的地方,就是鐵磁性物質鄰近兩個原子之磁矩彼此間會有「交互作用」,此交互作用使得鄰近的磁矩會指向同一方向,這是一種「量子效應」。鐵磁性物質的磁性行為可以用「磁域,magnetic domain」的觀念來作概述。

鐵磁性物質,包括鐵、鈷、鎳及其化合物與合金等材料,主要特性是具有很大的「磁化率」,亦即 χ 值為一很大的正數。鐵磁性物質與順磁性物質一樣,原子本身都具有「不成對電子」而造成原子的「凈磁矩」不為 0。不過鐵磁性物質與順磁性物質有一個非常不同的地方,就是鐵磁性物質鄰近兩個原子之磁矩彼此間會有「交互作用」,此交互作用使得鄰近的磁矩會指向同一方向,這是一種「量子效應」。鐵磁性物質的磁性行為可以用「磁域,magnetic domain」的觀念來作概述。

每個磁域介于幾微米到 1 毫米間

縱使沒有外加磁場,鐵磁性物質仍擁有來自「自旋電子」并且排列整齊的磁矩。同一個磁域內的磁矩,因磁域中原子磁偶極矩間的強烈「耦合作用」,使得各磁矩互相平行排列,且指向同一方向,亦即每一個磁域本身便有一飽和磁化值,稱為「自生磁化」。這些磁域之間有「磁壁,domain wall」相隔,每一個磁域內包含了數百萬個小磁矩。在外加磁場時,不同磁域磁矩之指向并不相同,如圖所示,整個鐵磁性物質的總磁矩為 0。

由于熱能會導致鐵磁性物質的磁偶極矩偏離完美的平行排列方式。當溫度漸漸升高時,若溫度增加至熱能大于鐵磁性物質的磁偶極矩平行排列的交換能時,因磁矩受到熱激發(fā)的擾亂,使得排列秩序開始變得凌亂,這時,鐵磁材料的鐵磁性消失而轉變成「順磁性」。這個磁性性質發(fā)生變化時的溫度即稱為「居里溫度,Curie point,TC」。當鐵磁性材料從高溫降溫至低于「居里溫度」時,鐵磁性磁域將再形成,材料變回鐵磁性。

一般常見的鐵磁性材料塊材,Fe 的居里溫度約為 770℃,Co 的居里溫度約為 1,123℃,Ni 的居里溫度約為 358℃。以 29Ni/17Co/ Fe 合金的熔點為 1,450℃,換言之,該合金熔化成液態(tài)時已經超過「居里溫度」,所以不再具有磁性;其熔點為 1,594℃,同樣超過居禮溫度,所以也不再具備磁性了。

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