磁性材料的磁性及工程应用

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磁性材料的磁性及工程应用

磁性材料指具有强的磁性及工程应用价值的材料。大抵可分为：「永久磁性材料」、「暂时磁性材料」及「半永久磁性材料」三大类。它们广泛地应用於电子、电机、资讯、机械及交通等产业上。本文简介磁性的由来、各类磁性材料的特性与功用。

磁性材料（magnetic materials）系你我遭俯拾即是的材料。较醒目的，如白板上的磁铁、磁性跳棋下面的磁、指南针、录音带、磁头、软式磁碟片等等；另外有更大量包装在某些装置裏面的磁性材料，如马达、电视机、变压器、汽车等等部，不一而足。可以说，磁性材料已与现代人的生活息息相关。

在材料科学的领域，它回类在「电子材料」裏面（与导电材料、尽缘体、半导体等并列）。但具有磁性之材料又涵盖金属材料、瓷材料，甚至於高分子材料。它的形态还包括块料（b1uk）、粉体（particulate）及薄膜（thin film）等。因此磁性材料本身为具有多元化角色的材料。

以物理学的观点来说，任材料都是磁性材料，也就是说，每一种材料都有一定的磁现象。有的在磁场会抵消一小部分磁场强度，呈现「反磁性」（diamagnetism），如铜；有的在磁场有微小的正感应，呈现「顺磁性」（paramagnetism），如空气；有的在磁场会感应产生很强的磁性量——称为磁化量（magnetization），

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呈现铁磁性（ferromagnetism，又称强磁性）或者亚铁磁性（ferrimagnetism，又称亚强磁性）等种类繁多。在产业上，只有具强磁性或亚强磁性的材料才能加以利用。但在物理、化学及医学上，其他类型的磁性也有很大的功用。最有趣的例子是，医学上利用人体器官分子的磁共振，可以迅速作完全身健康检查，由器官分子的「磁性」，可以检测病变之有无，所使用的设备叫做MRI（magnetic resonance imaging）。在此，只拟介绍产业应用价值较大的强磁性及亚强磁性材料（永久及暂时磁性材料；半永久性者种类及应用较少，限於篇幅不谈）。

磁性的由来

直到二十世纪以前，人们（包括科学家）对物质磁性的了解，不会比我们的老祖宗在数百、甚至於数千年前的了解好到那裏往。最近七十多年来，靠著很多受过密科学练习的物理家、化学家及数学家不断的努力，终能逐渐解开它神秘的面纱，一窥其全貌。让我们循著先哲的路线来了解磁性的起源。

由实验得知，两磁极间有相吸或相斥之力，称为磁力。因此由力的丈量，可以得知「磁」的大小。有力就会有力矩，因磁所起的力矩称为「磁矩」（magnetic moment）。早期科学家（例如法拉第、居里等人）尝试在磁场丈量物质所含磁矩之大小及其随温度变化的关系，从而发现不同物质的不同反应。一物体所含磁矩之量称为「磁化量」。单位磁场所能引起的磁化量称为「磁化率」（magneticsusceptibility），由磁化率对温度的定量关系，吾人便可定义反磁性、顺磁性及强磁性等的不同。但以如此？仍然没有答案。

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首先，磁矩是什麼呢？若将磁铁一再分割，每一新得之颗粒皆为一新的磁铁，具有南、北（N、S）极，分割到最小而仍会保有N、S两极的即为磁矩。目前，我们已知电子自旋或公转，就造成此种最小单位（比如电流绕线圈活动造成磁场）。换句话说，磁矩就是电子运动（公转、自转），未被抵消的净量，亦即为磁陀（magnetic spin）之净值。除反磁性物质以外，所有其他物质在磁场都有或多或少的磁矩，可以定量地量测出来，很显然地它们都含有磁性的原子（分子）。那麼强磁性是怎麼来的呢？以同样含有磁性原子而有的是强磁性，有的却没有呢？

1907年，斯（Weiss）重复居理於1895年的实验，再配合数学家蓝古文（Langeuim）的理论，假设磁性「分子」（当时以为分子是物质之最小单位）间有相互作用，称为分子场（molecularfield），并大胆推断非强磁性物质之分子场很小，而强磁性物质之分子场非常大，大到足以使「分子」之磁矩同向排列而达饱和。温度高到居里点（编注：铁磁性物质由强磁性变为顺磁性时的温度，称为居里点）以上时，热能破坏了分子场的排列作用，使磁性「分子」混乱，即为顺磁性。

然则，以大部分铁、钴、镍等强磁性元素不会吸引别的铁、钴、镍呢？既然它们部已磁化到饱和，应可作为很强的永久磁铁才是啊。斯又提出另一个大胆假设，那就是物系为降低自由能以达安定化，会进步乱度。强磁性物质部自动分成很多小区域，称为磁区（magnetic domain）。在同一磁区磁化向是一致的，不同

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