顺磁性

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介绍

顺磁性是指物质在施加的外部磁场作用下被微弱吸引的一种磁性。它在磁场方向上产生感应和内部磁场。原子具有多个未成对电子的磁现象称为顺磁性。磁场中的未成对电子具有磁偶极矩，并像微小的磁体一样作用。

什么是顺磁性？

顺磁性被定义为材料的一种磁性特性，即被强磁体微弱吸引。它是由英国科学家迈克尔·法拉第在 1845 年命名并研究的。已确定一些化合物和大多数元素是顺磁性的。顺磁性材料由于轨道磁矩和电子自旋的不完全抵消而具有永久磁偶极矩。

在没有磁场的情况下，偶极矩是随机排列的。因此，顺磁性材料没有净宏观磁化。顺磁性材料被描述为被磁铁微弱吸引的材料。这些物质包括金、氧气、铝等。这些原子元素包含电子；其中一些以相同的方向旋转。这是因为该特性使原子具有相同的极性。

图 1：顺磁性材料中的顺磁性液体

排列程度取决于外场的强度，并与样品温度成反比。在顺磁性中，取向再次受到热振动的干扰，并且当顺磁性材料从磁场中移除时会退磁。

这是顺磁性物质不能用作永久磁铁的主要原因。例如，如果一个装有少量顺磁性液体的玻璃杯放在两个不同的磁极上，则液体在中间点会表现出抬升。

居里定律

居里定律是由皮埃尔·居里发现的，该定律指出顺磁性材料的磁化强度与施加的磁场的强度成正比。根据居里定律，这种磁化强度的强度与施加到材料上的温度成反比。根据该定律，这意味着如果顺磁性材料的温度更高，则物质中的磁化强度更低。居里定律的公式表示为 C=MT/B，其中 M 表示物质的磁化强度，C 表示居里常数，B 是施加到材料上的磁场强度，T 是以开尔文表示的温度。居里物理常数取决于具有精确平均固有磁矩离子的有效运动。它是计算一个成分在经历热波动而不是通过热波动显示磁取向的强度的计算。

顺磁性材料及其磁化率

材料	磁化率 [10-5]（SI 单位）
铝 (Al)	2.2
镁 (Mg)	1.2
钠 (Na)	0.72
锂 (Li)	1.4

表 1：顺磁性材料的磁化率

顺磁性材料是由于存在一些未成对的电子，这些电子会导致由外部磁场引起的电子路径重新排列。

图 2：顺磁性材料和电场

上图表示当去除和施加电场时顺磁性材料中的排列。顺磁性材料在没有外部施加磁场的情况下不会保留任何磁化，因为运动会使负责磁性的自旋排列随机化。

顺磁性材料的特性

• 当净“原子偶极矩”为零时，顺磁性物质的原子由于未成对的自旋而具有永久磁矩。顺磁性区域在非均匀外部磁场中从弱场移到强场。

• 由于磁场在两极附近更强，因此顺磁性棒保持平行于磁场（Zhang 等人，2021）。在顺磁性中，U 形管中的顺磁性液体在磁极之间的肢体中上升。

• 顺磁性中的磁化强度为正、相对较小，并且与磁化场的强度成正比。顺磁性中磁铁的磁化率也为正且较小。

• 磁力线在顺磁性物质内部变得更深（Haskel 等人，2020）。磁导率略大于 1，顺磁性材料的磁化强度与最终温度成反比。

• 顺磁性材料遵循居里定律，根据该定律，磁铁的磁化率与最终温度成反比。

顺磁性和抗磁性之间的区别

顺磁性物质	抗磁性物质
磁性中的顺磁性物质被磁铁微弱吸引	在抗磁性中，抗磁性物质被磁铁削弱并排斥。
顺磁性中的物质在外部“非均匀”磁场中具有从较弱部分到较强部分移动的趋势。	抗磁性中的物质在外部“非均匀”磁场中具有从较强部分到较弱部分移动的趋势。
顺磁性材料中显示的磁化率小且为正	抗磁性物质中磁铁的磁化率往往为负。
如果将气体引入磁极之间，则顺磁性气体将在磁场方向上扩散。	如果将气体引入磁极之间，则抗磁性气体将在磁场的垂直方向上扩散。
钙、锂、氧、铬和铂是顺磁性的一些实例。	汞、金、银、氮和铜是抗磁性物质的一些实例。

表 2：顺磁性和抗磁性之间的区别

顺磁性材料的用途及其确定行为

顺磁性材料或药物通常扩散到特定的器官系统或疾病部位，这在临床上有助于增强核磁共振图像中的组织对比度（Thoughtco，2022）。在确定顺磁性材料在外部磁场中的行为时，请考虑氧气罐的例子。在第一阶段，确定外部“磁场”的对齐方式，其中地球的“磁场”从南指向北。在最后阶段，顺磁性物体的净偶极矩将与外部场的方向相同。净偶极矩也从南指向北。

结论

在顺磁性中，偶极矩没有以适当的均匀性排列，因为物质内的原子运动随机导致原子碰撞。经过这种碰撞后，原子不会永久地偏离取向。实际上，在顺磁性中，顺磁波物质的净偶极矩小于所考虑的原子相互作用。它是从顺磁性的事实中获得的，即外部场平行于场。

常见问题

Q1. 抗磁性和顺磁性材料有什么区别？

顺磁性材料被磁铁的磁场微弱吸引，而抗磁性材料被磁场微弱排斥。

Q2. 磁铁的主要类型有哪些？

抗磁性、顺磁性和铁磁性被认为是磁铁的主要类型。

Q3. 磁化率的定义是什么？

磁化率是指衡量物体在相应磁场中被磁化的程度的量度。

Q4. 居里温度的应用在哪里？

加热时材料转变为顺磁性物质的温度称为居里温度。这种变化主要用于光学媒体存储以擦除旧信息。

Q5. 什么是顺磁性材料？

它是一种倾向于朝可用磁场方向排列的材料。

参考文献

期刊

Davidovich，M. V.（2018）。由带电流的环组成的超材料的抗磁性和顺磁性。JETP Letters，108（5），279-286。检索自：https://www.researchgate.net

Haskel，D.，Fabbris，G.，Kim，J. H.，Veiga，L. S.，Mardegan，J. R. L.，Escanhoela Jr，C. A.，... & Kim，J. W.（2020）。压缩 Sr 2 IrO 4 中可能的量子顺磁性。物理评论快报，124（6），067201。检索自：https://arxiv.org/pdf/1911.09786

张健，小坂和也，北川洋，宫坂浩. (2021). 一种表现出CO2诱导顺磁性和亚铁磁性转变的金属有机框架. 《自然化学》, 13(2), 191-199. 检索自: http://canli.dicp.ac.cn

网站

Phys, 2022. 关于磁性的应用. 检索自: https://phys.libretexts.org [检索日期: 2022年6月7日]

Thoughtco, 2022. 关于顺磁性的定义和示例. 检索自: https://www.thoughtco.com [检索日期: 2022年6月7日]