釹為什么可做釹鐵硼磁鐵,它是如何提高其磁性的呢?

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       首先要搞清楚磁體的磁性的來源。一般來講宏觀磁體的磁性都是磁鐵里面所有電子的軌道角動量磁矩和內稟磁矩的總和。而其中內稟磁矩(主要指電子自旋磁矩)是最重要的貢獻者。

所以這就是為什么常見的磁鐵來來回回都是那幾種元素,能吸引的也都是些什么鐵鈷鎳之流。這些元素由于自己特殊的電子云結構,使得外層電子中有一些電子的磁矩沒有被抵消(姑且這么理解)。因此在外磁場下能很容易被安排得整整齊齊,從而顯示出宏觀磁性。

磁鐵的性能如何,還會受到晶體結構的影響。一些晶體的結構有利于形成比較強的磁各向異性。因此在設計磁鐵的時候,還要考慮怎么優化晶體結構來獲得更好的性能。

釹是稀土元素的一種。很多稀土元素的特點就是本身就攜帶很強的內稟磁矩,適合用來做磁鐵的添加劑。而硼本身是沒有磁性的,半徑也比較小,對磁場的影響不大。所以硼可以用來輔助搭建晶體結構本身。很多磁性材料里面都有硼,比如釹鐵硼、稀土四硼化物等。類似于蓋房子用的磚。

手頭上正好有新鮮出爐的模擬結果,可以拿來說明問題。這是一個長方體鐵磁體中截出來的橫截面。顏色代表不同的晶粒,灰色的箭頭是單位體積的磁化強度。

圖1是各向同性磁體的自發磁化結構?梢钥吹酱啪夭]有形成磁疇結構,而是一些類似漩渦的結構。這是由磁場散度為零的特性決定的。

圖2中各晶粒有自己的磁單軸各向異性。磁矩自發形成了很明顯的磁疇結構,磁疇間存在清晰的疇壁(主要是180°Bloch Wall)。雖然磁疇的存在形成了局域的宏觀磁矩,但是磁疇間的取向互相抵消,所以總的磁化強度為零。

圖3是經歷過飽和磁化再撤去磁場以后的磁結構。相比于圖2,圖3中的磁疇更大,取向也更有偏向性。因此存在一個偏向X軸方向的宏觀磁矩。

圖1和圖2的體系都是鐵磁體系,都能被磁化并形成宏觀磁矩。但是圖1在退磁場的作用下會慢慢消磁,而圖2因為有磁各向異性的介入,所以是一個永磁體。

可以說,磁交換作用是磁體系的物理基礎,但是決定宏觀磁矩的還是各向異性(包括磁晶各向異性,形狀各向異性和交換各向異性)。如果你手上有戴道生的鐵磁學,還請你好好看看。里面肯定有相關的描述的。

圖1,無磁晶各向異性的磁結構。
圖2,有磁晶各向異性的磁結構。

圖3,經歷過磁化過程的磁結構。

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