同步電機之相關材料的磁性與分類

一、磁性的來源

原子的電子結構是材料磁性的基礎。在原子內部，電子除了繞原子核公轉外，還繞自身的軸線自轉（即自旋）。電子繞原子核作軌道運動時，形成一環(huán)形電流，產(chǎn)生一磁矩，稱為電子的軌道磁矩，如圖2一1 ( a）所示。

電子自旋產(chǎn)生自旋磁矩，如圖2一1 ( b）所示。原子核自旋也產(chǎn)生自旋磁矩，如圖2一1 ( c）所示，但由于其質量大，運動速度慢，只是電子自旋速度的幾千分之一，其磁矩與電子自旋磁矩相比可以忽略。因此，原子磁矩就等于原子核外所有電子的自旋磁矩和軌道磁矩之和。從圖2一1 ( b）可以看出，電子的自轉方向有逆時針和順時針兩種，所產(chǎn)生的磁矩方向相反，有正反兩種方向。在一些物質中，產(chǎn)生正、反磁矩的電子數(shù)目相等，它們產(chǎn)生的磁矩互相抵消，整個原子以至于整個物體對外沒有磁矩。若產(chǎn)生正、反磁矩的電子數(shù)目不等，則磁矩不能相互抵消，導致整個原子具有一定磁矩。物理學研究表明：任何微觀粒子都處于熱運動中，熱運動使各原子的磁矩方向不斷地、無規(guī)則地變化，因而各原子的磁矩互相抵消，如果沒有其他因素的影響，整個物體不顯示磁性。然而，相鄰兩個原子內電子的運動范圍在空間上發(fā)生重疊，存在一種交換作用，在強磁性材料中，這種交換作用比熱運動的影響大得多，電子磁矩的相互取向就取決于交換作用的性質。交換作用有正負兩核自旋磁矩行且同方向，顯示固有磁矩，即這些原子磁種：正的交換作用使電子的自旋磁矩互相平矩被整齊地排列起來，整個物體也就有了磁性；負交換作用使電子的自旋磁矩互相平行且互相抵消，不顯示磁性。

因此，根據(jù)磁性能的不同，可將材料劃分為以下5類

( 1）逆磁性材料。原子無磁矩，或者原子有磁矩、但原子組成的分子無磁矩。在外加磁場作用下，獲得與外磁場方向相反的弱磁性，其磁化率X < o且｝均＜10一5，包括惰性氣體、許多有機化合物、石墨以及若干金屬、非金屬等，大多數(shù)物質屬于這一類。

( 2）順磁性材料。當物質中不存在交換作用時，磁矩間相互混亂排列，且每一磁矩在熱運動作用下的空間取向不斷變化，為順磁性材料。在外磁場作用下，順磁性材料能呈現(xiàn)出十分微弱的磁性，且磁化強度的方向與外磁場方向相同，磁化率X > o，一般為10一“一10一5 。鋁、鎂、含水硫酸亞鐵等屬于這類材料。

. ( 3）反鐵磁材料。當交換作用為負時，若磁性電子的自旋磁矩互相平行且互相抵消，不顯示磁性，為反鐵磁材料。當外加磁場時，各原子磁矩勉強地轉向外磁場，由于它們的磁矩沒有完全被抵消，顯示出較弱的磁性。其磁化率義＞o，一般為10一5一10一“，如鉻、錳等。

( 4）亞鐵磁材料。當交換作用為負時，若磁性電子的自旋磁矩不互相抵消，則顯示一定磁性，為亞鐵磁材料，電子技術中大量使用的軟磁鐵氧體就是亞鐵磁材料。與鐵磁性材料一樣，亞鐵磁材料很容易被磁化，其磁化率X 》 O 。

( 5）鐵磁性材料。當交換作用為正時，磁性磁矩平行排列，顯示很強的磁性，為鐵磁性材料，包括鐵、鎳、鉆及它們的合金，某些稀土元素的合金和化合物，鉻和錳的一些合金等。其特點是，在相當弱的磁場作用下也能磁化，其磁化率X 》 O，一般為10一，一1護。 X不但是磁場強度的函數(shù)，還與磁化前樣品的磁狀態(tài)有關，表現(xiàn)為磁滯回線。另外，當溫度超過某一溫度時，磁性消失，轉變?yōu)轫槾判圆牧稀Ｆ渲?，逆磁性材料、順磁性材料和反鐵磁材料都是弱磁性材料，它們的磁性只有用精密儀器才能測出，稱為非磁性材料。亞鐵磁材料和鐵磁性材料具有很強的磁性，屬于強磁性材料，通常稱為鐵磁材料。