钕为什么可做钕铁硼磁铁,它是如何提高其磁性的呢?

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       首先要搞清楚磁体的磁性的来源。一般来讲宏观磁体的磁性都是磁铁里面所有电子的轨道角动量磁矩和内禀磁矩的总和。而其中内禀磁矩(主要指电子自旋磁矩)是最重要的贡献者。

所以这就是为什么常见的磁铁来来回回都是那几种元素,能吸引的也都是些什么铁钴镍之流。这些元素由于自己特殊的电子云结构,使得外层电子中有一些电子的磁矩没有被抵消(姑且这么理解)。因此在外磁场下能很容易被安排得整整齐齐,从而显示出宏观磁性。

磁铁的性能如何,还会受到晶体结构的影响。一些晶体的结构有利于形成比较强的磁各向异性。因此在设计磁铁的时候,还要考虑怎么优化晶体结构来获得更好的性能。

钕是稀土元素的一种。很多稀土元素的特点就是本身就携带很强的内禀磁矩,适合用来做磁铁的添加剂。而硼本身是没有磁性的,半径也比较小,对磁场的影响不大。所以硼可以用来辅助搭建晶体结构本身。很多磁性材料里面都有硼,比如钕铁硼、稀土四硼化物等。类似于盖房子用的砖。

手头上正好有新鲜出炉的模拟结果,可以拿来说明问题。这是一个长方体铁磁体中截出来的横截面。颜色代表不同的晶粒,灰色的箭头是单位体积的磁化强度。

图1是各向同性磁体的自发磁化结构。可以看到磁矩并没有形成磁畴结构,而是一些类似漩涡的结构。这是由磁场散度为零的特性决定的。

图2中各晶粒有自己的磁单轴各向异性。磁矩自发形成了很明显的磁畴结构,磁畴间存在清晰的畴壁(主要是180°Bloch Wall)。虽然磁畴的存在形成了局域的宏观磁矩,但是磁畴间的取向互相抵消,所以总的磁化强度为零。

图3是经历过饱和磁化再撤去磁场以后的磁结构。相比于图2,图3中的磁畴更大,取向也更有偏向性。因此存在一个偏向X轴方向的宏观磁矩。

图1和图2的体系都是铁磁体系,都能被磁化并形成宏观磁矩。但是图1在退磁场的作用下会慢慢消磁,而图2因为有磁各向异性的介入,所以是一个永磁体。

可以说,磁交换作用是磁体系的物理基础,但是决定宏观磁矩的还是各向异性(包括磁晶各向异性,形状各向异性和交换各向异性)。如果你手上有戴道生的铁磁学,还请你好好看看。里面肯定有相关的描述的。

图1,无磁晶各向异性的磁结构。
图2,有磁晶各向异性的磁结构。

图3,经历过磁化过程的磁结构。

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