磁化強度

磁化強度（），又稱磁化向量，是衡量物體的磁性的一個物理量，定義為單位體積的磁偶極矩，如下方程式：

:\mathbf{M}\ \stackrel{def}{=}\ n\mathbf{m} ；

其中，\mathbf{M} 是磁化強度，n 是磁偶極子密度，\mathbf{m} 是每一個磁偶極子的磁偶極矩。

當施加外磁場於物質時，物質的內部會被磁化，會出現很多微小的磁偶極子。磁化強度描述物質被磁化的程度。採用國際單位制，磁化強度的單位是安培／公尺。

物質被磁化所產生的磁偶極矩有兩種起源。一種是由在原子內部的電子，由於外磁場的作用，其軌域運動產生的磁矩會做拉莫爾進動，從而產生的額外磁矩，累積凝聚而成。另外一種是在外加靜磁場後，物質內的粒子自旋發生「磁化」，趨於依照磁場方向排列。這些自旋構成的磁偶極子可視為一個個小磁鐵，可以以向量表示，作為自旋相關磁性分析的古典描述。例如，用於核磁共振現象中自旋動態的分析。

物質對於外磁場的響應，和物質本身任何已存在的磁偶極矩（例如，在鐵磁性物質內部的磁偶極矩），綜合起來，就是淨磁化強度。

在一個磁性物質的內部，磁化強度不一定是均勻的，磁化強度時常是位置向量的函數。

馬克士威方程組
馬克士威方程組描述磁感應強度 \mathbf{B} 、磁場強度 \mathbf{H} 、電場 \mathbf{E} 、電位移 \mathbf{D} 、電荷密度 \rho 和電流密度 \mathbf{J} 的物理行為。這裏會探索磁化強度 \mathbf{M} 的角色和與這些物理量之間的關係。

磁感應強度、磁場強度和磁化強度之間的關係
磁場強度 \mathbf{H} 定義為
:\mathbf{H}\ \stackrel{def}{=}\ \frac{1}{\mu_0}\mathbf{B} - \mathbf{M} ；

其中，\mu_0 是磁常數。

對於抗磁性物質和順磁性物質，\mathbf{M} 與 \mathbf{H} 之間的關係通常是線性關係：
:\mathbf{M} = \chi_m\mathbf{H} ；

其中，\chi_m 是磁化率。

由於磁滯現象，鐵磁性物質的 \mathbf{M} 與 \mathbf{H} 之間並不存在一一對應關係。

磁化電流
在磁性物質內，「磁化電流」是總電流的一部分，又稱為「束縛電流」，是由束縛電荷形成的。磁性物質內部的「束縛電流密度」 \mathbf{J}_b 和「表面束縛電流密度」 \mathbf{K}_b 分別為
:\mathbf{J}_b\ \stackrel{def}{=}\ \nabla \times \mathbf{M} 、
:\mathbf{K}_b\ \stackrel{def}{=}\ \mathbf{M}\times \hat{n} ；

其中，\hat{\mathbf{n}} 是垂直於磁性物質表面的單位向量。

在馬克士威方程組內的總電流 \mathbf{J} 為
: \mathbf{J} = \mathbf{J}_f + \mathbf{J}_b +\mathbf{J}_P ；

其中，\mathbf{J}_f 是自由電流密度，\mathbf{J}_P 是電極化電流密度。

自由電流密度是由自由電荷形成的自由電流的密度。自由電荷不束縛於物質的原子的內部。

電極化電流是由含時電極化強度\mathbf{P}形成的：
:\mathbf{J}_P= \frac{\partial\mathbf{P}}{\partial t} 。

靜磁學
除去自由電流和各種含時效應，描述磁現象的馬克士威方程組約化為
:\mathbf{\nabla\cdot H} = - \nabla\cdot\mathbf{M} 、
:\mathbf{\nabla\times H} = 0 。

應用類比方法，與靜電學問題類比：
:\mathbf{\nabla\cdot E} = \frac{\rho}{\epsilon_0} 、
:\mathbf{\nabla\times E} = 0 ，

靜磁學的問題可以用靜電學的方法來解析。在這裏，\nabla\cdot\mathbf{M} 項目類比於 \frac{\rho}{\epsilon_0} 項目。

磁化動力學
當思考奈米尺寸和奈米時段的磁化作用時，含時磁化物理行為變得很重要。不單只是依著外磁場的磁場線排列，在物質內的單獨的磁偶極矩會開始繞著外磁場進動，通過弛豫，緩慢地隨著能量傳輸進入物質結構，達成與磁場線排列。

磁性物質
抗磁性
抗磁性是物質抗拒外磁場的趨向，因此，會被磁場排斥。所有物質都具有抗磁性。可是，對於具有順磁性的物質，順磁性通常比較顯著，遮掩了抗磁性。只有純抗磁性物質才能明顯地被觀測到抗磁性。例如，惰性氣體元素和抗腐蝕金屬元素（金、銀、銅等等）都具有顯著的抗磁性。
當外磁場存在時，抗磁性才會表現出來。假設外磁場被撤除，則抗磁性也會遁隱形跡。

在具有抗磁性的物質裏，所有電子都已成對，內秉電子磁矩不能集成宏觀效應。抗磁性的機制是電子軌域運動，用經典物理理論解釋如下：
:由於外磁場的作用，環繞著原子核的電子，其軌域運動產生的磁矩會做拉莫爾進動，從而產生額外電流與伴隨的額外磁矩。這額外磁矩與外磁場呈相反方向，抗拒外磁場的作用。由這機制所帶來的磁化率與溫度無關，以方程式表達為
::\chi=-\ \frac{\mu_0 NZe^2}{6m}\langle r^2\rangle ；

:其中，\mu_0 是磁常數，N 是原子數量密度，Z 是原子序，m 是電子質量，r 是軌道半徑。\langle r^2\rangle 是 r^2 的量子力學平均值。

特別注意，這解釋只能用來啟發思考。正確的解釋需要依賴量子力學。

順磁性
（），磁化率 \chi 與絕對溫度 T 的關係式為

*假設外磁場垂直於自旋，則垂直磁化率近似為常數 \chi_{\perp}\approx C/T_N 。
*假設外磁場平行於自旋，則在絕對溫度0K時，平行磁化率為零；在從0K到奈爾溫度 T_N 之間，平行磁化率會從 \chi_{\parallel}(0)=0 平滑地單調遞增至 \chi_{\parallel}(T_N)=C/T_N 。

亞鐵磁性
像鐵磁性物質一樣，當磁場不存在時，亞鐵磁性物質仍舊會保持磁化不變；又像反鐵磁性物質一樣，相鄰的電子自旋指向相反方向。這兩種性質並不互相矛盾，在亞鐵磁性物質內部，分別屬於不同次晶格的不同原子，其磁矩的方向相反，數值大小不相等，所以，物質的淨磁矩不等於０，磁化強度不等於零，具有較微弱的鐵磁性。

由於亞鐵磁性物質是絕緣體。處於高頻率時變磁場的亞鐵磁性物質，由於感應出的渦電流很少，可以允許微波穿過，所以可以做為像隔離器（）、循環器（）、回旋器（）等等微波器件的材料。

由於組成亞鐵磁性物質的成分必需分別具有至少兩種不同的磁矩，只有化合物或合金才會表現出亞鐵磁性。常見的亞鐵磁性物質有磁鐵礦（Fe3O4）、鐵氧體（ferrite）等等。

超順磁性
當鐵磁體或亞鐵磁體的尺寸足夠小的時候，由於熱騷動影響，這些奈米粒子會隨機地改變方向。假設沒有外磁場，則通常它們不會表現出磁性。但是，假設施加外磁場，則它們會被磁化，就像順磁性一樣，而且磁化率超大於順磁體的磁化率。

參閱

• 磁導率
• 地球磁場
• 地磁逆轉
• 核磁共振

註釋
參考文獻