磁各向異性場

磁各向異性場是一種等效場，其含義是當磁化強度偏離易磁化軸方向時好像受到沿易磁化軸方向的一個磁場作用，使它恢復到易磁化軸方向。

如果分子中具有多重鍵或共軛多重鍵，在外磁場作用下，π電子會沿著分子的某一方向流動，它對鄰近的質子附加一個各向異性的磁場，使某些位置的質子處於該基團的禁止區，δ值移向高場，而另一些位置的質子處於該集團的去禁止區，δ值移向低場，這種現象稱為磁各向異性效應。

基本介紹

• 中文名：磁各向異性場
• 外文名：Magnetic anisotropy field
• 相關概念：磁各向異性

定義

化學鍵尤其是π鍵 ，因電子的流動將產生一個小的誘導磁場，並通過空間影響到鄰近的氫核。在電子云分布不是球形對稱時，這種影響在化學鍵周圍也是不對稱的。有的地方與外加磁場方向一致，將使外加磁場強度增加，使該處氫核共振峰向低磁場方向移動（負禁止效應,deshielding effect） ，所以化學位移增大；有的地方則與外加磁場方向相反，將使外加磁場強度減弱，使該處氫核共振峰向高磁場方向移動（正禁止效應，shielding effect） ，所以化學位移減小，這種效應叫做磁的各向異性效應。

磁各向異性效應與局部禁止效應不同的是，局部禁止效應是通過化學鍵起作用，而磁各向異性效應是通過空間起作用的。磁各向異性效應具有方向性，其大小和正負與距離和方向有關。

化學鍵

苯環

苯環有三個雙鍵，六 個π電子形成大π 鍵 ，在外磁場誘導下，很容易形成電子環流,產生感應磁場，其禁止情況。在苯環中心，感應磁場的磁力線與外磁場的磁力線方向相反，使處於苯環中心的質子實受磁場強度降低，禁止效應增大，具有這種作用的空間稱為正禁止區，以+表示。處於正禁止區的質子的化學位移值降低（峰右移）。在平行於苯環平面四周的空間，次級磁場的磁力線與外磁場一致，使得處於此空間的質子實受場強增加，這種作用稱為順磁禁止效應。相應的空間稱為去禁止區或負禁止區，以－ 表示。苯環上氫的化學位移值為 7.27,就是因為這些氫處於去禁止區之故。同理可以解釋十八碳環壬烯的環內氫處於強正禁止區，環外氫處於去禁止區，因此兩者的化學位移值相差很大。在 正、負禁止區的交界處禁止作用等於零。

雙鍵

雙鍵的π電子形成結面(nodal plane)，結面電子在外加磁場誘導下形成電子環流，從而產生感應磁場。雙鍵上下為兩個錐形的禁止區，雙鍵平面上下方為正禁止區，平面周圍則為負禁止區，烯烴氫核因正好處於負禁止區，故其共振峰移向低場化學位移值為 4.5 ~ 5.7。

醛基氫核除與烯烴氫核相同位於雙鍵的負禁止區，由於受相連氧原子強烈電負性的影響，故共振峰將移向更低場，化學位移值為 9. 4 ~ 10。

叄鍵

碳-碳叄鍵的π電子以鍵軸為中心呈對稱分布（共四塊電子云），在外磁場誘導下π電子可以形成繞鍵軸的電子環流，從而產生感應磁場。在鍵軸方向上下為正禁止區;與鍵軸垂直方向為負禁止區，與雙鍵的磁各向異性的方向相差90°。炔氫有一定的酸性，可見其外圍電子云密度較低，但它處於叄鍵的正禁止區，故其化學位移值反而小於烯氫（烯氫處於負禁止區）。例如，乙炔氫的化學位移值為 2.88，而乙烯氫為5. 25。

單鍵

C一C 單鍵也有磁各向異性效應，但比電子環流引起的磁各向異性效應小得多。

C一C 單鍵產生一個錐形的磁各向異性效應，C －C 鍵是去禁止區的軸。

C一C 鍵的兩個碳原子上的氫都受這個C－ C 單鍵的去禁止效應。在椅式構象的環己烷系統中，直立鍵上的氫處於禁止區，平伏鍵上的氫處於去禁止區。所以，直立鍵上的氫比平伏鍵上的氫受禁止作用大，化學位移值較小，兩者化學位移值的差別一般在0.2 〜0.5 之間。但在室溫下，因構象式之間的快速翻轉平衡，所以只給出一個尖銳的單峰。

磁晶

磁體不同方向的磁性不同。如弱磁的抗磁、順磁和反鐵磁晶體的磁化率隨晶體方向不同而異，強磁體飽和磁化在不同方向時自由能不同等。磁各向異性對強磁體的技術磁性有很大影響，因而是強磁物質的重要的基本磁性之一。

溫度低於居里溫度（見鐵磁性）的鐵磁體受外磁場作用時，單位體積物質達到磁飽和所需的能量稱為磁晶能，由於晶體的各向異性，沿不同方向磁化所需的磁晶能不同。對每種鐵磁體都存在一個所需磁晶能最小和最大的方向，前者稱易磁化方向，後者稱難磁化方向。鐵磁體受外力作用時，由於磁彈性效應（見磁致伸縮），體內應力和應變的各向異性會導致磁各向異性。在外磁場或應力作用下的鐵磁體進行冷、熱加工處理時，均可產生感生磁各向異性。鐵磁薄膜材料在一定外界條件影響下進行晶體生長時，也會引入生長磁各向異性。磁晶各向異性能Fk常表示為飽和磁化強度矢量Ms相對於主晶軸的夾角的三角函式的冪級數。其表式隨晶體對稱性而異。

磁晶各向異性能的微觀機制主要有以下幾種：①磁偶極相互作用。經典的磁偶極作用只對非立方晶體能引起各向異性。但常常不是主要的貢獻。②各向異性交換作用。來自軌道－自旋作用對交換作用的影響。存在於某些稀土離子及低對稱化合物中。③單離子各向異性。為晶體電場和軌道－自旋作用的聯合效應。它使單個離子的能級呈現各向異性。對鐵氧體和一些稀土離子，它的貢獻是主要的。④巡遊電子各向異性。來自軌道－自旋作用對能帶的影響。適用於3d金屬及合金。

磁應力

由於磁彈性耦合、材料中的應力及其應變導致的磁各向異性。

磁形狀

對於非球形對稱的物體，磁化在不同方向時，退磁場及退磁場能不同，稱為磁形狀各向異性。

感生磁各向異性 　為某些材料經過某種處理後出現的附加的磁各向異性。這類處理有：磁場作用下的熱處理、應力作用下的熱處理及冷軋等。有磁場熱處理感生各向異性的材料，在無磁場作用下退火時，在磁疇及疇壁中獲得自發磁化條件下的感生各向異性。某些薄膜材料在磁場下生長，或由於某種條件生長，均可獲得生長感生各向異性。對金屬及合金的感生各向異性，原子對的有序排列（方向有序）的理論給出了合理的解釋。鐵氧體的感生各向異性則可用單離子理論（各向異性離子的有序分布）來表達解釋。

交換各向異性 　當材料中存在著鐵磁－反鐵磁界面或與亞鐵磁的界面時，由於界面原子間交換耦合，使鐵磁體附加一單“向”的各向異性。具有這種各向異性的材料有不對稱的磁滯回線,兩側的矯頑力Hcm不相等。在具有Co-CoO界面的微粒及FeMnPBAl非晶態中均發現這種各向異性。