鐵磁性物質

鐵磁性（Ferromagnetism）指的是一種材料的磁性狀態，具有自發性的磁化現象。各材料中以鐵最廣為人知，故名之。

基本介紹

• 中文名：鐵磁性
• 外文名：Ferromagnetism
• 永久磁鐵：具有鐵磁性或亞鐵磁性
• 測試材料分類：反磁性、順磁性、鐵磁性材料
• 物質鐵磁性：源於原子磁矩之間的強相互作用

鐵磁性物質簡介

定義

某些材料在外部磁場的作用下得而磁化後，即使外部磁場消失，依然能保持其磁化的狀態而具有磁性，即所謂自發性的磁化現象。所有的永久磁鐵均具有鐵磁性或亞鐵磁性。

物質對外界磁場的反應

在通電的螺線管中放入某種測試物質，其中B0為沒有在螺線管中放測試材料時的磁場），Bm為螺線管中充滿測試材料時的磁場。則：

Bm/B0=Km，Km為相對磁導率（relative permeability）。

則：

Bm=KmB0

根據Km的特性，可以將測試材料分為3類。

⑴反磁性材料（Diamagnetic Material）

反磁性材料的相對磁導率Km小於1，但約等於1。比如，銅的Km=0.9999906；鉛的Km=0.9999831。

對於反磁性材料來說，如果把外加磁場移走，其內部的磁場將會歸零，導致其沒有磁性。

⑵順磁性材料（Paramagnetic Material）

順磁性材料的Km大於1，但約等於1，只比1大一點點。如果把外加磁場移走，內部的磁場也會歸零，導致其沒有磁性。比如鋁的Km=1.0000214

⑶）鐵磁性材料（Ferromagnetic Material）

鐵磁性材料的Km遠遠比1大。如果把外加磁場移走，其內部的磁場不會歸零，其磁力將會被保存。通常，鐵、鈷，鎳都是鐵磁性物質，其相對磁導率Km為1000多。

鐵磁性物質

概述

不少晶體顯示鐵磁性或亞鐵磁性。右表列出一些有代表性的及其居里點。在居里點以上它們不再顯示磁性。

其組成金屬本身不是鐵磁性的合金被稱為赫斯勒合金，這個名字來自於弗里茨·赫斯勒。

通過速凍液態合金可以形成非晶體的鐵磁性合金。這樣的合金的優點在於它們的特性幾乎是等方性的，因此矯頑力低，磁滯現象損失低，磁導率高，電阻高。典型的這樣的合金是過渡金屬-準金屬合金，其成分由約80%的過渡金屬（一般鐵、鈷、鎳等）和約20%的準金屬（硼、碳、矽、磷或鋁）組成，後者降低其熔點。

不尋常的鐵磁性物質

2004年有報導說碳的一種同素異形體碳納米泡沫顯示鐵磁性。在室溫下其磁場在數小時內消失，在低溫下其磁場可以保存更久。碳納米泡沫是一種半導體。有理論猜測認為類似的物質如ZnZr2合金也是鐵磁性的。這個合金在28.5K以下的確是鐵磁性的。

知識擴展

鐵磁性

某些材料在外部磁場的作用下得而磁化後，即使外部磁場消失，依然能保持其磁化的狀態而具有磁性，即所謂自發性的磁化現象。所有的永久磁鐵均具有鐵磁性或亞鐵磁性。

基本上鐵磁性這個概念包括任何在沒有外部磁場時顯示磁性的物質。至今依然有人這樣使用這個概念。但是通過對不同顯示磁性物質及其磁性的更深刻認識，學者們對這個概念做了更精確的定義。一個物質的原胞中所有的磁性離子均指向它的磁性方向時才被稱為是鐵磁性的。若只有部分離子的磁場指向其磁性方向，則稱為亞鐵磁性。若其磁性離子所指的方向正好相互抵消（儘管所有的磁性離子只指向兩個正好相反的方向）則被稱為反鐵磁性。

物質的磁性現象存在一個臨界溫度，在此溫度下才會發生。對於鐵磁性和亞鐵磁性物質，此溫度被稱為居里溫度; 對於反鐵磁性物質，此溫度被稱為尼爾溫度。

有人認為磁鐵與鐵磁性物質之間的吸引作用是人類最早對磁性的認識。

原理

鐵磁性的原理可由兩個量子力學描述的現象成功的預測：自旋和泡利不相容原理。

電子的自旋加上其軌道角動量導致一個偶極子磁矩和形成一個磁場。在大多數物質中所有電子的總偶極磁矩為零。只有電子層不滿的原子（電子不成對）可能在沒有外部磁場的情況下表現一個淨磁矩。鐵磁性物質有許多這樣的電子。假如它們排列在一起的話它們可以一起產生一個可觀測得到的巨觀場。

這些偶極趨於指向外部磁場的方向。這個現象被稱為順磁性。鐵磁性物質的偶極趨於在沒有外部磁場的情況下也指向同一方向。這是一個量子力學現象。

按照古典電磁學兩個臨近的磁偶極趨於指向相反的方向（導致反鐵磁性物質）。但是在鐵磁性物質中它們趨於指向同一方向。其原因是泡利不相容原理：兩個自旋相同的電子不能占據同一位置，因此它們會感覺到附加的排斥力，降低其電靜勢能。這個能量差別被稱為交換能，它導致鄰近的電子排列成同向。

在長距離上（數千離子）交換能的作用逐漸被經典偶極相對排列的趨勢掩蓋，這是在平衡（沒有磁性的）情況下鐵磁性物質的偶極總的來說不排列起來的原因。在沒有磁性的鐵磁性物質中其磁偶極被分割在外斯疇中。每個外斯疇內部短距離地磁偶極排列指向同一方向，但是在長距離上不同外斯疇的磁偶極的排列不一致。不同外斯疇之間的邊界被稱為疇壁，疇壁內原子之間的指向逐漸更改。

因此一塊鐵一般沒有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一個足夠強的外部磁場中，所有外斯疇會沿著這個磁場排列，在外部磁場消失後這些外斯疇會繼續保存其同一的指向。這個磁場與外部磁場之間的關係由一條磁滯曲線描寫。雖然這個排列整齊的外斯疇的能量不是最低的，但是它非常穩定。在海底的磁鐵礦會上百萬年地指向它形成時的地磁場方向。通過加熱再在沒有外部磁場的情況下冷卻磁鐵的磁場會消失。

溫度升高后熱振盪（或熵）與鐵磁性的偶極排列競爭。溫度高於居里點後晶體內發生二級相變，整個系統無法磁化，在有外部磁場的情況下這時鐵磁性物質顯示順磁性。在居里點下對稱破缺，外斯疇形成。居里點本身是一個閾值，理論上這裡的磁化率為無窮大，雖然這裡沒有磁化，但是在任何長度範圍內均有類似外斯疇的自旋波動。

尤其是使用簡化了的伊辛自旋模型來研究鐵磁性相變對統計物理學的發展起了巨大作用。在這裡平均場理論明顯地無法正確地預言居里點上的現象，需要被重整化群理論取代。

亞鐵磁性在物理學中，亞鐵磁性物質為不同亞晶格的原子磁矩呈相反的物質，如在反鐵磁性中；然而，在亞鐵磁性物質中，相反的磁矩不相等，還殘存暫時磁性。該情況發生於，當亞晶格是由不同的材料或不同價態的鐵組成時（例如Fe和Fe）。

亞鐵磁性物質像鐵磁性一樣，在居里點以下保持暫態磁性，在該溫度以上無磁性序列（順磁性）。但是，有時候在一個低於居里點的溫度，兩種亞晶格有相同的磁矩，從而導致零磁矩；該現象被稱為磁抵消點。該抵消點在石榴石和稀土金屬——過渡金屬混合物（RE-TM）中，容易被觀測到。於此同時，亞鐵磁可能還存在角動量抵消點，在該磁亞晶格的角動量被抵消。該抵消點對於磁記憶設備在達到高速反向磁化是一個重要的點..

亞鐵鹽和磁性石榴石展現亞鐵磁性。最早被人知的磁性物質，磁鐵礦 （鐵（Ⅱ，Ⅲ）氧化物；Fe3O4），為亞鐵磁；它在奈耳發現亞鐵磁性和反鐵磁性之前，被歸為鐵磁性物質..

一些亞鐵磁性材料為YIG(yttrium iron garnet，釔鐵石榴石）和亞鐵鹽組成。該亞鐵鹽由鐵氧化物和其他元素，例如鋁，鈷，鎳，錳，鋅組成。

性質

鐵磁性的特徵

① 在不太強的磁場中（幾到幾百奧斯特），就可以磁化到飽和狀態（技術飽和狀態），磁化強度不再隨磁場而增加。

② 在一定溫度（稱為居里溫度Tc）以上時，鐵磁性消失而變為正常的順磁性，即無相互作用的磁性原子集體，磁化強度滿足居里定律。

物質的鐵磁性起源於原子磁矩之間的強相互作用。這種相互作用（估計為 10奧斯特數量級）遠遠超過原子磁矩間的偶極－偶極相互作用。因此鐵磁性物質又稱為強磁性物質。根據許多實驗結果，證明鐵族金屬的原子磁矩不是電子軌道磁矩而是電子的自旋本徵磁矩μB（見玻爾磁子）。

外斯理論

P. -E.外斯在1907年首先提出鐵磁性的分子場理論和磁疇假說。

根據這個理論，在居里溫度以下，鐵磁物質內部分為若干飽和磁化區域——磁疇，每一磁疇內部各原子磁矩由於強分子場作用，使它們排列到一共同方向，即自發地磁化到飽和強度，但各磁疇的自發磁化強度，方向雜亂，互相抵消，總的不表現巨觀磁化強度。在較弱的外磁場作用下，就足以使各磁疇的自發磁化強度部分地趨向一致，從而表現出一定的巨觀磁化強度。現代實驗完全證明了磁疇是確實存在的，約為0.1～0.01厘米的橫向寬度。

外斯分子場理論證明了居里溫度的存在。外斯假設，促使原子磁矩排列到共同方向的分子場正比於疇內自發磁化強度M（單位體積），即分子場表示為

Hm=NwM⑴

式中NW為外斯分子場常數。再加上外磁場H0，則原子磁矩所受的磁場為 H=H0+NwM。⑵

設原子的總角動量量子數為J，按照P.朗之萬順磁性量子理論（見順磁性），可得物質

的磁化強度為 M=NJguBBJ⑶

式中BJ(x）為布里淵函式，N為單位體積內的原子數，g為光譜裂距因子（能級分裂的量度） x=guB（H0+NwM）J/KT⑷

式中k為玻耳茲曼常數，T為絕對溫度。在T<Tc（居里溫度）時，解出式⑶和⑷聯立方程組，即可求出對應於外磁場H0的磁化強度。特別是，在H0=0時，M值即表示自發磁化強度。由於式⑶和式⑷很難直接求解，常採用圖解法求得式⑶和式⑷兩條圖線的交點p，以定出M(T），見圖1

鐵磁性

由圖1可見，在Tc溫度以下，兩條圖線總有一交點p，即在該溫度下的自發磁化強度。在T=Tc時，兩圖線只在原點相切而無交點，即M(Tc)=0。Tc=Ng^2uBJ（J+1）Nw/3K。　⑸

在T>Tc時，鐵磁性消失，變為順磁性，滿足居里定律。由此可得其順磁磁化率 X=M/H0=c/T-CNw⑹

式⑺是通常的居里-外斯定律。由式⑹可得 Tc=CNw。⑺

居里-外斯定律只在T>CNW時適用。

從圖1所得到的結果，可以畫出磁化強度的溫度函式曲線，其中取J=1/2，如圖2所示，圖2的曲線與鐵、鈷、鎳等金屬的實驗結果大致相符合，在常溫範圍內符合得較好。

海森伯理論 　外斯的分子場理論雖然初步解釋了鐵磁性物質的自發磁化，但對於分子場的起源則未能加以說明。直到W.K.海森伯在1928年才作出了正確的理論闡述。

海森伯鐵磁性理論是在原子物理的基礎上，套用量子力學方法建立的。按照泡利不相容原理，量子力學證明，相鄰原子的電子自旋間存在正的或負的交換作用，以Eij表示交換作用能

Eij=-2AijSiSj⑻

其中S)i和S)j是第i和第j個電子的自旋角動量，Aij是i、j兩電子間的交換積分。如果交換積分是正值，則自旋相互平行排列時的能量最低。這就產生鐵磁性。如果交換積分是負的，則自旋相互反平行排列時的能量最低，這就產生反鐵磁性或亞鐵磁性（見鐵氧體）。

交換積分隨電子間距離的增加而迅速減小，其變化依賴於電子云的空間分布（波函式）。計算交換積分是很因難的。

海森伯除了證明分子場起源於電子自旋間的交換作用外，還對鐵磁體的自發磁化強度作了近似的統計計算。在絕緣體中，電子大致是在原子內局域化，因此可以用式⑼表示原子自旋間的相互作用。但在金屬中，電子並非全部局域化，自旋間的相互作用要複雜得多。但海森伯解釋分子場的基本思想以及泡利的不相容原理是無疑問的。

隨著人們對各種磁性物質研究發展，人們對交換作用的認識也有很大發展。

參考書目

郭貽誠編著：《鐵磁學》，高等教育出版社，北京，1965。

A.H.Morrish,Physical Principles of Magnetism,John Wiley & Sons,New York,London,Sydney,1965.

Chih-Wen Chen，Magnetism and Metallurgy of Soft Magnetic Materials，North－Holl and，Amsterdam,1977.