铁磁性的特征
① 在不太强的磁场中(几到几百奥斯特),就可以磁化到饱和状态(技术饱和状态),
磁化强度不再随磁场而增加。
② 在一定温度(称为居里温度
Tc)以上时,铁磁性消失而变为正常的
顺磁性,即无相互作用的磁性原子集体,磁化强度满足居里定律。
物质的铁磁性起源于
原子磁矩之间的强相互作用。这种相互作用(估计为 10奥斯特数量级)远远超过原子磁矩间的偶极-偶极相互作用。因此
铁磁性物质又称为强磁性物质。根据许多实验结果,证明铁族金属的原子磁矩不是电子轨道磁矩而是电子的自旋本征磁矩
μB(见
玻尔磁子)。
外斯理论
P. -E.外斯在1907年首先提出铁磁性的分子场理论和磁畴假说。
根据这个理论,在居里温度以下,铁磁物质内部分为若干饱和磁化区域——
磁畴,每一磁畴内部各
原子磁矩由于强分子场作用,使它们排列到一共同方向,即自发地磁化到饱和强度,但各磁畴的
自发磁化强度,方向杂乱,互相抵消,总的不表现宏观磁化强度。在较弱的外磁场作用下,就足以使各磁畴的
自发磁化强度部分地趋向一致,从而表现出一定的宏观磁化强度。现代实验完全证明了
磁畴是确实存在的,约为0.1~0.01厘米的横向宽度。
外斯
分子场理论证明了居里温度的存在。外斯假设,促使
原子磁矩排列到共同方向的分子场正比于畴内
自发磁化强度
M(单位体积),即分子场表示为
Hm=NwM⑴
式中
NW为外斯分子场常数。再加上外磁场
H0,则
原子磁矩所受的磁场为 H=H0+NwM。⑵
设原子的总角动量量子数为
J,按照P.朗之万顺磁性量子理论(见
顺磁性),可得物质
的磁化强度为 M=NJguBBJ⑶
式中
B
J(
x)为布里渊函数,
N为单位体积内的原子数,
g为光谱裂距因子(能级分裂的量度) x=guB(H0+NwM)J/KT⑷
式中
k为玻耳兹曼常数,
T为绝对温度。在
T<
Tc(居里温度)时,解出式⑶和⑷联立方程组,即可求出对应于外磁场
H0的磁化强度。特别是,在
H0=0时,
M值即表示
自发磁化强度。由于式⑶和式⑷很难直接求解,常采用图解法求得式⑶和式⑷两条图线的交点
p,以定出
M(
T),见图1
铁磁性
由图1可见,在
Tc温度以下,两条图线总有一交点
p,即在该温度下的自发磁化强度。在
T=
Tc时,两图线只在原点相切而无交点,即
M(
Tc)=0。Tc=Ng^2uBJ(J+1)Nw/3K。 ⑸
在
T>
Tc时,铁磁性消失,变为顺磁性,满足居里定律。由此可得其顺磁磁化率 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时适用。
从图1所得到的结果,可以画出磁化强度的温度函数曲线,其中取
J=1/2,如图2所示,图2的曲线与铁、钴、镍等金属的实验结果大致相符合,在常温范围内符合得较好。
海森伯理论 外斯的
分子场理论虽然初步解释了
铁磁性物质的
自发磁化,但对于分子场的起源则未能加以说明。直到W.K.海森伯在1928年才作出了正确的理论阐述。
海森伯铁磁性理论是在原子物理的基础上,应用
量子力学方法建立的。按照
泡利不相容原理,量子力学证明,相邻原子的电子自旋间存在正的或负的
交换作用,以
Eij表示交换作用能
Eij=-2AijSiSj⑻
其中
S)
i和
S)
j是第
i和第
j个电子的自旋角动量,
Aij是
i、
j两电子间的交换积分。如果交换积分是正值,则自旋相互平行排列时的能量最低。这就产生铁磁性。如果交换积分是负的,则自旋相互反平行排列时的能量最低,这就产生
反铁磁性或亚铁磁性(见
铁氧体)。
交换积分随电子间距离的增加而迅速减小,其变化依赖于
电子云的空间分布(
波函数)。计算交换积分是很因难的。
海森伯除了证明分子场起源于
电子自旋间的交换作用外,还对
铁磁体的
自发磁化强度作了近似的统计计算。在绝缘体中,电子大致是在原子内局域化,因此可以用式⑼表示原子自旋间的相互作用。但在金属中,电子并非全部局域化,自旋间的相互作用要复杂得多。但海森伯解释分子场的基本思想以及泡利的不相容原理是无疑问的。
随着人们对各种磁性物质研究发展,人们对交换作用的认识也有很大发展。
参考书目
郭贻诚编著:《铁磁学》,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.