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铁磁性(Ferromagnetism)指的是一种材料的磁性状态,具有自发性的磁化现象。各材料中以铁最广为人知,故名之。

铁磁性物质简介

定义

某些材料在外部磁场的作用下得而磁化后,即使外部磁场消失,依然能保持其磁化的状态而具有磁性,即所谓自发性的磁化现象。所有的永久磁铁均具有 铁磁性亚铁磁性

物质对外界磁场的反应

在通电的螺线管中放入某种测试物质,其中 B0为没有在螺线管中放测试材料时的磁场), Bm为螺线管中充满测试材料时的磁场。则:
Bm/ B0= Km, Km为相对磁导率(relative permeability)。
则:
Bm= Km B0
根据 Km的特性,可以将测试材料分为3类。
⑴反磁性材料(Diamagnetic Material)
反磁性材料的相对磁导率 Km小于1,但约等于1。比如,铜的 Km=0.9999906;铅的 Km=0.9999831。
对于反磁性材料来说,如果把外加磁场移走,其内部的磁场将会归零,导致其没有磁性。
⑵顺磁性材料(Paramagnetic Material)
顺磁性材料的 Km大于1,但约等于1,只比1大一点点。如果把外加磁场移走,内部的磁场也会归零,导致其没有磁性。比如铝的 Km=1.0000214
⑶)铁磁性材料(Ferromagnetic Material)
铁磁性材料的 Km远远比1大。如果把外加磁场移走,其内部的磁场不会归零,其磁力将会被保存。通常,铁、钴,镍都是铁磁性物质,其相对磁导率 Km为1000多。

铁磁性物质

概述

不少晶体显示铁磁性或亚铁磁性。右表列出一些有代表性的及其居里点。在居里点以上它们不再显示磁性。
其组成金属本身不是铁磁性的合金被称为赫斯勒合金,这个名字来自于弗里茨·赫斯勒。
通过速冻液态合金可以形成非晶体的铁磁性合金。这样的合金的优点在于它们的特性几乎是等方性的,因此矫顽力低,磁滞现象损失低,磁导率高,电阻高。典型的这样的合金是过渡金属-准金属合金,其成分由约80%的过渡金属(一般铁、钴、镍等)和约20%的准金属(、硅、或铝)组成,后者降低其熔点。

不寻常的铁磁性物质

2004年有报道说碳的一种同素异形体碳纳米泡沫显示铁磁性。在室温下其磁场在数小时内消失,在低温下其磁场可以保存更久。碳纳米泡沫是一种半导体。有理论猜测认为类似的物质如ZnZr2合金也是铁磁性的。这个合金在28.5K以下的确是铁磁性的。

知识扩展

铁磁性

某些材料在外部磁场的作用下得而磁化后,即使外部磁场消失,依然能保持其磁化的状态而具有磁性,即所谓自发性的磁化现象。所有的永久磁铁均具有 铁磁性亚铁磁性
基本上铁磁性这个概念包括任何在没有外部磁场时显示磁性的物质。至今依然有人这样使用这个概念。但是通过对不同显示磁性物质及其磁性的更深刻认识,学者们对这个概念做了更精确的定义。一个物质的原胞中所有的磁性离子均指向它的磁性方向时才被称为是铁磁性的。若只有部分离子的磁场指向其磁性方向,则称为亚铁磁性。若其磁性离子所指的方向正好相互抵消(尽管所有的磁性离子只指向两个正好相反的方向)则被称为反铁磁性
物质的磁性现象存在一个 临界温度,在此温度下才会发生。对于铁磁性和亚铁磁性物质,此温度被称为居里温度; 对于反铁磁性物质,此温度被称为尼尔温度。
有人认为磁铁与铁磁性物质之间的吸引作用是人类最早对磁性的认识。

原理

铁磁性的原理可由两个量子力学描述的现象成功的预测:自旋泡利不相容原理
电子的自旋加上其轨道角动量导致一个偶极子磁矩和形成一个磁场。在大多数物质中所有电子的总偶极磁矩为零。只有电子层不满的原子(电子不成对)可能在没有外部磁场的情况下表现一个净磁矩。铁磁性物质有许多这样的电子。假如它们排列在一起的话它们可以一起产生一个可观测得到的宏观场。
这些偶极趋于指向外部磁场的方向。这个现象被称为顺磁性。铁磁性物质的偶极趋于在没有外部磁场的情况下也指向同一方向。这是一个量子力学现象。
按照古典电磁学两个临近的磁偶极趋于指向相反的方向(导致反铁磁性物质)。但是在铁磁性物质中它们趋于指向同一方向。其原因是泡利不相容原理:两个自旋相同的电子不能占据同一位置,因此它们会感觉到附加的排斥力,降低其电静势能。这个能量差别被称为交换能,它导致邻近的电子排列成同向。
在长距离上(数千离子)交换能的作用逐渐被经典偶极相对排列的趋势掩盖,这是在平衡(没有磁性的)情况下铁磁性物质的偶极总的来说不排列起来的原因。在没有磁性的铁磁性物质中其磁偶极被分割在外斯畴中。每个外斯畴内部短距离地磁偶极排列指向同一方向,但是在长距离上不同外斯畴的磁偶极的排列不一致。不同外斯畴之间的边界被称为畴壁,畴壁内原子之间的指向逐渐更改。
因此一块铁一般没有磁性,或者其磁性非常弱。但是在一个足够强的外部磁场中,所有外斯畴会沿着这个磁场排列,在外部磁场消失后这些外斯畴会继续保存其同一的指向。这个磁场与外部磁场之间的关系由一条磁滞曲线描写。虽然这个排列整齐的外斯畴的能量不是最低的,但是它非常稳定。在海底的磁铁矿会上百万年地指向它形成时的地磁场方向。通过加热再在没有外部磁场的情况下冷却磁铁的磁场会消失。
温度升高后热振荡(或)与铁磁性的偶极排列竞争。温度高于居里点后晶体内发生二级相变,整个系统无法磁化,在有外部磁场的情况下这时铁磁性物质显示顺磁性。在居里点下对称破缺,外斯畴形成。居里点本身是一个阈值,理论上这里的磁化率为无穷大,虽然这里没有磁化,但是在任何长度范围内均有类似外斯畴的自旋波动。
尤其是使用简化了的伊辛自旋模型来研究铁磁性相变对统计物理学的发展起了巨大作用。在这里平均场理论明显地无法正确地预言居里点上的现象,需要被重整化群理论取代。
亚铁磁性在物理学中, 亚铁磁性物质为不同亚晶格的原子磁矩呈相反的物质,如在反铁磁性中;然而,在亚铁磁性物质中,相反的磁矩不相等,还残存暂时磁性。该情况发生于,当亚晶格是由不同的材料或不同价态的铁组成时(例如Fe和Fe)。
亚铁磁性物质像铁磁性一样,在居里点以下保持暂态磁性,在该温度以上无磁性序列(顺磁性)。但是,有时候在一个 低于居里点的温度,两种亚晶格有相同的磁矩,从而导致零磁矩;该现象被称为 磁抵消点。该抵消点在石榴石稀土金属——过渡金属混合物(RE-TM)中,容易被观测到。于此同时,亚铁磁可能还存在 角动量抵消点,在该磁亚晶格的角动量被抵消。该抵消点对于磁记忆设备在达到高速反向磁化是一个重要的点..
亚铁盐和磁性石榴石展现亚铁磁性。最早被人知的磁性物质,磁铁矿(铁(Ⅱ,Ⅲ)氧化物;Fe3O4),为亚铁磁;它在奈耳发现亚铁磁性和反铁磁性之前,被归为铁磁性物质..
一些亚铁磁性材料为YIG(yttrium iron garnet,钇铁石榴石)和亚铁盐组成。该亚铁盐由铁氧化物和其他元素,例如铝,组成。

性质

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
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) iS) j是第 i和第 j个电子的自旋角动量, Aijij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.
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