鐵磁性:磁化現象-中文百科頻道

定義

過渡族金屬（如鐵）及它們的合金和化合物所具有的磁性叫做鐵磁性。磁體能吸引鐵、鎳等金屬的性能。

程序

即磁疇内每個原子的未配對電子自旋傾向于平行排列。因此，在磁疇内磁性是非常強的，但材料整體可能并不體現出強磁性，因為不同磁疇的磁性取向可能是随機排列的。如果我們外加一個微小磁場，比如螺線管的磁場會使本來随機排列的磁疇取向一緻，這時我們說材料被磁化。材料被磁化後，将得到很強的磁場，這就是電磁鐵的物理原理。

當外加磁場去掉後，材料仍會剩餘一些磁場，或者說材料"記憶"了它們被磁化的曆史。這種現象叫作剩磁，所謂永磁體就是被磁化後，剩磁很大。

當溫度很高時，由于無規則熱運動的增強，磁性會消失，這個臨界溫度叫居裡溫度(Curie temperature)。

如果我們考察鐵磁材料在外加磁場下的機械響應，會發現在外加磁場方向，材料的長度會發生微小的改變，這種性質叫作磁緻伸縮(magnetostriction)。

磁滞回線

和鐵電體一樣，鐵磁性材料的磁化強度與外磁場呈非線性關系。這種關系是一條閉合曲線，此曲線線稱為磁滞回線（圖1.5）。一般來講,鐵磁體等強磁物質的磁化強度M或磁感應強度B不是磁場強度H的單值函數而依賴于其所經曆的磁狀态曆史。以H=M=B=0為起始狀态，當磁化曲線由OABC到C點時，此時磁化強度趨于飽和，記為Ms。若減小磁場，則從B電開始M随H的變化偏離起始磁化曲線，M的變化落後于H。當H減小至零時，M不為零，而等于剩餘磁化強度Mr。為使M為零，需加一個反向磁場，即為磁矯頑場Hc。繼續增大反向磁場至?Hs時，磁化強度M将沿反方向磁化至?Ms。曲線BDEGB即為磁滞回線。

條件

鐵磁質的自發磁化：

鐵磁現象雖然發現很早，然而這些現象的本質原因和規律，還是在上世紀初才開始認識的。1907年法國科學家外斯系統地提出了鐵磁性假說，其主要内容有：鐵磁物質内部存在很強的“分子場”，在“分子場”的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發磁化至飽和，稱為自發磁化；鐵磁體自發磁化分成若幹個小區域(這種自發磁化至飽和的小區域稱為磁疇)，由于各個區域(磁疇)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。

外斯的假說取得了很大成功，實驗證明了它的正确性，并在此基礎上發展了現代的鐵磁性理論。在分子場假說的基礎上，發展了自發磁化（spontaneous magnetization）理論，解釋了鐵磁性的本質；在磁疇假說的基礎上發展了技術磁化理論，解釋了鐵磁體在磁場中的行為。

鐵磁性材料的磁性是自發産生的。所謂磁化過程(又稱感磁或充磁)隻不過是把物質本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質提供磁性的過程。實驗證明，鐵磁質自發磁化的根源是原子(正離子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿的狀态是産生鐵磁性的必要條件。例如鐵的3d狀态有四個空位，钴的3d狀态有三個空位，鎳的3d 态有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來，将會得到較大磁矩，理論上鐵有4μB，钴有3μB，鎳有2μB。

可是對另一些過渡族元素，如錳在3d态上有五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應是5μB，但它并不是鐵磁性元素。因此，在原子中存在沒有被電子填滿的狀态(d或f态)是産生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故産生鐵磁性不僅僅在于元素的原子磁矩是否高，而且還要考慮形成晶體時，原子之間相互鍵合的作用是否對形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個條件。

根據鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，電子雲要相互重疊，電子要相互交換。對于過渡族金屬，原子的3d的狀态與s态能量相差不大，因此它們的電子雲也将重疊，引起s、d狀态電子的再分配。這種交換便産生一種交換能Eex(與交換積分有關)，此交換能有可能使相鄰原子内d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來。

量子力學計算表明，當磁性物質内部相鄰原子的電子交換積分為正時(A>0)，相鄰原子磁矩将同向平行排列，從而實現自發磁化。這就是鐵磁性産生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應，其本質仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強磁場一樣。外斯分子場就是這樣得名的。理論計算證明，交換積分A不僅與電子運動狀态的波函數有關，而且強烈地依賴子原子核之間的距離Rab (點陣常數)，如圖5-13所示。

隻有當原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大于3，交換積分才有可能為正。鐵、钴、鎳以及某些稀土元素滿足自發磁化的條件。鉻、錳的A是負值，不是鐵磁性金屬，但通過合金化作用，改變其點陣常數，使得Rab /r之比大于3，便可得到鐵磁性合金。

綜上所述，鐵磁性産生的條件：①原子内部要有末填滿的電子殼層；②及Rab/r之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；後者指的是要有一定的晶體結構。

根據自發磁化的過程和理論，可以解釋許多鐵磁特性。例如溫度對鐵磁性的影響。當溫度升高時，原子間距加大，降低了交換作用，同時熱運動不斷破壞原子磁矩的規則取向，故自發磁化強度Ms下降。直到溫度高于居裡點，以緻完全破壞了原子磁矩的規則取向，自發磁矩就不存在了，材料由鐵磁性變為順磁性。同樣，可以解釋磁晶各向異性、磁緻伸縮等。