鐵磁、反鐵磁、順磁、抗磁

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1、鐵磁性　　鐵磁性　　Ferromagnetism　　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，這個名稱的由來是因為鐵是具有鐵磁性物質(zhì)中最常見也是最典型的。釤(Samarium)，釹(neodymium)與鈷的合金常被用來制造強磁鐵?！　¤F磁理論的奠基者，法國物理學家P.-E.外斯于1907年提出了鐵磁現(xiàn)象的唯象理論。他假定鐵磁體內(nèi)部存在強大的“分子場”，即使無外磁場，也能使內(nèi)部自發(fā)地磁化；自發(fā)磁化的小區(qū)域稱為磁疇，每個磁疇的磁化均達到磁飽和。實驗表明，磁疇磁矩起因于電子的自旋磁矩。1928年W.

2、K.海森伯首先用量子力學方法計算了鐵磁體的自發(fā)磁化強度，給予外斯的“分子場”以量子力學解釋。1930年F.布洛赫提出了自旋波理論。海森伯和布洛赫的鐵磁理論認為鐵磁性來源于不配對的電子自旋的直接交換作用?！　¤F磁性材料存在長程序，即磁疇內(nèi)每個原子的未配對電子自旋傾向于平行排列。因此，在磁疇內(nèi)磁性是非常強的，但材料整體可能并不體現(xiàn)出強磁性，因為不同磁疇的磁性取向可能是隨機排列的。如果我們外加一個微小磁場，比如螺線管的磁場會使本來隨機排列的磁疇取向一致，這時我們說材料被磁化[1]。材料被磁化后，將得到很強的磁場，這就是電

3、磁鐵的物理原理?！　‘斖饧哟艌鋈サ艉?，材料仍會剩余一些磁場，或者說材料"記憶"了它們被磁化的歷史。這種現(xiàn)象叫作剩磁，所謂永磁體就是被磁化后，剩磁很大?！　‘敎囟群芨邥r，由于無規(guī)則熱運動的增強，磁性會消失，這個臨界溫度叫居里溫度(Curietemperature)?！　∪绻覀兛疾扈F磁材料在外加磁場下的機械響應(yīng)，會發(fā)現(xiàn)在外加磁場方向，材料的長度會發(fā)生微小的改變，這種性質(zhì)叫作磁致伸縮(magnetostriction)。產(chǎn)生鐵磁性條件：　　鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化：　　鐵磁現(xiàn)象雖然發(fā)現(xiàn)很早，然而這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因和規(guī)律，還是在

4、本世紀初才開始認識的。1907年法國科學家外斯系統(tǒng)地提出了鐵磁性假說，其主要內(nèi)容有：鐵磁物質(zhì)內(nèi)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(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個小區(qū)域(這種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇)，由于各個區(qū)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?！　⊥馑沟募僬f取得了很大成功，實驗證明了它的正確性，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了現(xiàn)代的鐵磁性理論。在分子場假說的基礎(chǔ)上，發(fā)展了自發(fā)磁化（spontaneousmagneti

5、zation）理論，解釋了鐵磁性的本質(zhì)；在磁疇假說的基礎(chǔ)上發(fā)展了技術(shù)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(fā)產(chǎn)生的。所謂磁化過程(又稱感磁或充磁)只不過是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過程。實驗證明，鐵磁質(zhì)自發(fā)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態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。例如鐵的3d狀態(tài)有四個空位，鈷的3d狀態(tài)有三個空位，鎳的3d態(tài)有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同

6、向排列起來，將會得到較大磁矩，理論上鐵有4μB，鈷有3μB，鎳有2μB?！　】墒菍α硪恍┻^渡族元素，如錳在3d態(tài)上有五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應(yīng)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態(tài)(d或f態(tài))是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故產(chǎn)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?！　「鶕?jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換。對于過渡族金屬，原子的

7、3d的狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。這種交換便產(chǎn)生一種交換能Eex(與交換積分有關(guān))，此交換能有可能使相鄰原子內(nèi)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(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子交換積分為正時(A＞0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應(yīng)，其本質(zhì)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不僅與電子運動狀態(tài)的波函數(shù)有關(guān)，而且強

8、烈地依賴子原子核之間的距離Rab(點陣常數(shù))，如圖5-13所示。由圖可見，只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、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發(fā)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(shù)，使得Rab/r之比大于3，便可得到鐵磁性合金?！　【C上所述，鐵