鐵磁質

凡是附加磁場H'與外磁場H的方向相同，而且磁化后產生的附加磁場H'遠遠大於所施加的外磁場H，即能使總磁場強度比原外磁場強度大大加強的磁質。

法國物理學家 P.-E. 外斯於1907年提出了鐵磁現象有關理論。他的主要觀點是鐵磁體內部存在著強大的 " 分子場 "，即使物質的外界周圍沒有磁場，物質自身內部也會產生磁化。物質本身自發產生磁化的區域稱為磁疇，各個磁疇的磁化都已經達到磁性的飽和。經過實驗發現，磁疇磁矩產生的原因是由於電子的自旋磁矩。本世紀初，W.K. 海森伯開始用量子力學方法計算鐵磁體的自身發生磁化的強度，給予物質周圍外界的 " 分子場" 以量子力學方面的科學解釋。緊隨其後，科學家 F. 布洛赫又提出了自旋波理論。海森伯和布洛赫兩人研究理論都認為鐵磁性來源於不相匹配的電子自旋的直接交換作用。這些重大發現和理論的提出，為後來鐵磁物質在社會各個領域的應用產生的極大影響。

21 世紀是新技術革命時代，生命科學、信息科學和材料科學已成當前世界科學領域三大支柱學科。各個國家高新技術領域的發展一定程度上或多或少都會受到材料發展的制約，材料科學技術已經成為現代化工業和農業發展的必要基礎，更是國防建設所需要的重要戰略資源。新興材料的發展是目前佔領世界科學前沿的重要標誌，也是衡量一個國家高新技術水平和綜合國力的重要體現。

在未經磁化的鐵磁質中，由於熱運動，各磁疇的磁化方向雜亂無章，介質在宏觀上不顯示磁性。將鐵磁質放入外磁場中，隨著磁場的不斷加大，先是那些磁化方向與外磁場方向接近的磁疇擴大自己的範圍（叫疇壁外移），繼而磁疇的磁化方向逐漸轉向外磁場方向（叫磁疇轉向），介質被磁化而顯示磁性。鐵磁質的磁化強度M和磁場強度H的關係是非線性和非單值的，且有磁滯現象，這可以用磁疇的疇壁很難按原來的形狀恢復來說明。當溫度高過某一溫度時，鐵磁質的鐵磁性消失而成為順磁質，這一臨界溫度叫居里溫度（或居里點）。鐵、鈷、鎳、釓、鏑、鐵氧體等物質屬鐵磁質。幾種鐵磁質的居里溫度為：鐵-1040K；鈷-1390K；鎳-630K。

1、軟磁材料

軟磁材料的矯頑力小，磁導率較大，磁滯回線狹長、包圍面積小、磁滯損耗少，易磁化，也容易退磁，適用於交變磁場，常用來製造變壓器、繼電器、電磁鐵、鎮流器、發電機、電動機等的鐵芯。

2、硬磁材料

硬磁材料的矯頑力很大，剩餘磁感應強度也很大，磁滯回線肥大，磁化后能保持很強的磁性，不易消失，始於提供永久磁場，供各種電錶、揚聲器、拾音器、耳機、錄音機、小型直流電機以及核磁共振儀器採用。

3、矩磁材料

磁滯回線像矩形，有兩個穩態，適於做計算機的記憶體原件。

人類對鐵磁現象的認識比較早，自然界中天然磁鐵礦很早就存在了，在公元前 4 世紀人類就有了記載。在公元前 3世紀，我們的祖先就發明了司南（指南針），用於辨別方向。所以，現實世界中的磁現象廣泛存在，充斥著世界各領域之中。從微小的基本粒子到宏觀的宇宙天體，每種物質都具有磁性。從嚴格意義來說，一切物質都有磁性，只是強弱的顯現程度、展現出來的方式不同。從微觀世界上說，物質的磁性是來源於原子中的電子自身旋轉產生的磁矩。當然，特質種類繁多，性質不同，一些物質磁性較強，還有一些物質磁性較弱。同時，任何空間都有磁場存在，只是有強有弱，這才出現了多樣的磁質現象。在上個世紀初，科學家們進行了大量的物質磁性試，發現和總結出很多成果，發現了物質磁性很多新的規律和理論。包括居里抗磁性定律、朗之萬順磁性理論、居里順磁性定律等等。後來，研究人員根據這些物質磁性的某些規律和成熟理論，推動和發展了磁性材料在實際中的應用。一般來說，通過磁場的作用能夠發生變化並且再反過來影響磁場的媒質稱為磁介質。磁介質在磁場作用下的一系列變化稱做磁化。而最為常見的就是鐵磁質，它是一種性能特殊、應用廣泛的磁介質，自然界中的鐵、鑽等多種合金物質中都包括著含鐵的氧化物，這些基本上都屬於鐵磁質。鐵磁質的三個重要特徵就是高導磁率、非線性和磁滯。正因為它具有高導磁率，用這種方法製造的氧化金屬磁性材料特別適用於製作電視機等電器的磁性元件，使得鐵磁質的價值得到廣泛應用。一般情況下，根據鐵磁質的性能以及使用一般將它分為軟磁材料和硬磁材料。不同的磁材料的矯頑力大小不同，而矯頑力的大小影響著磁滯回線。矯頑力如果小，就說明物質產生的磁滯回線較長，本身包圍的空間範圍也就小，那麼在交變磁場中的磁滯損耗就會很小；如果矯頑力較大，那麼物質產生的磁滯回線就會逐漸接近矩形，這樣它所包圍的空間容積就會大很多，致使物質在交變磁場中的磁滯損耗就會大許多。

物質的磁化實際是磁場對磁場中物質的作用，在這一過程中影響原磁場的物質被稱之為磁介質。物質磁化后，這時候介質內部的磁場與附加磁場和外磁場的關係就會發生一系列重大變化。通常情況下，由於原子內部的電子以至原子核間的相互作用，使得材料的功能及特殊性有了不同的表現。所以，物質材料的磁性實際上決定於原子中次殼層電子有沒有被填滿，以及它們之間由於相互作用而產生的不同原子取向結果。所以說，鐵磁物質一般情況下都有抗磁體、順磁體和鐵磁體區別。

（一）順磁質的磁化

產生物質順磁質的原因是組成這些物質的原子具有恆定的與外磁場無關的磁矩。在沒有外加磁場的時候，由於物質自身熱運動的原因，這些恆定的原子磁矩沒有固定的取向，所以只有在引入和變大磁場的時候，磁化的強度才開始逐漸產生並變大。如果物質磁場不是很強的時候，導致分供體的磁矩在磁場中的能量與它們的平均熱能相比如果小，這樣就會使順磁體的磁化強度會隨著外磁場的值以一定比例增長，順磁磁化率就會按照居里定律隨著溫度的變化而發生改變。

（二）抗磁質的磁化

在外磁場中產生的磁化強度與磁場方向相反是抗磁性物質的重要反應。如果進場時不均勻，這就會使物質的受力方向會指向磁場減弱一面，抗磁性物質的磁化率不會隨著溫度變化發生改變，而電磁感應則是抗磁物質產生的原因。

（三）鐵磁質的居里點

一般情況下，鐵磁性物質會受到溫度的影響。某種程度上都存在鐵磁性消失的溫度，這被稱為居里溫度。當溫度低於居里溫度時，鐵磁物質呈現鐵磁性；當溫度高於居里溫度時，物質自身產生的磁化被破壞，鐵磁性能就會消失。在物理科學研究中，某些鐵磁性物質溫度通過居里點時，物理量會發生特殊的變化，比較常見的：比熱突變、熱膨脹係數突變、電阻溫度係數改變等。

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，其主要內容有：鐵磁物質內部存在很強的“分子場”，在“分子場”的作用下，原子磁矩趨於同向平行排列，即自發磁化至飽和，稱為自發磁化；鐵磁體自發磁化分成若干個小區域（這種自發磁化至飽和的小區域稱為磁疇），由於各個區域（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，實驗證明了它的正確性，並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（spontaneousmagnetization）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產生的。所謂磁化過程（又稱感磁或充磁）只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態是產生鐵磁性的必要條件。例如鐵的3d狀態有四個空位，鈷的3d狀態有三個空位，鎳的3d態有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來，將會得到較大磁矩，理論上鐵有4μB，鈷有3μB，鎳有2μB。

可是對另一些過渡族元素，如錳在3d態上有五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應是5μB，但它並不是鐵磁性元素。因此，在原子中存在沒有被電子填滿的狀態（d或f態）是產生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故產生鐵磁性不僅僅在於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，電子云要相互重疊，電子要相互交換。對於過渡族金屬，原子的3d的狀態與s態能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態電子的再分配。這種交換便產生一種交換能Eex（與交換積分有關），此交換能有可能使相鄰原子內d層末抵消的自旋磁矩同向排列起來。量子力學計算表明，當磁性物質內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，從而實現自發磁化。這就是鐵磁性產生的原因。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不僅與電子運動狀態的波函數有關，而且強烈地依賴子原子核之間的距離Rab（點陣常數）。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之比大於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之比大於3，便可得到鐵磁性合金。

綜上所述，鐵磁性產生的條件：①原子內部要有未填滿的電子殼層；②及Rab/r之比大於3使交換積分A為正。前者指的是原子本徵磁矩不為零；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。直到溫度高於居里點，以致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、磁致伸縮等。

隨著物理科學的發展，磁性材料與我們人類的關係愈加緊密。正是由於它的離頻損耗小、密度高、壽命長等特點，使得其在能源開發、通訊推廣、自動控制、醫療衛生等方面被很好應用。特別是近些年來，利用鐵氧體磁性材料的特殊功能，在吸納雷達波、減少電磁波對物質信號的破壞以及保護人體免受微波輻射方面得到了長足發展和應用。