铁磁性与反铁磁性
磁性材料有哪些分类
磁性材料有哪些分类磁性材料具有磁有序的强磁性物质,广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。
磁性是物质的一种基本属性。
物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。
铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。
磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、银基合金和稀土合金等,后者主要是铁氧体材料。
按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。
功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。
永磁材料,经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。
对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即抗退磁能力)强，磁能积(BH)即给空间提供的磁场能量)大。
相对于软磁材料而言，它亦称为硬磁材料。
永磁材料有合金、铁氧析口金属间化合物三类。
①合金类：包括铸造、烧结和可加工合金。
铸造合金的主要品种有:A1Ni(Co)、FeCr(Co)x FeCrMo x FeAIC x FeCo(V)(W);烧结合金有：Re-Co(Re代表稀土元素)、Re-Fe以及AINi(Co),FeCrCo等；可加工合金有：FeCrCo s PtCo s MnAIC.CuNiFe和AIMnAg等，后两种中BHC较低者亦称半永磁材料。
②铁氧体类：主要成分为MO6Fe2O3,M代表Ba、SnPb或SrCa、1aCa等复合组分。
③金属间化合物类：主要以MnBi为代表。
永磁材料有多种用途。
①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。
②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。
③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。
交换耦合铁磁和反铁磁
交换耦合铁磁和反铁磁1.引言1.1 概述概述交换耦合铁磁和反铁磁是材料科学领域中的重要研究方向。
交换耦合指的是通过材料内部的交换相互作用实现的磁性耦合现象，而铁磁和反铁磁则是常见的磁性材料类型。
在交换耦合铁磁材料中，交换相互作用将铁磁性颗粒相互连接，使其在外界磁场作用下呈现统一的磁化方向。
这种铁磁相互连接的效应可以应用于磁性材料的储存、传输和传感等方面。
交换耦合铁磁材料由于具有较大的矫顽力和饱和磁化强度，被广泛应用于磁存储领域，如硬盘驱动器和磁带等。
而反铁磁材料则是一种在外界磁场作用下呈现反平行磁化方向的材料。
在这种材料中，相邻磁性原子的磁矩呈现相互抵消的关系，从而产生零磁矩的效果。
反铁磁材料在信息存储领域也有着重要的应用，例如磁性传感器和磁记录材料等。
本文将详细介绍交换耦合铁磁和反铁磁的性质、结构以及其在材料科学中的应用。
首先，将对交换耦合铁磁和反铁磁的基本概念和原理进行阐述。
然后，将针对这两种材料的制备方法和表征技术进行介绍。
最后，将重点关注交换耦合铁磁和反铁磁在磁性材料领域的应用前景，并对未来的研究方向进行展望。
通过对交换耦合铁磁和反铁磁的深入了解，不仅可以为材料科学领域中的磁性材料研究提供参考，还可以为磁存储技术和磁传感器技术的发展提供理论基础和技术支持。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以如下所示：2. 文章结构本文主要介绍了交换耦合铁磁和反铁磁的相关概念、性质和应用。
具体结构如下：2.1 交换耦合铁磁在此部分中，将详细介绍交换耦合铁磁的基本概念和定义。
首先，将介绍交换耦合的概念，包括交换能和交换场的定义以及其作用机制。
接着，将讨论铁磁材料的基本性质，如磁矩、居里温度以及铁磁材料的分类。
在此基础上，将具体介绍交换耦合铁磁的特性和研究方法，包括磁化曲线的分析、磁畴结构以及交换耦合现象的测量方法。
最后，将探讨交换耦合铁磁的应用领域，如磁存储器件、磁传感器等。
2.2 反铁磁在此部分中，将详细介绍反铁磁的基本概念和性质。
铁磁性与反铁磁性
温度的影响
铁磁性
随着温度的升高，铁磁性材料会逐渐失去其磁性，这种现象称为磁性转变。在居里点以 上，材料变为顺磁性。
反铁磁性
反铁磁性材料在温度降至尼尔点以下时，会表现出强烈的反铁磁性。随着温度的升高， 反铁磁性逐渐减弱，并在尼尔点以上完全消失。
压力的影响
铁磁性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
压力对铁磁性的影响较为复杂。在一定 范围内，压力的增加会使铁磁性增强。 但超过一定范围，压力会导致铁磁性减 弱甚至消失。
铁磁性的物理意义
磁畴结构
铁磁材料内部存在自发磁化和磁畴结构，这些结构在磁场作用下会发生磁畴翻 转，导致磁化强度的变化。
磁化机制
铁磁材料的磁化机制主要包括交换相互作用和各向异性相互作用，这些相互作 用决定了材料的磁学性质。
铁磁性的应用
电机和发电机
铁磁材料在电机和发电机中作为 定子和转子的一部分，利用其高 磁导率和磁感应强度实现能量的
铁磁性与反铁磁性
目录
CONTENTS
• 铁磁性简介 • 反铁磁性简介 • 铁磁性与反铁磁性的比较 • 铁磁性与反铁磁性的影响因素 • 铁磁性与反铁磁性的研究进展
01 铁磁性简介
CHAPTER
定义与特性
定义
铁磁性是指某些材料在磁场中被强烈 磁化，表现出高磁导率和磁滞回线的 特性。
特性
铁磁材料具有高磁导率、高磁感应强 度和磁滞回线宽等特性，使得它们在 磁场中能够产生较大的磁化强度。
新材料发现
通过实验研究，人们发现了许多具有优异铁磁性 和反铁磁性性能的新型材料，为实际应用提供了 更多选择。
温度对铁磁性和反铁磁性的影响
实验研究进一步揭示了温度对铁磁性和反铁磁性 物质的影响，有助于深入理解其物理机制。
磁性物理学第一章物质磁性概述-磁性物理
如氧、铝、铂等金属，以及某些非金属如氮、氧等。
顺磁性特点
顺磁性物质的磁化率比抗磁性物质大，但仍然是微弱的。它们同样 不会自发磁化，且在外磁场撤去后无剩磁。
铁磁性物质
01
铁磁性定义
铁磁性是指物质在外磁场作用下，能产生很强磁化现象，且可以自发磁
化形成磁畴。
02
铁磁性物质举例
如铁、钴、镍及其合金等。
物质磁性影响因素分
04
析
温度对物质磁性影响
居里温度
物质磁性随温度变化的重要参数，当温度高于居里温度时，铁磁性物质转变为顺 磁性。
磁化率与温度关系
对于顺磁性物质，磁化率随温度升高而降低；对于铁磁性物质，在居里温度以下 磁化率随温度升高而降低，在居里温度以上转变为顺磁性。
压力对物质磁性影响
压力效应
磁性分类
根据物质在磁场中的表现，可分为铁 磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性 和抗磁性等。
物质磁性来源
电子自旋磁矩
电子自旋产生的磁矩是物质磁性的主要来源。
电子轨道磁矩
电子绕原子核运动时产生的磁矩，对物质磁性有 贡献但通常较小。
原子核自旋磁矩
原子核自旋产生的磁矩，对物质磁性的贡献极小， 通常可忽略不计。
尔元件等，实现非接触式测量和自动控制。
磁记录材料应用领域
硬盘驱动器
磁记录材料用于制造硬盘驱动器的存储介质，实现数据的长期可 靠存储。
磁带
利用磁记录材料的磁化特性，制造磁带等线性存储设备，用于数 据的备份和归档。
磁卡
磁记录材料用于制造各种磁卡，如信用卡、门禁卡等，实现身份 识别和交易安全。
总结与展望
物质在压力作用下，原子间距减小，电子云重叠增加，导致 交换作用增强，从而影响物质的磁性。
铁磁 反铁磁 亚铁磁的异同
铁磁、反铁磁和亚铁磁的异同铁磁、反铁磁和亚铁磁是几种常见的磁性物质类型，它们在磁矩的排列方式、磁性行为等方面存在着一些相似和不同之处。
本文将从磁矩排列、磁性行为和应用领域等方面详细介绍这三种磁性物质的异同。
一、磁矩排列铁磁、反铁磁和亚铁磁在磁矩排列方面存在明显差异。
1. 铁磁铁磁物质的磁矩在外磁场作用下，趋向于与外磁场方向相同或者相反。
磁矩的方向有序排列，使得整个物质呈现出较强的磁性。
常见的铁磁物质有铁、钴、镍等。
2. 反铁磁反铁磁物质的磁矩在外磁场作用下，趋向于与外磁场方向垂直。
磁矩之间存在着反平行排列的规律，使得整个物质在无外磁场时呈现出弱磁性。
随着外磁场的增强，反铁磁物质的磁性会逐渐减弱。
反铁磁性是由于内部层的自旋配对所引起的，层间的自旋配对是反平行排列的。
铁磁物质的晶体结构对层间自旋配对的形成起着重要的作用。
常见的反铁磁物质有氧化亚铁（FeO）等。
3. 亚铁磁亚铁磁物质处于铁磁和反铁磁之间的一类磁性物质。
它的磁矩即有一定的有序性，又存在一定的无序性。
在外磁场下，亚铁磁物质的磁性程度介于铁磁和反铁磁之间，磁矩的排列并不像铁磁物质那样有序，也不像反铁磁物质那样完全反平行排列。
常见的亚铁磁物质有氧化铁（Fe3O4）等。
二、磁性行为铁磁、反铁磁和亚铁磁在磁性行为方面也存在差异。
铁磁物质的磁性行为主要表现为顺磁性和铁磁性。
顺磁性是指在外磁场作用下，磁矩与外磁场方向一致，而且强度与磁场强度成正比。
铁磁性是指在外磁场作用下，磁矩不仅与外磁场方向一致，并且强度比顺磁性更强。
铁磁物质在自发磁化时，能产生较强的磁感应强度。
这种磁性行为类似于磁针指向北极。
2. 反铁磁反铁磁物质的磁性行为主要是反铁磁性。
反铁磁性是指在无外磁场时，磁矩之间存在反平行排列，而且没有自发磁化。
在外磁场作用下，反铁磁物质的磁化程度会随着磁场强度的增加而减小。
3. 亚铁磁亚铁磁物质的磁性行为介于铁磁和反铁磁之间。
亚铁磁物质在外磁场作用下会发生自发磁化，但磁化程度不及铁磁物质那么强。
无机材料化学(第11讲物质的磁性分类)
（1）磁滞回线
磁化过程中磁化强度与磁场强度的关系曲线。 （磁化曲线）
OAB 起始磁化曲线 Ms 饱和磁化强度 Mr 剩余磁化强度
或称剩磁 Hc 矫顽磁场或矫顽力 BD 去磁－退磁曲线
磁滞回线
H为铁磁质中的合磁化强度
磁滞回线还可以表示成Biblioteka ～H的关系曲线，其形状和M～H类似。
因为铁磁质中，M的数值比H 大得多（102～106倍），
反铁磁质的磁化率x>0，一般为10-3~10-6，μr>1。 在磁场中表现为弱磁性。 具有反铁磁性的物质（反铁磁体）有： （1）氧化物：MnO、FeO、α-Fe2O3、Cr2O3、NiO等； （2）部分金属：Mn、Cr、Pt、Pd等； （3）其它化合物：FeS2、MnS、NiF2、FeF2等及部分
铁氧体, 如 ZnFe2O4(反尖晶石)等。
3.3.3 物质的磁性分类
根据磁化率 x 值 或 相对磁导率μr (μr = 1+x ) 的 大小及变化规律，物质的磁性可分为以下五类：
逆磁性（或抗磁性） 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性
1. 逆磁性（或抗磁性）
具有逆磁性的物质在磁场中的磁化很弱， x<0，约为 -10-6 ~ -10-4，μr 是略小于1的数。
磁化强度 M 与磁场强度 H 方向相反，( M = x H )
且一般情况下x不随温度变化。
逆磁性物质主要有如下几类：
（1）惰性气体； （2）不含过渡元素的离子晶体，如 NaCl、KCl 等； （3）不含过渡元素的共价化合物（如CO2）和所有有机化合物； （4）某些金属和非金属，如 Bi、Zn、Cu、 Hg、Pb 、Si、P等。
(4) 铁磁居里温度
升高温度时，热运动可以瓦解磁畴内磁矩有规则的 排列，使磁畴全部破坏的最低温度即为 居里点 TC (居里温度），这时铁磁体转变为顺磁性物质，居里 点体现分子热运动对磁畴形成的干扰。
氧化物材料中的磁性问题的研究
氧化物材料中的磁性问题的研究随着科学技术的不断发展，对材料的研究越来越深入，特别是在材料的物理性质方面，近年来取得了很多突破性的进展。
氧化物材料作为一类特殊的材料在磁性方面具有很好的应用潜力。
然而，氧化物材料中的磁性问题在实际应用中还存在着很多困难和挑战，因此对氧化物材料中的磁性问题进行深入研究对于提高其应用价值具有重要意义。
氧化物材料中的磁性来源磁性是指物质在外磁场作用下表现出的特殊性质，通常表现为吸引力或排斥力。
磁性是由于物质中的电荷在运动时产生的磁场所引起的。
在氧化物材料中，磁性来源主要可以分为两类：一类是由局域化电子在原子核周围的运动所产生的磁矩所引起的，这种磁性也叫做局域磁性；另一类是由电子在晶体维度上的运动而形成的磁矩所引起的，这种磁性也称为反铁磁性。
局域磁性通常表现为铁磁性或亚铁磁性，这种磁性来源于状态密度在费米面附近的局域化电子。
在这些局域化电子中，有一部分电子的自旋取向相同，导致它们合成的磁矩比较大，从而在外磁场的作用下出现显著的磁化行为。
相反，反铁磁性通常表现为电荷有序的状态，这种磁性来源于电子晶格耦合。
氧化物材料的磁性研究方法氧化物材料中的磁性通常可通过以下方法进行研究：1. 超导量子干涉磁强计（SQUID）SQUID是一种高灵敏度的磁通量计量器，它可以在几毫高斯的磁场强度下测量物质的磁性。
SQUID可以测量磁滞回线，该回线反映了外磁场和材料磁矩之间的关系。
磁滞回线是研究氧化物材料磁性的重要工具。
2. 核磁共振（NMR）核磁共振是一种通过核磁共振信号得到材料磁性信息的技术。
它可以获得不同核的共振信号，这些信号反映了材料的不同结构和化学成分，进而获得材料的磁性信息。
氧化物材料的磁性应用氧化物材料在磁性方面具有广泛的应用潜力。
1. 磁性存储器随着数据量的不断增加，磁性存储器逐渐成为主要的存储介质。
氧化物材料的磁性存储器具有很高的磁场强度和稳定性，在电子计算机、通信设备等领域中应用广泛。
铁磁、反铁磁、顺磁、抗磁
铁磁性铁磁性Ferromagnetism过渡族金属（如铁）及它们的合金和化合物所具有的磁性叫做铁磁性，这个名称的由来是因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的。
钐(Samarium)，钕(neod ymium)与钴的合金常被用来制造强磁铁。
铁磁理论的奠基者，法国物理学家P.-E.外斯于1907年提出了铁磁现象的唯象理论。
他假定铁磁体内部存在强大的“分子场”，即使无外磁场，也能使内部自发地磁化；自发磁化的小区域称为磁畴，每个磁畴的磁化均达到磁饱和。
实验表明，磁畴磁矩起因于电子的自旋磁矩。
1928年W.K.海森伯首先用量子力学方法计算了铁磁体的自发磁化强度，给予外斯的“分子场”以量子力学解释。
1930年F.布洛赫提出了自旋波理论。
海森伯和布洛赫的铁磁理论认为铁磁性来源于不配对的电子自旋的直接交换作用。
铁磁性材料存在长程序，即磁畴内每个原子的未配对电子自旋倾向于平行排列。
因此，在磁畴内磁性是非常强的，但材料整体可能并不体现出强磁性，因为不同磁畴的磁性取向可能是随机排列的。
如果我们外加一个微小磁场，比如螺线管的磁场会使本来随机排列的磁畴取向一致，这时我们说材料被磁化[1]。
材料被磁化后，将得到很强的磁场，这就是电磁铁的物理原理。
当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，或者说材料"记忆"了它们被磁化的历史。
这种现象叫作剩磁，所谓永磁体就是被磁化后，剩磁很大。
当温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性会消失，这个临界温度叫居里温度(Curie temperature)。
如果我们考察铁磁材料在外加磁场下的机械响应，会发现在外加磁场方向，材料的长度会发生微小的改变，这种性质叫作磁致伸缩(magnetostriction)。
产生铁磁性条件：铁磁质的自发磁化：铁磁现象虽然发现很早，然而这些现象的本质原因和规律，还是在本世纪初才开始认识的。
1907年法国科学家外斯系统地提出了铁磁性假说，其主要内容有：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化；铁磁体自发磁化分成若干个小区域(这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴)，由于各个区域(磁畴)的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大块铁磁体对外不显示磁性。
5 材料的磁学性能
外磁场。
顺磁体的原子或离子是有磁矩的(称为原子固有磁矩，它是电子 的轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和)，其源于原子内未填满的电子 壳层(如过渡元素的d层，稀土金属的f层)，或源于具有奇数个电
子的原子。但无外磁场时，由于热振动的影响，其原子磁矩的取 向是无序的，故总磁矩为零。
当有外磁场作用，则原子磁矩便排向外磁场的方向，总磁矩便大
材料名称 氧化铝 铜 金 水银 硅 银
当有介质时，介质被磁化后，其产生的磁场强度M和源
磁场强度H对运动电荷共同产生作用，此时磁感应强度
和Ｂ磁场强度H有何关系？
B 0 ( H M )
令 则
0 (1 ) H 0 (1 ) B H
式中的μ为介质的磁导率，单位为H/m，是磁性材料 最重要的物理量之一，其也反映了介质磁化的能力。
亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，
矩，这就是亚铁磁性（ferrimagnetism）。
尼尔点是反铁磁性转变为顺磁性的温度(有时也称为反铁磁 物质的居里点Tc) 。
尼尔点
图5-14 三种磁化状态示意图
5.3.3 磁畴 铁磁性（ferromagnetism）材料所以能使磁化 强度显著增大（即使在很弱的外磁场作用下， 也能显示出强弱性），这是由于物质内部存在 着自发磁化的小区域——磁畴（magnetic domain）的缘故。
外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性， 这种磁性称为铁磁性。
过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、 钇、钐、铕等都具有铁磁性。 此材料的磁化率可高达103，M>>H
5.2 抗磁性与顺磁性
任何物质都是由原子组成的，而原子又是由带正
电荷的原子核(简称核子)和带负电荷的电子所构
材料物理性能铁磁性
生的。根据键合理论，当原子相互接近(jiējìn)时，电子云
要相互重叠，电子要相互交换位置。交换力的作用
迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序的排列。
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铁磁材料的原子(yuánzǐ)组态和原子(yuánzǐ)磁矩
自然界中的铁磁性材料(cáiliào)都是金属，它们的铁磁性来源于原
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统一(tǒngyī)的表
达式
交换(jiāohuàn)作
用能
1
e2
E 2 E0 K A 2 A( S a Sb )
2
R
Eex 2 A Sa .Sb
对于基态，要求Eex<0（以满足
能量最低原则）
A
铁磁性
顺磁性
Co
Ni
1. 若A<0,则，Sa与Sb相反，自旋反平行
常温下呈现为顺磁性。
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第二节 铁磁性
• 物理本质(běnzhì)
外斯假说(jiǎ shuō)
• 自发极化
• 反铁磁性
• 亚铁磁性
• 磁相互作用
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3. 反铁磁性
x
x
x
TC
铁磁性
T
TN
反铁磁性
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T
TS
T
亚铁磁性
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反铁磁性的基本特征
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反铁磁性与亚铁磁性的特点
• 反铁磁晶体可以看做是由两个亚点阵组成，每个亚点
阵的离子磁矩平行排列而相互间的磁矩方向(fāngxiàng)却
反平行。即MA + MB = 0，自发磁化强度为零。
材料物理性能-磁性能
1831—1879
居里定律
发明了磁秤（磁天平），实现了对弱磁性的测量。
根据大量的实验结果，总结出著名的居里定律。
抗磁体的磁化率不依赖磁场强度且一般不依赖于温度； 顺磁体的磁化率不依赖磁场强度且与温度成反比； 铁在某一温度（居里温度）以上失去磁性。
压电效应的发现； 放射性物质研究，发现了镭。
由此说明了地磁的成因和物质的磁性。
（1775-1836）
发现四 提出了分子电流假说。
揭示了物质磁性的本质。
电和磁本质上是统一的。
电磁感应现象
1831年，由法拉第发现。
俗称磁生电，直接导致了发电机的
发明，影响非常深远。
其它成果： 1834年，发现了电解定律，开创 了电化学学科。 发现了物质的抗磁性。 提出了电磁场这一概念。 法拉第，英国科学家
居里定律
居里-外斯定律
C T C T
3.相变及组织转变的影响
当材料发生同素异构转变时，晶格类型及原子间距
发生变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变 化。例如，正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰 锡时，磁化率明显变化。当材料发生其他相变时， 也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。
Ht H H
磁场强度的单位是A/m (安/米)。 磁化强度 M ：材料被磁化后，单位体积的磁矩 1 M mi V 磁化强度的单位是A/m (安/米)。mi为原子固有磁矩。
H M
磁化率χ：表征物质本身的磁化特性，量纲为1，其值可正、 可负。
M H
磁导率μ：反映了磁感应强度与外磁场强度的关系，即当 外磁场增加时磁感应强度增加的速率。
顺磁磁化过程示意图
(a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场
磁学中的铁磁与反铁磁相互作用
磁学中的铁磁与反铁磁相互作用磁学作为一门研究磁性现象和磁性材料的学科，深受科学家们的关注。
其中，铁磁和反铁磁相互作用是磁学中的一个重要研究方向。
本文将探讨铁磁和反铁磁相互作用的原理、应用以及在材料科学中的潜在价值。
铁磁材料具有自发磁化的特性，即在外加磁场的作用下，材料中的磁矩会偏向于一定的方向。
这种自发磁化是由于铁磁材料内部存在着相邻的磁矩之间的相互作用，它们倾向于平行排列，形成自发磁化的状态。
在铁磁材料中，磁矩相互作用的强度决定了材料的磁化强度。
而反铁磁材料则不同，其中的相邻磁矩倾向于反向排列，导致自发磁化的状态较弱。
铁磁和反铁磁相互作用的原理是基于电子的自旋和轨道运动。
具体来说，铁磁材料中的磁矩是由电子的自旋和轨道角动量导致的。
在外加磁场的作用下，自旋和轨道角动量会发生变化，从而导致磁矩的方向偏离。
而反铁磁材料则由于相邻磁矩的耦合作用，导致自旋和轨道角动量相互抵消，产生较弱的自发磁化。
这种铁磁和反铁磁相互作用在实际应用中有着广泛的应用。
例如，在磁存储器件中，铁磁和反铁磁材料的相互作用可用于实现信息的读写和存储。
在这种材料系统中，铁磁材料用于存储位，而反铁磁材料则用于读取信息。
利用磁矩之间的相互作用，在外加磁场的作用下，可以实现信息的可靠读写和非易失性存储。
此外，铁磁和反铁磁相互作用还在传感器领域具有重要的应用。
例如，在磁敏传感器中，通过铁磁材料和反铁磁材料之间的相互作用，可以实现磁场信号的转换和探测。
这种传感器可以广泛应用于测量、导航和控制等领域，如磁力计、地磁传感器等。
铁磁和反铁磁相互作用不仅在应用中具有重要的地位，而且在材料科学中也具有深远的意义。
通过对铁磁和反铁磁相互作用的研究，可以更好地理解和探索材料的磁性特性，为新型磁性材料的设计和制备提供指导。
例如，通过调控铁磁和反铁磁材料的相互作用强度和衰减长度，可以实现对材料磁化强度和磁相转变的控制，进而开发出具有特定磁性性能的材料。
在磁学中，铁磁和反铁磁相互作用是一门重要的研究领域。
材料磁性与晶体结构的关系分析
材料磁性与晶体结构的关系分析引言在现代技术的发展中，磁性材料具有重要的应用价值。
研究材料的磁性特性与其晶体结构之间的关系，可以帮助我们理解材料的宏观磁性行为，为材料设计与制备提供指导。
一、材料磁性的基本概念磁性材料是指在磁场作用下可以表现出磁学特性的物质。
根据其磁性行为，通常将材料分为铁磁性、反铁磁性、顺磁性和抗磁性四种类型。
铁磁性材料在外磁场的作用下有明显的磁化特点，即在磁场中具有磁性；反铁磁性材料在低温下会发生磁矩的重新排序现象；顺磁性材料的磁矩与磁场方向一致，随磁场的变化而变化；抗磁性材料的磁矩与磁场方向相反，与顺磁性材料相反。
二、晶体结构与材料磁性的关系晶体结构是指材料内部原子排列的有序性。
晶体结构的差异对材料的物理性质有重要影响，包括磁性。
晶体结构的变化会导致材料的磁性变化，这与晶格常数、晶格点对称性以及晶格形态有关。
1. 晶格常数对磁性的影响晶体的晶格常数是指晶胞中相邻两个原子之间距离的大小。
晶格常数的变化会导致晶胞体积的变化，进而影响材料的磁性。
一般来说，当晶胞体积增大时，原子之间的相互作用减弱，磁性减弱。
相反，当晶胞体积减小时，原子之间的相互作用增强，磁性增强。
2. 晶格点对称性对磁性的影响晶格点对称性是指晶体结构中的每个晶格点上的原子排列具有一定的对称性。
晶格点对称性的不同会导致材料磁性的不同。
例如，铁磁性材料的晶格点对称性一般是具有中心反演对称性的，这种对称性可以使磁矩在一个特定的方向上排列，从而显现出铁磁性行为。
3. 晶格形态对磁性的影响晶体结构的形态也会对材料的磁性产生影响。
例如，某些晶体具有层状结构，在某一方向上排列的磁矩可以相互干涉，从而使整个晶体呈现出反铁磁性行为。
另外，晶体的形态也会影响自旋耦合或轨道耦合等物理机制，这些机制与材料的磁性紧密相关。
三、经典案例分析来自磁铁矿石的磁性材料是研究材料磁性与晶体结构关系的经典案例之一。
这类矿石主要包括磁铁矿、赤铁矿和锰锌铁矿。
反铁磁体的m—h曲线
反铁磁体的m—h曲线反铁磁体是一种特殊的磁性材料，其磁性行为与铁磁体和顺磁体有着明显的区别。
在外加磁场作用下，铁磁体呈现出饱和磁化强度的特点，而顺磁体则随着磁场的增大而磁化，但磁矩的大小与磁场强度呈线性关系。
相比之下，反铁磁体的磁性行为非常特殊，其磁矩在外加磁场作用下呈现出抵消效应，导致磁化强度随磁场的增大而减小。
本文将详细介绍反铁磁体的磁化过程，并重点分析其m-h曲线。
反铁磁体最典型的例子就是铁的α铁素体相，在低温下α铁素体呈现反铁磁性。
反铁磁体的磁性行为受到其晶体结构的影响，晶体结构中存在多个原子之间的相互作用，这些相互作用会产生各向异性，从而影响磁性行为。
为了更好地理解反铁磁体的磁化过程，需要先来了解一下m-h曲线。
m-h曲线是描述磁化强度随外加磁场变化的曲线，其中m代表磁化强度，h代表外加磁场。
当一个反铁磁体处于零磁场状态时，其内部各个磁矩相互抵消，使得整体磁化强度为零。
当外加磁场开始增大时，反铁磁体中的各个磁矩受到磁场的作用开始重新排列。
这个过程可以分为两个阶段。
第一阶段是磁场较小的时候，磁矩会逐渐与磁场方向一致，但磁化强度却减小。
这是因为磁化强度的减小是由于反铁磁体内部的各种相互作用所导致的，与铁磁体和顺磁体不同，反铁磁体的磁矩不仅与外加磁场相互作用，还会受到晶格结构和自旋耦合等因素的影响。
这些因素相互作用导致磁矩的方向未能完全与磁场的方向一致，因此磁化强度会逐渐减小。
当磁场进一步增大时，进入第二阶段。
在这个阶段，磁矩的方向与磁场的方向已经完全一致，但磁化强度继续减小。
这是由于反铁磁体内部的多个磁矩相互作用非常复杂，其中存在一些抵消效应。
当外加磁场较大时，这些抵消效应更加明显，导致磁化强度的减小趋势更为明显。
总的来说，反铁磁体的m-h曲线呈现出一个递减的趋势，与铁磁体和顺磁体呈现出的递增趋势相反。
由于反铁磁体的磁化强度随磁场的增大而减小，因此在实际应用中，反铁磁体通常不适合作为磁场传感器或产生恒定磁场的元件。
反铁磁超交换作用
反铁磁超交换作用
反铁磁超交换作用是一种重要的物理现象，对于理解磁性材料的行为
具有重要意义。
本文将详细介绍反铁磁超交换作用的概念、机制和应用。
一、概念
反铁磁超交换作用指的是反铁磁相邻两个离子之间的交换作用。
反铁
磁性是指在一定温度范围内，材料中铁磁离子磁矩方向交替排列的现象。
离子之间存在交换作用，当这种作用平衡时，磁矩方向将呈现反
平行的状态，即反铁磁性。
二、机制
反铁磁超交换作用的机制是由于金属原子的近邻原子对其电子构型的
影响。
在固态物质中，每个金属原子的电子在原子轨道中作运动。
当
存在近邻原子时，原子轨道的电子将在相邻原子轨道之间移动，形成
了反铁磁性。
在这样的磁性体中，离子间的交换作用是引起反铁磁性
的根本因素。
三、应用
反铁磁超交换作用在磁性材料研究中扮演着重要角色。
在磁性材料中，反铁磁相邻两个离子之间的超交换作用可以产生强大的耦合，可以控
制磁相互作用和磁性材料的磁性能。
此外，反铁磁超交换作用在电子学、磁学等领域也有广泛的应用。
研
究反铁磁超交换作用的机制和性质，有助于设计和制备新型材料，如
能够用于高密度存储器和高灵敏度传感器等。
总而言之，反铁磁超交换作用是一种极为重要的物理现象。
深入研究反铁磁超交换作用的机制和性质，不仅可以拓展科学界对磁性材料行为的认识，也有望为新型材料的制备和应用提供理论依据。
磁铁正负极原理
磁铁正负极原理磁铁是一种能够产生磁场的物质，它具有两个极性，分别是正极和负极。
这种磁性的产生和作用原理，一直以来都是人们研究和探讨的重要课题。
而磁铁正负极原理，正是对磁铁磁性产生和作用的基本解释。
下面我们就来深入了解一下磁铁正负极原理。
首先，我们需要了解磁铁的基本结构。
磁铁是由许多微观小磁铁组成的，这些微观小磁铁又被称为磁畴。
在没有外部磁场作用时，这些磁畴是呈杂乱排列状态的，其磁性相互抵消，整体上不表现出磁性。
但是当外部磁场作用于磁铁时，这些磁畴会开始按照一定方向重新排列，使得磁铁整体上表现出磁性。
而这种重新排列的方向，就决定了磁铁的正负极性。
其次，磁铁的正负极性是由磁铁内部微观小磁铁的排列方向所决定的。
当磁畴的排列方向一致时，磁铁就会表现出强磁性，这时我们称之为磁铁的正极。
而当磁畴的排列方向相反时，磁铁就会表现出弱磁性甚至没有磁性，这时我们称之为磁铁的负极。
因此，可以看出磁铁的正负极性是由内部微观结构的排列决定的。
此外，磁铁的正负极性还具有一定的吸引和排斥特性。
根据磁铁的正负极性，我们可以得出磁铁之间的相互作用规律。
同极相斥，异极相吸，这是磁铁正负极性的基本特性。
这一规律也是磁铁应用中的重要基础，例如在电机、发电机、变压器等设备中，都会利用磁铁的正负极性来实现能量转换和传递。
最后，我们需要注意的是，磁铁的正负极性是可以改变的。
通过外部磁场的作用，可以改变磁铁内部微观小磁铁的排列方向，从而改变磁铁的正负极性。
这也为我们在实际应用中，提供了一定的灵活性和可控性。
总之，磁铁正负极原理是关于磁铁磁性产生和作用的基本解释。
它是由磁铁内部微观小磁铁的排列方向所决定的，具有吸引和排斥特性，并且是可以改变的。
对于我们深入理解磁铁的工作原理和应用具有重要意义。
希望通过本文的介绍，能够让大家对磁铁正负极原理有一个更加清晰的认识。
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y
x
Neel畴壁：多见于磁性薄膜，磁 化方向在薄面上发生旋转，最终 实现反转；
.
畴壁的厚度取决于交换能和磁各向异性平衡的结果
磁学各向异性
磁学特性随晶体学 方向不同而不同的 特性；
磁学特性包括： 初始磁导率，饱 和磁化强度、剩 余磁化强度、矫 顽力等等
铁单晶沿不同方向的磁化曲线 不同晶体学方向磁化难易程度不同
第12章 铁磁性与反铁磁性
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目录
1. 铁磁序 2. 磁波子（磁振子） 3. 中子散射 4. 亚铁磁序 5. 反铁磁序 6. 铁磁畴 7. 单畴粒子
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物质 原子
原子核
原子核运动
磁
核外电子
主要贡献 矩
轨道运动＋自旋运动
为什么电子磁矩对物质磁矩起主要贡献， 而不是原子核磁矩呢？
原子核比电子重1000多倍； 原子核运动速度仅为电子速度的1/几千； 故：原子核磁矩可忽略
.
YIG晶体中3种位置：
6个氧构成A位置（V8）、
4个氧构成D位置（V4） 、
8个氧构成C位置（V12）
A
金属离子被O2－形成的
亚点阵包围：
Y3＋→C；Fe3＋ →A＋D
D
C
石榴石晶胞中共160个原
子（离子）：O原子96个 石榴石晶体结构示意图
构成亚点阵；A原子16个；
D位24个；C位24个
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亚铁磁体的居里温度及其磁化率
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铁磁体在外磁场中磁化的过程主要为磁畴壁的移动和磁畴内磁矩的 转向过程
M
HM
S
MH
M
M
H
.
形成畴结构的原因：系统能量最低结果，是交换相互作用能、 磁晶各向异性能、磁弹性能、退磁能等各种能量贡献的平衡结
果。
矫顽力
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7.单畴粒子
理想的单畴粒子：磁矩朝向某一端的长形微细 颗粒或其他特殊形状的粒子
应用： 生物领域。生物中的单畴粒子与外部磁场之间 的相互作用，鸟类的迁徙，蜜蜂的飞行。 仪器：扫描隧道显微镜的探针
在磁结构的本质上它和反铁磁物质相似，但宏观表现上却更接 近于铁磁物质。
以磁铁矿Fe3O4为例，即FeO·Fe2O3
Fe3O4的自旋排列。
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铁氧体就是典型的具有亚铁磁性序的材料
尖晶石结构：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4 石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb ) 磁铅石结构：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19, 钙钛矿结构：LaFeO3, 尖晶石结构： MO·Fe2O3，M是二价阳离子，比如Zn，Cd，Ni等
假设i、j两原子，自旋Si，Sj，其相互作用能： U=-2J Si· Sj
（ J：交换积分） 在平均场近似下，J与Tc的关系
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在平均场近似下，对于S=1/2，磁化强度与温度的函数关系为：
若进行约化：
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低温下，平均场近似给出的磁化强度的偏离量： ΔM = M(0)- M(T)
而实验结果表明：低温下ΔM随温度的变化要快的多 如何来解释？（自旋波理论）
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原子核
物质磁性分类的原则
A.是否有固有原子磁矩？B.是否有相互作用？ C.是什么相互作用？
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亚铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：有磁矩，RKKY相互作用 7. 超顺磁性：磁性颗粒的磁晶各向异性与热激发的竞争
尖晶石立方晶胞： 含有8个MFe2O4
四面体（A）位置：8个 八面体（B）位置：16个
JAA、. JBB、JAB <0
石榴石结构：A3Fe5O12, (A=Y,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb
结构中有3种位置：1. A位：氧正八面 体中心；2.D位：氧正四面体中心； 3. C位：氧正十二面体中心
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亚铁磁性体自发磁化随温度的变化
MS Q型 TC
MS R型 TC
MS P型 TC
MS N型
Tcomp TC
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5.反铁磁序
反铁磁体是亚铁磁体的一种特殊情况来自即其中A和 B两套子晶格磁化强度相等（CA=CB）。
平均场近似下：TN=μC T>TN，理论结果
实验结果 MnO中Mn2+离子排列
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奈尔温度以下的磁化率
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3.中子散射
中子能感受到晶体的两个方面：核的分布和电子磁化强度的分布 中子-核 的相互作用截面与中子-电子相互作用截面数量级相同，因此磁 性晶体对中子的衍射能确定磁矩的分布、方向和磁矩的序 中子可以被结构非弹性散射，同时产生或消灭一个磁波子。---可测定磁 波子谱
动量守恒： 能量守恒：
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4. 亚铁磁序
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绝对零度下的饱和磁化强度：
nB是有效磁子数
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Fe 原子：Fe[26]
2s2 2p6
3s2
3p6
nB=4
实际观测值nB往往不是整数，原因： 1.自旋-轨道耦合，+/- 轨道磁矩 2. 在顺磁性离子实周围感生的 3.亚铁磁性物质的自旋磁矩不是整数。
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3d6
4s2
金属Cu的4s带和3d带关系示意图 金属镍的4s带和3d带关系. 示意图
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1.铁磁序
M：单位体积的磁矩。 BE=λM
对于顺磁体： M=χPB χP= M / B = C / T
对于铁磁体： M=χP（Ba + BE） χ= M / Ba = C / （T-Cλ）
Χ=C/ T-TC , TC=Cλ
λ = TC/C ：平均场常数。
铁：λ≈5000
BE≈λM =103T.
交换场近似地表示量子力学的交换作用
2. 磁波子
假定N个自旋，每个大小为S，最近邻自旋之间通过海森堡相互作用进 行耦合，其相互作用能：
晶格振动---晶格原子的相对位置的振动。 声子 自 旋 波 ---晶格中自旋的相对取向的振动。 磁波子（磁振子）
.
磁波子的色散关系： 长波近似下
k2的系数一般可由中子散射或自旋波共振准确测定。 自旋波量子化： 频率为ωk的模含有nk个磁波子时，其能量 激发一个磁波子，相当于一个1/2自旋的反转 磁波子的热激发：
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反铁磁性磁波子： 反铁磁性磁波子的色散关系：
长波近似下，
铁磁性
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6.铁磁畴
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畴壁的3类：布洛赫畴壁（bloch） 尼尔畴壁（Neel） 介于二者之间的畴壁（枕木状）
z
y
x
Bloch畴壁：磁化方向自旋相对于畴壁 的法线成分连续变化。磁化强度在厚 度方向上像竹帘打捻一样实现反转， 多见于块状磁体