磁学性能铁磁性及其物理本质
材料物理性能-_磁学性能
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4. 磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为 H 的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
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二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
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铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
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4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
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磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m
了解磁的性质：物理知识点
了解磁的性质：物理知识点磁的性质在物理学中是一个重要的研究领域，它涉及到磁场、磁力、磁感应强度等一系列概念和性质。
本文将介绍磁的性质的基础知识，包括磁性物质、磁场的特征、磁感应强度的计算以及磁力的作用等方面。
一、磁性物质磁性物质是指在外加磁场作用下会产生显著磁效应的物质。
根据磁性，物质可以分为三类：铁磁性、顺磁性和抗磁性。
铁磁性物质在外加磁场作用下会产生磁化，且自身能够保持一定的磁化程度，如铁、镍、钴等；顺磁性物质在外加磁场下也会发生磁化，但磁化程度较小，如铜、银等；抗磁性物质则不会受到外加磁场的影响。
二、磁场的特征磁场是研究磁性的基础，它具有方向和大小的特征。
磁场的方向可由磁针或指南针指示，指向南极的磁场被称为南极磁场，指向北极的磁场被称为北极磁场。
根据磁场的特征，我们可以将磁场分为均匀磁场和非均匀磁场。
均匀磁场指磁场大小和方向在空间各点都相等，非均匀磁场则相反。
三、磁感应强度的计算磁感应强度是描述磁场强弱的物理量，通常用字母B表示，单位是特斯拉(T)。
在匀强磁场中，磁感应强度的大小与磁场的大小和磁场与磁针之间的夹角有关。
磁感应强度的计算公式为B = μ0 * H，其中μ0为真空中的磁导率，H为磁场强度。
在实际应用中，我们也可以通过霍尔效应等测量手段来获得磁感应强度的值。
四、磁力的作用磁力是指磁场对运动带电粒子或磁性物体施加的力。
根据洛伦兹力定律，磁力的大小与磁感应强度、电流（或运动带电粒子的速度）以及两者之间的夹角有关。
磁力的方向垂直于磁场方向和运动带电粒子（或磁性物体）的速度方向，符合右手定则。
除了洛伦兹力定律，怀尔德定则也是描述磁力的定律之一。
怀尔德定则指出，当导体中有电流通过时，导体受到的合磁力方向与磁场的方向和电流的方向有关。
总结：通过本文的介绍，我们了解了磁的性质在物理学中的重要性及其基本知识。
我们学习了磁性物质的分类，包括铁磁性、顺磁性和抗磁性。
我们了解了磁场的特征，包括磁场的方向和大小。
磁铁为什么会有磁性 磁性的本质
磁铁为什么会有磁性磁性的本质一、物质磁性的起源如果磁是电磁以太涡旋，一个磁铁，没看到任何电磁以太的涡旋，为什么会有磁性？我们的回答是：物质的磁性起源于原子中电子的运动，电子的运动会产生一个电磁以太的涡旋。
早在1820年，丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应，第一次揭示了磁与电存在着联系，从而把电学和磁学联系起来。
为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。
安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体。
当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不显磁性。
在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使物体显示磁性。
磁现象和电现象有本质的联系。
物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系。
乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他们认为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子核运转，相应有轨道角动量和轨道磁矩，另一方面又绕本身轴线自转，具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。
施特恩-盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩。
（现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。
）电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性，人们常用磁矩来描述磁性。
因此电子具有磁矩，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。
在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用。
因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。
每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子。
是原子磁矩的单位，。
因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计。
孤立原子的磁矩决定于原子的结构。
原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。
铁磁性的物理本质_杨全民
先解释 的 是罗 津格 和 外斯 。 这就 是外 斯“ 分 子 场” 和 磁畴 假 说 。“分子场” 理论是解释自发磁化的经典理论 。
1.1 两个实验定律
1.1 .1 居里(Curie)定律 在顺磁性物 质 中 , 原 子或 分 子都 具 有稳 定 的 固有 磁 矩 。
也就是说 , 这些 原子 、离子和分子的 电子壳层中 具有奇数 个电
分子场理论从顺 磁理 论出发 , 引 入了“ 分 子场” 这样 一个 有效场概念 , 比 较成功地解释了自发磁 化与温度的 关系 、居里 点的原因 、高温 顺磁磁化率等特性 , 成功地从定 性的角度 上解 释了一些重要的基本磁性现象 。 这 一理论的物 理学图像 直观 清晰 , 方法简洁 , 至今仍是许多理 论的基础 。 然 而由于分 子场 理论把原子磁矩的微观的十分复 杂的作用利 用一种有效 场来 代替 , 忽略了许 多重要的细节 , 所以 分子场理论 还是十分 初步 的 。 量子力学建立后 , 人 们利 用量子 力学 研究 了自 发磁 化的 原因 , 认识到分 子场的 本质 是原子 中电 子及相 邻原 子之 间电 子的静电交换作用 。 从此 , 量子 理论在说 明自发磁 化时 , 提出 了不同的交换作用 模型 , 对 研究铁 磁性 问题起 到了 十分 积极 的作用 。 弗兰克尔和海森伯先后最 早独立地提 出了交换 作用 模型 , 由于海森 伯对铁磁性自发磁化作 出了较细致 的研究 , 通 常称其为海森伯交换模型 。 由海森 伯交换模型 所得的定 性结 果可以解释铁磁性产生自发磁化的原因 。
还能求得自发磁化消失时的温度和 居里 ——— 外斯定 律 。这些
理论结果都与实 验符合得很 好 。这就是“ 分子 场” 理论的 成功
所在 。“ 分子场” 理论的缺陷主 要是没有 说明“ 分子场” 的 本质
铁磁材料的物理性质和应用
铁磁材料的物理性质和应用铁磁材料是一种具有特殊磁性的材料，它们在外部磁场的作用下会表现出一定的磁性。
铁磁材料在现代工业中应用非常广泛，包括电力、电子、通讯、计算机等领域。
了解铁磁材料的物理性质和应用对于我们深入了解现代工业的磁性材料领域至关重要。
一、铁磁材料的物理性质铁磁材料具有很强的磁性，其磁化强度可以达到几千高斯，是一种可以被外磁场强烈磁化的材料，但在外磁场作用下，随着磁场的增大，其磁化强度会逐渐饱和。
铁磁材料的特殊磁性是由其电子结构造成的，其晶体结构内部由互相交叉的磁矩构成，产生了铁磁性的特殊性质。
同时，铁磁材料也具有磁记忆性，即在一定的磁场下，材料会保持一定的磁化状态，当外磁场消失后，其磁化状态会得以保留。
这种特殊的磁记忆性为磁数据存储方面的应用提供了重要的基础。
二、铁磁材料的应用1. 磁性存储介质磁盘等存储媒体是现代社会中必不可少的设备之一。
铁磁材料可以通过外部磁场进行磁化，这种磁化状态可以被保留，并且可以进行读写操作，非常适合用于磁性存储器的介质。
铁磁材料可以通过处理得到非常小的微粒或薄膜，在这种状态下，材料的磁性能得到进一步的提升，可以实现更加高效的磁性存储。
2. 电机和发电机铁磁材料在电机和发电机的制造中也扮演着非常重要的角色。
在电机的工作过程中，旋转的磁场会产生感应电磁势，这样就可以将机械能转换为电能。
铁磁材料可以通过制造成磁铁的方式来产生一个强大的恒定磁场，从而保证电机的持续地工作。
铁磁材料在电机和发电机中的应用，不仅可以提高工作效率，还可以降低能源耗费，是现代工业领域不可或缺的材料。
3. 传感器和天线铁磁材料还可以用于制造传感器和天线等设备。
磁性传感器可以检测非常微小的磁场变化，非常适合用于测量地震、地磁等自然现象。
天线中的铁磁材料可以用于接收和发送电磁波信号，是现代通讯领域不可或缺的材料。
总之，铁磁材料在现代工业中的应用非常广泛，在电力、电子、通讯、计算机等领域都有重要的地位。
铁磁性材料的物理性质与应用
铁磁性材料的物理性质与应用随着科学技术的不断发展，铁磁性材料的物理性质与应用也受到了越来越大的关注。
了解这些性质和应用对于促进材料科学的发展和学术交流具有重要意义。
本文将深入探讨铁磁性材料的物理性质和应用。
一、铁磁性材料的物理性质铁磁性材料是一类在外加磁场下产生自发磁化的材料。
铁磁性材料的磁性质源自于它们内部的原子磁矩。
这些磁矩会在外磁场的作用下排列成一定的方向，从而使材料具有磁性。
1. 磁滞回线磁滞回线是描述铁磁性材料磁化行为的关键指标。
它指的是在给定外加磁场的强度下，铁磁性材料的磁矩与它原有的磁矩方向之间的偏离量。
从磁滞回线的形状可以看出材料的磁化特性。
2. 饱和磁化强度饱和磁化强度是铁磁性材料中最大的外磁场强度，它会使所有的磁矩都在同一方向上排列。
一般来说，饱和磁化强度较高的材料更容易被磁化。
3. 矫顽力矫顽力是指铁磁性材料需要的外磁场强度，才能使它从无外磁场状态下的磁化状态转变为另一种状态。
矫顽力越大的材料越难被磁化。
二、铁磁性材料的应用除了在物理实验和科研领域中被广泛使用之外，铁磁性材料在许多领域都有着广泛的应用。
以下是其中最为突出的几个领域：1. 电子学铁磁性材料被广泛用于电子学中的存储器、传感器和执行器等领域。
在硬磁盘中，铁磁性材料被用于读写头的元件，从而实现存储数据。
此外，在电子学中的磁随机存储器（MRAM）领域，铁磁性材料也被广泛应用。
2. 医学铁磁性材料在生物医学领域中也有着许多应用。
例如，在磁共振成像中，可以使用铁磁性材料来增强成像效果。
此外，铁磁性纳米颗粒还被用于癌症治疗和病毒疫苗制备等领域。
3. 磁性流体磁性流体是由铁磁性颗粒悬浮在液体中形成的，它们具有可控的磁学性质。
磁性流体可以用于制备垂直读取的硬磁盘，同时还被用于制备船舶阻力测试和用于污水净化领域。
综上，铁磁性材料的物理性质和应用涉及到许多领域，其中包括电子学、医学和磁性流体等。
在未来科学研究和工业应用中，铁磁性材料有着非常广泛的前景和应用价值。
铁磁学性能材料物理性能
磁化强度与材料的微观结构、晶体取向、杂质和缺陷等 有关。
磁化强度的测量通常采用磁强计或霍尔效应测量仪等设 备进行。
磁化曲线和磁滞回线
磁化曲线是描述铁磁材料在 磁场中被磁化的过程中，磁 感应强度随磁场强度变化的
曲线。
铁磁学涉及到材料的磁化、磁滞、磁畴结构等基本概念，以及与材料内部结构和电 子状态相关的物理机制。
铁磁学的重要性
01
铁磁材料在现代工业和科技领域 中具有广泛的应用，如电机、发 电机、变压器、磁记录、磁悬浮 等。
02
铁磁学的发展对于推动相关领域 的技术进步和产业升级具有重要 意义，同时也为新材料和新能源 的开发提供了理论基础。
铁磁材料的磁性能对磁记录和磁头的性能有着重要影响。高剩磁比和矫顽力使得铁磁材料能够在磁场 中保持稳定的磁化状态，从而提高了数据的存储密度和可靠性。此外，铁磁材料的耐腐蚀性和温度稳 定性也是选择和应用时需要考虑的因素。
磁流体和磁性分离
磁流体和磁性分离是利用铁磁材料的 磁性来实现物质分离的物理方法。在 磁流体中，铁磁颗粒被用来传递磁场； 在磁性分离中，铁磁颗粒被用来吸附 目标物质。
详细描述
铁磁材料的电导率受到多种因素的影响，如 温度、磁场、金属杂质等。在一定温度下， 随着磁场强度的增加，铁磁材料的电导率通 常会降低。金属杂质对铁磁材料的电导率也 有显著影响，通常会引入额外的散射机制， 降低电导率。
介电常数和介电损耗
总结词
介电常数衡量了电场作用下材料的极化程度，而介电损耗则反映了材料在电场作 用下的能量耗散。
数来表示。
铁磁材料的热膨胀系数随温 度的升高而增大，这是因为 材料内部的原子或分子的振 动幅度增大，使得原子之间
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但还有相当多的固溶体顺磁物质，特别是过渡族金属元 素是不符合居里定律的。它们的原子磁化率和温度的关系需 用居里-外斯定律来表达 。
居里-外斯定律
为居里温度 。 2. 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li、Na、K、Rb属于此类。
3.存在反铁磁体转变的顺磁体 过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类 顺磁体。它们都有一定的转变温度，称为反铁磁居 里点或尼尔点，以TN表示。当温度高于TN时，它们 和正常顺磁体一样服从居里-外斯定律，且△＞0； 当温度低于TN时，它们的χ随T的下降而下降，当 T→OK时，χ→常数；在TN处χ有一极大值，MnO、 MnS、NiCr、CrS-Cr2S、Cr2O3、FeS2、FeS等都属这 类。
顺磁体的χ-T 关系曲线示意图
四、金属的抗磁性与顺磁性 金属是由点阵离子和自由电子构成的，故金属的 磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性， 以及自由电子的抗磁性与顺磁性。 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动，正离子 的顺磁性源于原子的固有磁矩。 而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁矩， 自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹力而 作的圆周运动，这种圆周运动产生的磁矩同外磁场 反向。 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或 顺磁体。
电子循轨磁矩
电子的自旋磁矩
原子核的自旋磁矩
3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 物质的磁性及其物理本质
3.2.1 原子磁性
原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分 别具有轨道磁矩和自旋磁矩。
铁磁体的磁学性质及应用
铁磁体的磁学性质及应用铁磁体是一类具有自发磁化的材料，其磁学性质深受广泛关注。
通过深入的研究，我们可以了解铁磁体在凝聚态物理学和材料科学中的重要作用，也可以探索其广泛的应用领域。
铁磁体的磁学性质铁磁体的自发磁化源于材料中原子核的磁性小电流。
这些小电流产生了外部磁场，这又导致了原子核的磁矩在空间中调整，产生了材料的自发磁化。
从磁学角度看，铁磁体的磁化是“线性响应”的，这意味着外部磁场对其磁化的影响是正比于该磁场的。
特别地，在外部磁场逐渐增加的情况下，铁磁体的磁化将逐渐增加，直到该材料达到其饱和磁矩。
当外部磁场恰好反转时，铁磁体会发生磁化反转，这种现象可以被用于强磁场测量、磁存储和其他领域的应用。
铁磁体的应用铁磁体由于其特殊的磁学性质，在许多领域都有广泛的应用。
在下面的几个领域中，我们将更加详细地探讨其应用：1. 磁存储铁磁体的应用和研究最成功的领域是磁存储。
它是通过应用磁领域对磁性读写材料进行编码（保存）二进制信息的一种技术。
磁性读写材料被制成的磁盘在磁场的作用下可以变得磁化。
在不同的方向，该磁盘可以产生不同的磁场强度，这使得其可以编写和保存信息。
磁性读写材料通常是长寿命、可重复使用的。
在计算机领域中，磁存储器已经成为了一项基本技术，非常广泛地应用在各种数据存储、文件传输、备份和还原等方面。
2. 传感器铁磁体也可以用作传感器。
这种材料被制成为电感器（coils），它们被用作磁场传感器、地磁传感器、电机转速传感器等，它们对物体的大小、距离和位置有非常灵敏的响应。
当传感器放置在磁场中时，它们会产生震荡，这些震荡可以被接收器接收并转换为电信号。
由铁磁体制成的传感器在工业自动化、车用传感器、安防检测等领域得到广泛应用。
3. 太空技术铁磁体的磁学性质可以通过直接测量近地空间中的磁场，从而探测地球、太阳和宇宙中的原理。
这些测量对于精细的大气、地球和太阳物理学研究非常重要。
在星际探索中，铁磁体可以用于促进太阳帆等飞行器的精确导航、控制和通信研究。
第三章;磁学性能(铁磁性及其物理本质)
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3.4 磁晶各向异性和各向异性能
磁各向异性
对于铁磁单晶的研究发现，沿不同晶向的磁化 曲线不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同 的性质，称为磁性的各向异性。
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相邻原子间电子轨道还有交换作用，由于自旋-轨 道相互作用，电荷的分布为旋转椭球性，非对称性与 自旋方向密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动 将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互 作用能改变，导致磁各向异性。
当 Rab／r ﹤ 3， A﹤0，则反向 排列， 为反铁磁性
铁磁性产生的充要条件：
原子内要有为填满的电子壳层，满足 Rab／r ﹥3使A﹥0。
前者指的是原子本征（固有）磁矩不为 零；后者指的是要有一定的晶体结构。
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Rab-原子间距 r未填满的电子层半
径
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铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的 电子壳层；②及Rab／r之比大于3使交换积分A为正。 前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有 一定的晶体结构。
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根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电 子云要相互重叠，电子要相互交换位置。 对于过渡族金属，原子的3d的状态与4s态能量相 差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状 态电子的再分配。 即发生了交换作用。交换作用产 生的静电作用力称为交换力。
交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序 排列。其作用就像强磁场一样，外斯“分子场”即 来源于此。
具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的化物，是非金属磁性材料，一般称为铁氧体。磁性离子间并不存
在直接的交换作用，而是通过夹在中间的氧离子形成间
第三章 磁学性能(磁性及其物理本质)
抗磁矩产生的原因分析
1、当产生顺时针电流时，用右手螺 旋定则判断电子运动所产生的磁 矩为PL方向向下，其值为： P=efπr2=e. ω/2π. πr2=1/2. eωr2 向心力：K=mrω2 2、外加磁场后，用左手定则判断洛 伦兹力△K方向向内，与向心力 的方向相同。 3、洛伦兹力向内，产生一附加的磁 矩，由于洛伦兹力与向心力方向 相同，产生的附加磁矩△P与轨 道磁矩P方向也相同，即向下。 4、外加磁场方向向上，产生的附加 磁矩方向与外加磁场方向相反， 故使外加磁场减弱，即产生抗磁 性。
稀土金属的顺磁性较强，磁化率较大且遵从居里-外斯定律。 这是因为它们的4f或5d电子完层未填满，存在未抵消的自旋 磁矩所造成的。 过渡族金属，在高温基本都属于顺磁体，但其中有些存在 铁磁转变(如Fe、Co、Ni)，有些则存在反铁磁转变(如Cr)。 这类金属的顺磁性主要是由于它们的3d-5d电子壳层末填满， d-和f-态电子未抵消的自旋磁矩形成了晶体离子的固有磁矩， 从而产生了强烈的顺磁性。 抗磁性：电子壳层已被填满，即固有的磁矩为零，在外加 磁场的作用下原子核外电子的循轨运动产生抗磁性，强弱取 决于电子数量 顺磁性：原子或离子有未被填满的电子壳层，即具有固有 磁矩，在外加磁场的作用下，产生顺磁矩大于抗磁矩，表现 出顺磁性。
五、影响金属抗磁性及顺磁性的因素
；六、 磁化率的测量
磁秤 利用试样在非 均匀磁场中的受力情 况来确定它的磁化率。
利用与标准试样对比来确定它的磁化率。
但在常温下，由于热运动的影响，原子磁矩难以有序化排 列，故顺磁体的磁化十分困难，磁化率一般仅为10-6～10-3。
根据顺磁磁化率与温度的关系，顺磁质分为三大类： 1. 正常顺磁体 O2、NO、Pd稀土金属，Fe、Co、Ni的盐类，以 及铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体。其中 有部分物质能准确地符合居里定律，它们的原子磁 化率与温度成反比 。 居里定律
铁的物理化学性质
铁的物理化学性质铁是一种常见的金属元素，它具有许多独特的物理化学性质。
了解和研究铁的这些性质对于我们理解和应用它在各个领域的重要性至关重要。
本文将探讨铁的物理化学性质，包括其结构、磁性、导电性、热性、溶解性等方面。
1. 结构性质铁的晶体结构属于面心立方晶体结构，其中每个原子都与六个相邻的原子相接触，形成临近半径的六角形密堆积。
这种结构使得铁具有较高的密度和强度，使其成为许多工业应用的理想选择。
2. 磁性铁是一种铁磁性材料，也是最有名的铁磁材料之一。
铁原子的电子自旋有序排列，且相邻电子自旋方向相反。
这种自旋有序排列引起了铁的磁性。
在外磁场作用下，铁能产生强大的磁响应，并且能够保留磁场，即使在外界磁场消失后，铁仍具有一定的剩余磁性。
3. 导电性铁是优良的导电材料之一，它具有良好的电导率和低电阻率。
这使得铁广泛用于电子、电器和通信等领域。
铁在外界电场的作用下，能够自由地移动电子，并导电。
同时，铁的导电性也受温度的影响，通常在较低的温度下导电性较好。
4. 热性质铁具有良好的热传导性质。
它能够迅速传输和扩散热量，适用于许多高温和高热应用。
铁的热膨胀系数相对较小，具有较好的热稳定性。
5. 化学性质铁与氧气反应生成铁的氧化物（Fe2O3），即常见的锈。
这种化学反应称为氧化反应，也是铁发生腐蚀的主要原因之一。
此外，铁还可以与一些酸和碱发生反应。
例如，铁在强酸中会被溶解生成相应的盐，而在强碱中则会发生氢气的析出。
总结：铁作为一种重要的金属元素，在许多方面具有独特的物理化学性质。
它的结构性质使其具有高密度和强度；磁性使其在磁场中产生强大的磁响应；导电性使其成为导电和通信领域的重要材料；热性质使其适用于高温和高热应用；化学性质使其与氧气、酸和碱等物质发生反应。
了解和研究铁的这些性质对于设计和应用铁材料至关重要，并有助于提高其性能和延长其使用寿命。
磁学性能
3. 物质的顺磁性
来源：原子（离子）的固有磁矩。 无外H时：由于热运动的影响，固有磁矩取向无序，宏观上无磁性。 外H作用下：固有磁矩与H作用，有较高的静磁能，为降低静磁能，固 有磁矩改变与H的夹角，趋于排向外H方向，表现为正向磁化。在常温和 H不是很高的情况下，M与H成正比，磁化要克服热运动的干扰，磁矩难 以有序排列，故顺磁化进行十分困难，磁化率较小。 常温下顺磁体达到饱和磁化所需的H非常大，技术上难以达到，但温度 降至接近0K时，就容易了。 根据顺磁磁化率与温度的关系，可把顺磁体分为三类： 正常顺磁体：磁化率随温度升高而降低的顺磁体。 符合居里定律： 或居里－外斯定律：
根据磁化率符号和大小，可把磁介质分为五类。
亚铁磁性材料
顺磁性材料 反铁磁性材料
0
抗磁性材料
H
2. 磁化率与物质磁性的分类
1）抗磁体 χ为甚小负常数，约在10-6数量级，即M与H方向相反，在磁场中使磁场稍减弱， 受微弱斥力，约有一半的简单金属是抗磁体。分为： (1)“经典”抗磁体，χ 不随T变化，如铜、银、金、汞、锌等。 (2)反常抗磁体，χ 随T变化，为前者10～100倍，如铋、镓、锑、锡等。 2）顺磁体 χ为正常数，约为10－3～10－6数量级，即M与H方向相同，在磁场中使磁场稍增 强，受微弱引力，分为： （l）正常顺磁体，χ 随T变化，且符合与T反比关系，如铂、钯、奥氏体不锈钢、 稀土金属等。 （2）χ 与T无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等。 3）反铁磁体 χ是甚小的正常数，当T高于某个温度时（尼尔温度TN），转换为顺磁体，T－ χ曲线？如α－Mn、铬、氧化镍、氧化锰等。 4）铁磁体 χ为很大的正变数，约在10～106数量级，且不大的H就能产生很大的M，在磁场 中被强烈磁化，受强大的吸力，如铁、钴、镍等。其M－H 、 χ－H曲线？ 5）亚铁磁体 类似铁磁体，但χ值没有铁磁体大，如磁铁矿（Fe3O4）等。
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。
共五十二页
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
共五十二页
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。
磁性的本质是什么，你如何理解？
磁性的本质是什么，你如何理解？导读：磁性的本质是什么，你如何理解？1、磁学性质是物质的重要物理性质之一。
通过磁矩测量分子结构也是很重要的方法之一。
按照磁学性质可将物质划分为：顺磁性、反磁性、铁磁性和反铁磁性四类。
接下来逐一简单介绍这四种性质。
1.顺磁性顺磁性是将某种物质置于磁感应强度为B0的磁场中，则该物质内部的磁感应强度为B，则有公式B＇是物质磁化产生的附加磁感应强度。
如果是均匀的物质，B＇可以和B0方向相同，也可以相反。
如果两者方向相同，称为顺磁性物质。
顺磁性物质在外加磁场中被吸引，由于B＇比B0小，顺磁性物质在外加磁场方向被磁化的程度比较轻微。
磁性是由带电粒子运动产生的，物质的磁性源于原子中电子的自旋运动、电子的轨道运动以及原子核的质子和中子的运动。
相应磁矩分别称为电子自旋磁矩、电子的轨道磁矩与核磁矩。
顺磁性物质的磁矩主要来自于电子的自旋运动。
可按下式公式计算n为未成对电子数，B.M.是磁矩的单位，叫做波尔磁子，按照这个公式计算的磁矩与实验测得的磁矩相符，就属于顺磁性物质。
这类具有未成对电子的分子，它的磁矩在无外加磁场时就存在，称为永久磁体。
2.反磁性如果某物质在磁感应强度为B0的磁场中所产生的附加磁感应强度B＇，当B＇方向与B0相反时，这种物质称为反磁性物质，也叫抗磁性物质。
反磁性物质在外加磁场中被排斥。
在反磁性物质的分子中，所有电子都自旋成对，没有未成对电子，所以没有永久磁矩。
在外加磁场中，电子都成对出现，净的磁矩为0，而电子的轨道运动在磁场方向产生的净的轨道磁矩，其方向与外加磁场相反。
这种磁矩是在磁场的诱导下产生，磁场撤除后，随即消失。
实际上顺磁性的物质的分子，也有成对电子，也具有反磁性，只是因为顺磁性物质的分子具有永久磁矩，所以顺磁性超过反磁性，净结果表现为具有顺磁性。
3.铁磁性铁磁性物质首先是具有顺磁性，但是这类物质在外加磁场B0中，所产生的附加磁感应强度B＇比B0大很多。
在足够低的温度下，很多顺磁性物质会发生相变，转变成其中所有自旋都彼此排列整齐，从而大大增强了物质的磁性。
铁磁性的物理本质
Eex 2 AS cos
2
• 在平衡状态，相邻原子3d电子磁矩的夹角值应遵循 能量最小原理。
• 当A＞0时，为使交换能最小，则相邻原于3d电子的 自旋磁矩夹角为0，即磁矩彼此同向平行排列，或 称铁磁性耦合，即自发磁化，出现铁磁性磁有序，
铁磁性
• 当A＜0时，为使交换能最小，相邻原子3d电子自 旋磁矩夹角为180，即相邻原子3d电子自旋磁矩反 向平行排列，称为反铁磁性耦合，出现反铁磁性 磁有序,
反铁磁性
• 物质原子间静电交换作用使原子磁矩有序排列，当 交换积分A<0时，原子磁矩反平行排列的状态称为 反铁磁态，处于反铁磁态的物体称为反铁磁体。
某些反铁磁体的磁性常数
物质 MnO TN(K) 122 χ(θ)/χ(TN) 2/3
MnS
MnSe MnTe
165
150 323
0.82
0.68
MnF2
2
• 式中ψa(1)和ψb(2)表示电子在核周围运动的波函数； ψa﹡(1)和ψb﹡(2)表示相应波函数的复数共轭值，dτ1 和dτ2为空间体积元。
• C是由于电子之间、核与电子之间库仑作用而增加的
能量项，
• A是两个原子的电子交换位置产生的相互作用能，称 为交换积分，它与原子之间的电荷重叠有关。
• 重稀土化合物中3d与4f电子磁矩是亚铁磁性耦合，
亚铁磁性
铁磁性的判据
• 周期表中各元素要出现铁磁性，单有未填满电子的 d或f电子壳层结构(如过渡族元素和稀土元素)是不 充分的，因为在原子间的静电相互作用中，A值的 符号和大小与原子核间的距离有显著的关系。 • 为了定量表征原子核间距离与交换积分的关系，采 用金属点阵常数d与未填满壳层半径rn之比v=d/rn 的变化来观察各金属交换积分A的大小和符号。
铁磁材料的磁学性质研究
铁磁材料的磁学性质研究铁磁材料是一类具有特殊磁性的材料，其所具有的良好磁性质成为了其广泛应用的基础。
随着技术不断进步，对铁磁材料的磁性质研究也日益深入。
本文将从磁性、磁滞回线、磁畴结构等方面进行探讨。
磁性铁磁材料可以表现出强烈的磁性行为，其磁场强度和磁化强度呈正相关关系，这一关系由库仑定律描述。
当外加磁场强度增加时，它们的磁矩也会增大，且在外加磁场下这类材料具有磁各向同性。
与此相对，亚铁磁和顺磁材料则没有磁各向同性，磁矩的方向与外加磁场有关。
铁磁材料的磁性能够响应温度的变化，但是磁矩的变化通常比顺磁材料慢，其内禀磁畴结构的影响因素更大。
当温度达到居里点时，铁磁材料的磁矩随温度升高而迅速消失，因此这种材料会从铁磁状态转变为顺磁状态。
磁滞回线磁滞回线在铁磁材料中是一种常见的磁性现象，其展示了磁场的强度与磁化强度之间的关系。
铁磁材料的带电粒子（通常是电子）会形成自旋，这些自旋可以组成一个或多个磁畴。
当外加磁场强度增加时，这些磁畴的方向会发生改变，使材料的整体磁化强度增加。
当外加磁场强度小于统计值时，铁磁材料的每个磁畴依然保留自己的方向，因此磁畴数目没有变化。
但是当外加磁场强度大于统计值时，一些磁畴的方向会与外加的磁场方向相同，而另一些磁畴则与外加磁场方向相反。
也就是说，随着外加磁场的增强，磁畴数目会减少，而减少的这些磁畴的大小也会随之增加。
当外加磁场强度从大于统计值到小于统计值时，铁磁材料的整体磁化强度会发生剧烈的变化，因此在磁滞回线图中会呈现出S型曲线。
磁畴结构磁畴是在铁磁材料中由相邻的原子构成的微小的磁区域，在铁磁材料中这些磁畴通常是相互平行的。
一个磁畴内的磁矩相互平行，不同磁畴内磁矩方向不同。
磁畴的尺寸往往与材料的几何形状密切相关，在一定程度上也受到外界磁场强度和温度的影响。
对于单晶铁磁材料来说，其磁畴结构通常是白花花的。
而对于多晶铁磁材料，其磁畴结构就较为复杂，这种材料中的磁畴通常比单晶材料大得多，但是磁畴间的边界不如单晶材料锋利。
铁磁材料的物理性质与应用研究
铁磁材料的物理性质与应用研究一、铁磁材料的基本特性铁磁材料是一类具有强烈磁响应的材料，主要由氧化铁、钢铁、钕铁硼、钴铁等构成。
这些材料具有共同的特点：自发磁化、磁畴结构、磁滞回线、磁各向同性等。
自发磁化是铁磁材料磁响应的根本特点，它使得铁磁材料在外加磁场作用下产生了磁化强度，形成了磁矩和磁矩之间的相互作用，从而起到了增强磁场的效果。
磁畴结构是指铁磁材料在自发磁化的过程中，在材料内部会分裂出多个区域，这些区域被称为磁畴。
一般一个磁畴是由许多相邻的原子组成，它们的磁矩在同一方向上排列。
磁滞回线是铁磁材料磁化强度与磁场强度之间的变化关系。
磁滞回线是由于材料内部磁畴运动产生的，可以看作是磁畴在磁场作用下的动态调节。
磁各向同性是指铁磁材料磁响应的方向与外加磁场的方向是一致的。
这种特性使得铁磁材料能够在磁感应线圈中产生电势，成为了电子学和电磁学领域的重要应用材料。
二、铁磁材料的应用1. 磁性传感器磁性传感器是利用铁磁材料在外加磁场下的磁响应特性，将其用于检测机械运动和物理量的一类器件。
例如自行车速度计、电机速度计、涡流流量计等都是磁性传感器。
其中，磁畴结构和磁滞回线的特性是磁性传感器技术的关键。
磁畴结构的设计和控制可以使磁性传感器具有高敏感度和稳定性，而磁滞回线的特性能使传感器具有较高的线性范围和响应速度。
2. 磁性存储器磁性存储器是一种利用铁磁材料的磁性来存储信息的数据存储设备。
它主要由磁头、磁盘、控制电路和寻址电路组成。
当磁头在磁盘上读写数据时，铁磁材料会产生磁畴结构变化和磁滞回线特征，这些变化被控制电路记录下来，称为磁存信息。
磁存信息体现了铁磁材料的储磁特性，即信息以磁场的强度和方向表示。
3. 磁性材料制备铁磁材料的制备是磁性材料领域的关键之一。
磁性材料可用于制造电机、磁盘驱动器、传感器和磁性储存等设备。
在铁磁材料磁制备的过程中，需要对磁畴结构、磁滞回线、磁性与电性等特性进行控制和调节。
这种特性的调节需要利用先进的加工技术和材料工程的知识，使铁磁材料具有理想的物理性质和化学性质，在实际应用中具有高效性和长寿命。
铁磁性的物理本质
• 实际铁磁体的居里温度在数百K甚至上千K。 • 引起铁磁体内原子磁矩排列整齐，并使有序状态 保持到如此高的温度的力量比磁力要大千百倍。
一些铁磁体的居里温度Tc
物质 Fe Co Ni Gd Dy MnBi Tc/K 1043 1388 627 292 88 630 物质 CrO2 MnO· Fe2O3 FeO· Fe2O3 NiO· Fe2O3 CuO· Fe2O3 MgO· Fe2O3 Tc/K 386 573 858 858 728 713
• 当v>1时，物质处于铁磁状态，此时电子云重叠， 交换积分A>0，且数值较大；
• 如果v太大，如稀土元素，电子云重叠很少或者不 重叠，交换作用相对较弱，它们或者是顺磁性或铁 磁性的（但居里点比过渡族元素低得多）；
• 原子间距离太小，则v<1，交换积分A<0，材料处 于反铁磁状态。
A
交换能与d/rn的关系，d-晶 格常数，rn-为未满壳层的 半径
• 铁磁性研究的核心问题就是为什么铁磁体 的原子磁矩比顺磁体容易整列得多？
物质内部原子磁矩的排列 a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性
铁磁性的物理本质
Weiss假说
• Weiss提出第一个假设：磁体中存在与外场无关的自 发磁化强度，在数值上等于技术饱和磁化强度 Ms， 而且这种自发磁化强度的大小与物体所处环境的温 度有关。对于每一种铁磁体都有一个完全确定的温 度，在该温度以上，物质就完全失去了其铁磁性。 • 在外磁场为零的时候，铁磁体不存在磁化强度；根 据Weiss的第一个假设，铁磁体似乎是应该有，这个 矛盾显然是由另外一些原因所造成的。
自发磁化
• 原子结构表明，Fe、Co、Ni和其相邻元素Mn、Cr等 原子磁性并无本质差别，凝聚成晶体后，其磁性都 来源于3d次壳层中电子没有填满的自旋磁矩，然而 前者是铁磁性的，后者是非铁磁性的。
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3.5 磁致伸缩与磁弹性能
铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的 現象，叫磁致伸缩。
产生原因： 原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子
间距的的自发调整。
当磁致伸缩引起的形变受到限制，在材料内部将产 生应力，因而存在一种弹性能，称为磁弹性能。
3.6 铁磁体的形状各向异性及退磁能
铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能，它包括 铁磁体与外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁 场中的能量，后者常称为退磁能。
研究发现，纯金属α-Mn、Cr等是属于反铁磁 性。还有许多金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO 等也属于反铁磁性。
亚铁磁性
交换积分A＜0，则原于磁矩取反向平行排列能量 最低。如果相邻原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵 消，存在自发磁化。这样一种特性称为亚铁磁性。
亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子) 组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁 性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩 不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差 表现为宏观磁矩。
磁畴的结构
主畴： 大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶
体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相 反。
副畴： 小而短的磁畴，其磁化方向不定。
磁畴壁：
相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：
（1）180º壁。相邻磁畴的磁化方向相反。 （2）90º壁。相邻磁畴的磁化方向垂直。
磁畴壁具有交换能ECX、磁晶能EK及磁弹性能。 磁交换能：逐渐转向比突然转向要容易进行， 因此交换能小，畴壁越厚交换能越小。 磁晶能：畴壁越厚，原子磁矩的逐渐转向，使 原子磁矩偏离了易磁化的方向，磁晶能增加。 磁弹性能：原子的逐渐转向，各个方向上的伸 缩难易不同，因此产生弹性能。 畴壁内的能量比磁畴内要高
具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，是 非金属磁性材料，一般称为铁氧体。磁性离子间并不存 在直接的交换作用，而是通过夹在中间的氧离子形成间 接的交换作用，称为超交换作用。
铁磁性
反铁磁性
亚铁磁性
反铁磁性和亚铁磁性的物质可以看作由两套亚点阵
组成，每个亚点阵中的离子磁矩同向平行排列，不同亚 点阵反向平行。
铁磁质受热原子间距离增大，电子间交换作用 减弱，自发磁化减弱，当高于一定温度时交换作用 被破坏，表现为顺磁性，这个转变温度被称为居里 温度。
3.3.2 反铁磁性和亚铁磁性
反铁磁性
如果交换积分A＜0时，则原于磁矩取反向平行 排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子 磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强 度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。
(A﹤0，θ=180°)时，则反向平行排列，呈反铁磁性。
交换能积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关， 还强烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关。
当 Rab／r ﹥3， A﹥0 ，满足自发磁 化的条件，为铁磁性
当 Rab／r 太大， 原子之间的距离太 大，电子云不重叠或重叠太少，不能满 足自发磁化的条件，为顺磁性。
3.4 磁晶各向异性和各向异性能
磁各向异性 对于铁磁单晶的研究发现，沿不同晶向的磁化
曲线不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同 的性质，称为磁性的各向异性间电子轨道还有交换作用，由于自旋-轨 道相互作用，电荷的分布为旋转椭球性，非对称性与 自旋方向密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动 将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互 作用能改变，导致磁各向异性。
当 Rab／r ﹤ 3， A﹤0，则反向 排列， 为反铁磁性
铁磁性产生的充要条件：
原子内要有为填满的电子壳层，满足 Rab／r ﹥3使A﹥0。
前者指的是原子本征（固有）磁矩不为 零；后者指的是要有一定的晶体结构。
Rab-原子间距 r未填满的电子层半
径
铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的 电子壳层；②及Rab／r之比大于3使交换积分A为正。 前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有 一定的晶体结构。
3.3.1铁磁质的自发磁化
“分子场”来源于电子间的静电相互作用。
实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被 抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡 献。
物质具有铁磁性的基本条件：
(1)物质中的原子有未填满的电子壳层，是必要条件 (2)自旋磁矩必须自发排列在同一方向上，即自发磁 化是产生铁磁性的充分条件。
M 0
0Hd dM
120 NM
3.7 磁畴的形成与磁畴结构
3.7.1 磁畴与磁畴壁
磁畴 未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区
域。 形成原因：
由于原子磁矩间的相互作用，晶体中相邻原子的 磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向。
因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时， 磁畴方向是无规则的，因而在整体上无外加磁场时不显 示磁性
铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的，当铁 磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由磁极作用 而产生一个与外磁化场反向的磁场，因它起到退磁 （减弱外磁场）的作用，故称为退磁场，用Hd表示。
Hd= - NM
N为退磁因子，与材料的几何形状、尺寸有关； M 磁化强度。
退磁场作用在铁磁体上的退磁能为：
Ed
因交换作用而产生的附加能量成为交换能。
交换能
A 为交换能积分常数，θ为相邻原子的两个电子 自旋磁矩之间的夹角。
系统稳定本着能量最低原则。
当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正 (A＞0，θ=0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列（能量最 低），从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因，即充 分条件。这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力 迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。
交换能使畴壁厚度大，磁晶能使畴壁厚度减 小。两种能量竟争使畴壁具有一定的厚度。
根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电 子云要相互重叠，电子要相互交换位置。 对于过渡族金属，原子的3d的状态与4s态能量相 差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状 态电子的再分配。 即发生了交换作用。交换作用产 生的静电作用力称为交换力。
交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序 排列。其作用就像强磁场一样，外斯“分子场”即 来源于此。