磁学性能铁磁性及其物理本质
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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。
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。
铁磁体的形状各向异性Fra Baidu bibliotek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
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
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。
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。
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。
(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。
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。
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
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。
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。
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。
[100]
[110]
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。
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。
铁磁体的形状各向异性Fra Baidu bibliotek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
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
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。
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。
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。
(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。
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。
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
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。
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。
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。
[100]
[110]
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。