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。

外斯的假说取得了很大成功，实验证明了它的正确性，并在此基础上发展了现代的铁磁性理论。在分子场假说的基础上，发展了自发磁化（spontaneous magnetiza tion）理论，解释了铁磁性的本质；在磁畴假说的基础上发展了技术磁化理论，解释了铁磁体在磁场中的行为。

铁磁性材料的磁性是自发产生的。所谓磁化过程(又称感磁或充磁)只不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。实验证明，铁磁质自发磁化的根源是原子(正离子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。与原子顺磁性一样，在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。例如铁的3d状态有四个空位，钴的3d状态有三个空位，镍的3d 态有二个空位。如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来，将会得到较大磁矩，理论上铁有4μB，钴有3μB，镍有2μB。

可是对另一些过渡族元素，如锰在3d态上有五个空位，若同向排列，则它们自旋磁矩的应是5μB，但它并不是铁磁性元素。因此，在原子中存在没有被电子填满的状态(d或f态)是产生铁磁性的必要条件，但不是充分条件。故产生铁磁性不仅仅在于元素的原子磁矩是否高，而且还要考虑形成晶体时，原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利。这是形成铁磁性的第二个条件。

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。对于过渡族金属，原子的3d的状态与s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。这种交换便产生一种交换能Eex(与交换积分有关)，此交换能有可能使相邻原子内d层末抵消的自旋磁矩同向排列起来。量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分为正时(A＞0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。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。外斯分子场就是这样得名的。理论计算证明，交换积分A不仅与电子运动状态的波函数有关，而且强烈地依赖子原子核之间的距离Rab (点阵常数)，如图5-13所示。由图可见，只有当原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)r之比大于3，交换积分才有可能为正。铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件。铬、锰的A是负值，不是铁磁性金属，但通过合金化作用，改变其点阵常数，使得Rab /r之比大于3，便可得到铁磁性合金。

综上所述，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。

根据自发磁化的过程和理论，可以解释许多铁磁特性。例如温度对铁磁性的影响。当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规则取向，故自发磁化强度Ms下降。直到温度高于居里点，以致完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁矩就不存在了，材料由铁磁性变为顺磁性。同样，可以解释磁晶各向异性、磁致伸缩等。

具有铁磁性的元素：

到目前为止,仅有四种金属元素在室温以上是铁磁性的，即铁，钴，镍和钆，

极低低温下有五种元素是铁磁性的，即铽、镝、钬、铒和铥

居里温度分别为：铁768℃,钴1070℃,镍376℃,钆20℃

反铁磁性

概念解析在原子自旋（磁矩）受交换作用而呈现有序排列的序磁材料中,如果相邻原子自旋间因受负的交换作用,自旋为反平行排列，则磁矩虽处于有序状态(称为序磁性)，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。注：

①这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列，即材料显示出小的正磁化率。但该磁化率与温度相关，并在奈尔点有最大值。②用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。反铁磁性是指由于电子自旋[1]反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体。反铁磁性物质大都是非金属化合物，如MnO。不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的，M与H处于同一方向，磁化率为正值。温度很高时，极小；温度降低，逐渐增大。在一定温度时，达最大值。称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点。对尼尔点存在的解释是：在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率几乎接近于0。当温度