鐵磁金屬鐵磁性

鐵磁性（Ferromagnetism）指的是一種材料的磁性狀態(tài)，具有自發(fā)性的磁化現(xiàn)象。各材料中以鐵最廣為人知，故名之。

某些材料在外部磁場的作用下得而磁化后，即使外部磁場消失，依然能保持其磁化的狀態(tài)而具有磁性，即所謂自發(fā)性的磁化現(xiàn)象。 所有的永久磁鐵均具有鐵磁性或亞鐵磁性。

基本上鐵磁性這個概念包括任何在沒有外部磁場時顯示磁性的物質(zhì)。至今依然有人這樣使用這個概念。但是通過對不同顯示磁性物質(zhì)及其磁性的更深刻認識，學(xué)者們對這個概念做了更精確的定義。 一個物質(zhì)的晶胞中所有的磁性離子均指向它的磁性方向時才被稱為是鐵磁性的。 若其不同磁性離子所指的方向相反，其效果能夠相互抵消則被稱為反鐵磁性。 若不同磁性離子所指的方向相反，但是有強弱之分，其產(chǎn)生的效果不能全部抵消，則稱為亞鐵磁性。

物質(zhì)的磁性現(xiàn)象存在一個臨界溫度，在此溫度之上，鐵磁性會消失而變成順磁性，在此溫度之下鐵磁性才會保持。 對于鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)，此溫度被稱為居里溫度（雖然都稱為居里溫度，但二者是有差別的）；對于反鐵磁性物質(zhì)，此溫度被稱為奈爾溫度。

有人認為磁鐵與鐵磁性物質(zhì)之間的吸引作用是人類最早對磁性的認識。

鐵磁性的原理可由兩個量子力學(xué)描述的現(xiàn)象成功的預(yù)測：自旋和泡利不相容原理。

電子的自旋加上其軌道角動量導(dǎo)致一個偶極子磁矩和形成一個磁場。在大多數(shù)物質(zhì)中所有電子的總偶極磁矩為零。只有電子層不滿的原子（電子不成對）可能在沒有外部磁場的情況下表現(xiàn)一個凈磁矩。鐵磁性物質(zhì)有許多這樣的電子。假如它們排列在一起的話它們可以一起產(chǎn)生一個可觀測得到的宏觀場。

這些偶極趨于指向外部磁場的方向。這個現(xiàn)象被稱為順磁性。鐵磁性物質(zhì)的偶極趨于在沒有外部磁場的情況下也指向同一方向。這是一個量子力學(xué)現(xiàn)象。

按照經(jīng)典電磁學(xué)，兩個臨近的磁偶極趨于指向相反的方向，因此，它們的磁場會互相抗拒，互相抵銷。但是，由于單獨自旋產(chǎn)生的磁場很小，這效應(yīng)很微弱，形成的排列很容易就會被熱漲落（thermal fluctuation）摧毀。在有些物質(zhì)里，由于一種稱為交換相互作用（exchange interaction）的特別量子力學(xué)效應(yīng)，自旋與自旋彼此之間方向的改變，會導(dǎo)致臨近電子靜電排斥力的改變。在近距離，交換相互作用會比偶極-偶極磁相互作用強勁很多。因此，對于鐵磁性物質(zhì)，臨近電子的自旋趨于指向同樣的方向。

根據(jù)泡利不相容原理，兩個自旋相同的電子不能占有同樣的位置。因此，兩個臨近原子的位于最外電子層的不成對價電子，當(dāng)它們的軌域相互重疊時，假若自旋方向相同（平行自旋），則電荷分布會比較分散，否則，電荷分布會比較集中。所以，促使自旋方向相同這動作會降低電勢能，使得平行自旋態(tài)更為穩(wěn)定。簡言之，因庫倫力而互相排斥的電子，借著平行自旋使得電荷分布更加分散，從而降低電勢能。這能量差稱為交換能（exchange energy）。

在長距離上（數(shù)千離子）交換能的作用逐漸被經(jīng)典偶極相對排列的趨勢掩蓋，這是在平衡（沒有磁性的）情況下鐵磁性物質(zhì)的偶極總的來說不排列起來的原因。在沒有磁性的鐵磁性物質(zhì)中其磁偶極被分割在外斯疇中。每個外斯疇內(nèi)部短距離地磁偶極排列指向同一方向，但是在長距離上不同外斯疇的磁偶極的排列不一致。不同外斯疇之間的邊界被稱為疇壁，疇壁內(nèi)原子之間的指向逐漸更改。

因此一塊鐵一般沒有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一個足夠強的外部磁場中，所有外斯疇會沿著這個磁場排列，在外部磁場消失后這些外斯疇會繼續(xù)保存其同一的指向。這個磁場與外部磁場之間的關(guān)系由一條磁滯曲線描寫。雖然這個排列整齊的外斯疇的能量不是最低的，但是它非常穩(wěn)定。在海底的磁鐵礦會上百萬年地指向它形成時的地磁場方向。通過加熱再在沒有外部磁場的情況下冷卻磁鐵的磁場會消失。

溫度升高后熱振蕩（或熵）與鐵磁性的偶極排列競爭。溫度高于居里點后晶體內(nèi)發(fā)生二級相變，整個系統(tǒng)無法磁化，在有外部磁場的情況下這時鐵磁性物質(zhì)顯示順磁性。在居里點下對稱破缺，外斯疇形成。居里點本身是一個閾值，理論上這里的磁化率為無窮大，雖然這里沒有磁化，但是在任何長度范圍內(nèi)均有類似外斯疇的自旋波動。

尤其是使用簡化了的伊辛自旋模型來研究鐵磁性相變對統(tǒng)計物理學(xué)的發(fā)展起了巨大作用。在這里平均場理論明顯地?zé)o法正確地預(yù)言居里點上的現(xiàn)象，需要被重整化群理論取代。

不少晶體顯示鐵磁性或亞鐵磁性。右表列出一些有代表性的及其居里點。在居里點以上它們不再顯示磁性。

其組成金屬本身不是鐵磁性的合金被稱為赫斯勒合金，這個名字來自于弗里茨·赫斯勒。

通過速凍液態(tài)合金可以形成非晶體的鐵磁性合金。這樣的合金的優(yōu)點在于它們的特性幾乎是等方性的，因此矯頑力低，磁滯現(xiàn)象損失低，磁導(dǎo)率高，電阻高。典型的這樣的合金是過渡金屬-準金屬合金，其成分由約80%的過渡金屬（一般鐵、鈷、鎳等）和約20%的準金屬（硼、碳、硅、磷或鋁）組成，后者降低其熔點。 2100433B

很多材料都表現(xiàn)出鐵磁性，包括鐵、鈷、鎳等等。它們在居里溫度之下表現(xiàn)出鐵磁性，在居里溫度之上則顯示順磁性。

鐵磁體的應(yīng)用非常廣泛，包括：

（1）永磁鐵。很多永磁體采用鐵磁物質(zhì)作為材料。鐵磁體不容易被去磁，場強較高是他的最大優(yōu)點。

（2）單磁疇材料。單磁疇材料在科學(xué)研究中廣受重視。而且鐵磁材料也可以用來制作超順磁性材料，展現(xiàn)出非常不同的物理性質(zhì)。2100433B

反鐵磁體內(nèi)由于原子之間的相互作用使之與鐵磁體一樣具有磁有序結(jié)構(gòu)，相鄰自旋磁矩作反平行排列，大小恰好相抵消，因而不具有固有的自發(fā)磁化磁矩，此種性質(zhì)稱為反鐵磁性。反鐵磁體具有較大的順磁磁化率，在一定溫度TN處存在磁化率的峰值，溫度大于TN時反鐵磁性消失而成為順磁體，臨界溫度TN稱為奈耳溫度。在奈耳溫度TN處，反鐵磁體的熱脹系數(shù)和比熱容等均發(fā)生突變。錳、鐵、鈷、鎳等過渡族金屬的氧化物均是反鐵磁體。