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  鐵磁性物質,英文名稱為Ferromagnetic Material。鐵磁性物質可以使外加磁場的磁力放大。鐵磁性物質不同於反磁性物質(Diamagnetic Material)和順磁性物質(Paramagnectic Material)的是,鐵磁性物質內部的原子磁場部分區塊本來就有順序排列。所以當有一個外加磁場靠近鐵磁性物質時,其內部原子磁場區塊的方向會和外加磁場的方向一致。這樣就是外加磁場的磁力被放大了。

  物質對外加磁場的反應(Material's Response to External Magnetic Field)

  在通電的螺線管中放入某種測試物質,其中B0為沒有在螺線管中放測試材料時的磁場),Bm為螺線管中充滿測試材料時的磁場。則:

  Bm/B0=Km,Km為相對磁導率(relative permeability)。

  則:

  Bm=KmB0

  根據Km的特性,可以將測試材料分為3類。

  (1)反磁性材料(Diamagnetic Material)

  反磁性材料的相對磁導率Km小於1,但約等於1。比如,銅的Km=0.9999906;鉛的Km=0.9999831。

  對於反磁性材料來說,如果把外加磁場移走,其內部的磁場將會歸零,導致其沒有磁性。

  (2)順磁性材料(Paramagnetic Material)

  順磁性材料的Km大於1,但約等於1,只比1大一點點。如果把外加磁場移走,內部的磁場也會歸零,導致其沒有磁性。比如鋁的Km=1.0000214

  (3))鐵磁性材料(Ferromagnetic Material)

  鐵磁性材料的Km遠遠比1大。如果把外加磁場移走,其內部的磁場不會歸零,其磁力將會被保存。通常,鐵、鈷,鎳都是鐵磁性物質,其相對磁導率Km為1000多。

1 鐵磁性物質 -鐵磁性物質

  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,這個名字來自於弗里茨·赫斯勒。

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

2 鐵磁性物質 -不尋常的鐵磁性物質

  2004年有報道說碳的一種同素異形體碳納米泡沫顯示鐵磁性。在室溫下其磁場在數小時內消失,在低溫下其磁場可以保存更久。碳納米泡沫是一種半導體。有理論猜測認為類似的物質如ZnZr2合金也是鐵磁性的。這個合金在28.5K以下的確是鐵磁性的。

  知識擴展:

  鐵磁性

  鐵磁性,是指一種材料的磁性狀態,具有自發性的磁化現象。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而具有磁性,即所謂自發性的磁化現象。 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。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及其磁性的更深刻認識,學者們對這個概念做了更精確的定義。 一個物質的原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。 若只有部分離子的磁場指向其磁性方向,則稱為亞鐵磁性。 若其磁性離子所指的方向正好相互抵消(儘管所有的磁性離子只指向兩個正好相反的方向)則被稱為反鐵磁性。

  物質的磁性現象存在一個臨界溫度,在此溫度下才會發生。 對於鐵磁性和亞鐵磁性物質,此溫度被稱為居里溫度; 對於反鐵磁性物質,此溫度被稱為尼爾溫度。

  有人認為磁鐵與鐵磁性物質之間的吸引作用是人類最早對磁性的認識。

3 鐵磁性物質 -原理

  鐵磁性的原理可由兩個量子力學描述的現象成功的預測:自旋和泡利不相容原理。

  電子的自旋加上其軌道角動量導致一個偶極子磁矩和形成一個磁場。在大多數物質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一個凈磁矩。鐵磁性物質有許多這樣的電子。假如它們排列在一起的話它們可以一起產生一個可觀測得到的宏觀場。

鐵磁性物質 電子-內部結構模型圖



  這些偶極趨於指向外部磁場的方向。這個現象被稱為順磁性。鐵磁性物質的偶極趨於在沒有外部磁場的情況下也指向同一方向。這是一個量子力學現象。

  按照古典電磁學兩個臨近的磁偶極趨於指向相反的方向(導致反鐵磁性物質)。但是在鐵磁性物質中它們趨於指向同一方向。其原因是泡利不相容原理:兩個自旋相同的電子不能佔據同一位置,因此它們會感覺到附加的排斥力,降低其電靜勢能。這個能量差別被稱為交換能,它導致鄰近的電子排列成同向。

  在長距離上(數千離子)交換能的作用逐漸被經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中其磁偶極被分割在外斯疇中。每個外斯疇內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保存其同一的指向。這個磁場與外部磁場之間的關係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。溫度高於居里點后晶體內發生二級相變,整個系統無法磁化,在有外部磁場的情況下這時鐵磁性物質顯示順磁性。在居里點下對稱破缺,外斯疇形成。居里點本身是一個閾值,理論上這裡的磁化率為無窮大,雖然這裡沒有磁化,但是在任何長度範圍內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計物理學的發展起了巨大作用。在這裡平均場理論明顯地無法正確地預言居里點上的現象,需要被重整化群理論取代。

  亞鐵磁性在物理學中,亞鐵磁性物質為不同亞晶格的原子磁矩呈相反的物質,如在反鐵磁性中;然而,在亞鐵磁性物質中,相反的磁矩不相等,還殘存暫時磁性。該情況發生於,當亞晶格是由不同的材料或不同價態的鐵組成時(例如Fe和Fe)。

  亞鐵磁性物質像鐵磁性一樣,在居里點以下保持暫態磁性,在該溫度以上無磁性序列(順磁性)。但是,有時候在一個低於居里點的溫度,兩種亞晶格有相同的磁矩,從而導致零磁矩;該現象被稱為磁抵消點。該抵消點在石榴石和稀土金屬——過渡金屬混合物(RE-TM)中,容易被觀測到。於此同時,亞鐵磁可能還存在角動量抵消點,在該磁亞晶格的角動量被抵消。該抵消點對於磁記憶設備在達到高速反向磁化是一個重要的點。.

  亞鐵鹽和磁性石榴石展現亞鐵磁性。最早被人知的磁性物質,磁鐵礦 (鐵(II,III)氧化物;Fe3O4),為亞鐵磁;它在奈耳發現亞鐵磁性和反鐵磁性之前,被歸為鐵磁性物質。.

  一些亞鐵磁性材料為YIG(yttrium iron garnet,釔鐵石榴石)和亞鐵鹽組成。該亞鐵鹽由鐵氧化物和其他元素,例如鋁,鈷,鎳,錳,鋅組成。

4 鐵磁性物質 -性質

  亞鐵磁性物質具有高電阻率和各向異性的特性。各向異性實際上因外加場而產生。當這個外加的場按照磁極排列時,它產生一個凈磁偶極矩並使該磁極以外加場控制的頻率進動,被稱為拉莫爾進動進動頻率。作為特列,微波信號循環被極化,與和磁極矩強烈交互的進動為同方向;當被相反方向的極化后,該互動則非常弱。當互動強烈時,該微波信號可以穿過該材料。此方向性性質被用於微波設備中,像隔離器,循環器和旋轉器中。亞鐵磁性物質還被用於生產光頻隔離器和光學循環器中。

  編者的話:文中黑體字部分應該書寫時應寫大一些,比如Km應該寫成:

鐵磁性物質

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