铁磁性物质

不寻常的铁磁性物质

原理

性质

铁磁性物质，英文名称为Ferromagnetic Material。铁磁性物质可以使外加磁场的磁力放大。铁磁性物质不同于反磁性物质（Diamagnetic Material）和顺磁性物质（Paramagnectic Material）的是，铁磁性物质内部的原子磁场部分区块本来就有顺序排列。所以当有一个外加磁场靠近铁磁性物质时，其内部原子磁场区块的方向会和外加磁场的方向一致。这样就是外加磁场的磁力被放大了。

物质对外加磁场的反应（Material's Response to External Magnetic Field）

在通电的螺线管中放入某种测试物质，其中B0为没有在螺线管中放测试材料时的磁场），Bm为螺线管中充满测试材料时的磁场。则：

Bm/B0=Km，Km为相对磁导率（relative permeability）。

则：

Bm=KmB0

根据Km的特性，可以将测试材料分为3类。

（1）反磁性材料（Diamagnetic Material）

反磁性材料的相对磁导率Km小于1，但约等于1。比如，铜的Km=0.9999906；铅的Km=0.9999831。

对于反磁性材料来说，如果把外加磁场移走，其内部的磁场将会归零，导致其没有磁性。

（2）顺磁性材料（Paramagnetic Material）

顺磁性材料的Km大于1，但约等于1，只比1大一点点。如果把外加磁场移走，内部的磁场也会归零，导致其没有磁性。比如铝的Km=1.0000214

（3））铁磁性材料（Ferromagnetic Material）

铁磁性材料的Km远远比1大。如果把外加磁场移走，其内部的磁场不会归零，其磁力将会被保存。通常，铁、钴，镍都是铁磁性物质，其相对磁导率Km为1000多。

铁磁性物质

不少晶体显示铁磁性或亚铁磁性。右表列出一些有代表性的及其居里点。在居里点以上它们不再显示磁性。

其组成金属本身不是铁磁性的合金被称为赫斯勒合金，这个名字来自于弗里茨·赫斯勒。

通过速冻液态合金可以形成非晶体的铁磁性合金。这样的合金的优点在于它们的特性几乎是等方性的，因此矫顽力低，磁滞现象损失低，磁导率高，电阻高。典型的这样的合金是过渡金属-准金属合金，其成分由约80%的过渡金属（一般铁、钴、镍等）和约20%的准金属（硼、碳、硅、磷或铝）组成，后者降低其熔点。

不寻常的铁磁性物质

2004年有报道说碳的一种同素异形体碳纳米泡沫显示铁磁性。在室温下其磁场在数小时内消失，在低温下其磁场可以保存更久。碳纳米泡沫是一种半导体。有理论猜测认为类似的物质如ZnZr2合金也是铁磁性的。这个合金在28.5K以下的确是铁磁性的。

知识扩展：

铁磁性

铁磁性，是指一种材料的磁性状态，具有自发性的磁化现象。各材料中以铁最广为人知，故名之。

某些材料在外部磁场的作用下得而磁化后，即使外部磁场消失，依然能保持其磁化的状态而具有磁性，即所谓自发性的磁化现象。 所有的永久磁铁均具有铁磁性或亚铁磁性。

基本上铁磁性这个概念包括任何在没有外部磁场时显示磁性的物质。至今依然有人这样使用这个概念。但是通过对不同显示磁性物质及其磁性的更深刻认识，学者们对这个概念做了更精确的定义。 一个物质的原胞中所有的磁性离子均指向它的磁性方向时才被称为是铁磁性的。 若只有部分离子的磁场指向其磁性方向，则称为亚铁磁性。 若其磁性离子所指的方向正好相互抵消（尽管所有的磁性离子只指向两个正好相反的方向）则被称为反铁磁性。

物质的磁性现象存在一个临界温度，在此温度下才会发生。 对于铁磁性和亚铁磁性物质，此温度被称为居里温度; 对于反铁磁性物质，此温度被称为尼尔温度。

有人认为磁铁与铁磁性物质之间的吸引作用是人类最早对磁性的认识。

原理

铁磁性的原理可由两个量子力学描述的现象成功的预测：自旋和泡利不相容原理。

电子的自旋加上其轨道角动量导致一个偶极子磁矩和形成一个磁场。在大多数物质中所有电子的总偶极磁矩为零。只有电子层不满的原子（电子不成对）可能在没有外部磁场的情况下表现一个净磁矩。铁磁性物质有许多这样的电子。假如它们排列在一起的话它们可以一起产生一个可观测得到的宏观场。

这些偶极趋于指向外部磁场的方向。这个现象被称为顺磁性。铁磁性物质的偶极趋于在没有外部磁场的情况下也指向同一方向。这是一个量子力学现象。

按照古典电磁学两个临近的磁偶极趋于指向相反的方向（导致反铁磁性物质）。但是在铁磁性物质中它们趋于指向同一方向。其原因是泡利不相容原理：两个自旋相同的电子不能占据同一位置，因此它们会感觉到附加的排斥力，降低其电静势能。这个能量差别被称为交换能，它导致邻近的电子排列成同向。

在长距离上（数千离子）交换能的作用逐渐被经典偶极相对排列的趋势掩盖，这是在平衡（没有磁性的）情况下铁磁性物质的偶极总的来说不排列起来的原因。在没有磁性的铁磁性物质中其磁偶极被分割在外斯畴中。每个外斯畴内部短距离地磁偶极排列指向同一方向，但是在长距离上不同外斯畴的磁偶极的排列不一致。不同外斯畴之间的边界被称为畴壁，畴壁内原子之间的指向逐渐更改。

因此一块铁一般没有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一个足够强的外部磁场中，所有外斯畴会沿着这个磁场排列，在外部磁场消失后这些外斯畴会继续保存其同一的指向。这个磁场与外部磁场之间的关系由一条磁滞曲线描写。虽然这个排列整齐的外斯畴的能量不是最低的，但是它非常稳定。在海底的磁铁矿会上百万年地指向它形成时的地磁场方向。通过加热再在没有外部磁场的情况下冷却磁铁的磁场会消失。

温度升高后热振荡（或熵）与铁磁性的偶极排列竞争。温度高于居里点后晶体内发生二级相变，整个系统无法磁化，在有外部磁场的情况下这时铁磁性物质显示顺磁性。在居里点下对称破缺，外斯畴形成。居里点本身是一个阈值，理论上这里的磁化率为无穷大，虽然这里没有磁化，但是在任何长度范围内均有类似外斯畴的自旋波动。

尤其是使用简化了的伊辛自旋模型来研究铁磁性相变对统计物理学的发展起了巨大作用。在这里平均场理论明显地无法正确地预言居里点上的现象，需要被重整化群理论取代。

亚铁磁性在物理学中，亚铁磁性物质为不同亚晶格的原子磁矩呈相反的物质，如在反铁磁性中；然而，在亚铁磁性物质中，相反的磁矩不相等，还残存暂时磁性。该情况发生于，当亚晶格是由不同的材料或不同价态的铁组成时(例如Fe和Fe)。

亚铁磁性物质像铁磁性一样，在居里点以下保持暂态磁性，在该温度以上无磁性序列(顺磁性)。但是，有时候在一个低于居里点的温度，两种亚晶格有相同的磁矩，从而导致零磁矩；该现象被称为磁抵消点。该抵消点在石榴石和稀土金属——过渡金属混合物(RE-TM)中，容易被观测到。于此同时，亚铁磁可能还存在角动量抵消点，在该磁亚晶格的角动量被抵消。该抵消点对于磁记忆设备在达到高速反向磁化是一个重要的点。.

亚铁盐和磁性石榴石展现亚铁磁性。最早被人知的磁性物质，磁铁矿 (铁(II,III)氧化物；Fe3O4)，为亚铁磁；它在奈耳发现亚铁磁性和反铁磁性之前，被归为铁磁性物质。.

一些亚铁磁性材料为YIG(yttrium iron garnet，钇铁石榴石)和亚铁盐组成。该亚铁盐由铁氧化物和其他元素，例如铝，钴，镍，锰，锌组成。

性质

亚铁磁性物质具有高电阻率和各向异性的特性。各向异性实际上因外加场而产生。当这个外加的场按照磁极排列时，它产生一个净磁偶极矩并使该磁极以外加场控制的频率进动，被称为拉莫尔进动或进动频率。作为特列，微波信号循环被极化，与和磁极矩强烈交互的进动为同方向；当被相反方向的极化后，该互动则非常弱。当互动强烈时，该微波信号可以穿过该材料。此方向性性质被用于微波设备中，像隔离器，循环器和旋转器中。亚铁磁性物质还被用于生产光频隔离器和光学循环器中。

编者的话：文中黑体字部分应该书写时应写大一些，比如Km应该写成：