铁磁质

----更新时间:2022-08-17

铁磁质是一类磁性很强的磁介质。从物质的原子结构观点来看,铁磁质内电子间因自旋引起的相互作用是非常强烈的,在这种作用下,铁磁质内部形成了一些微小的自发磁化区域,叫做磁畴

定义

凡是附加磁场H'与外磁场H的方向相同,而且磁化后产生的附加磁场H'远远大于所施加的外磁场H,即能使总磁场强度比原外磁场强度大大加强的磁质。

法国物理学家 P.-E. 外斯于1907年提出了铁磁现象有关理论。他的主要观点是铁磁体内部存在着强大的 " 分子场 ",即使物质的外界周围没有磁场,物质自身内部也会产生磁化。物质本身自发产生磁化的区域称为磁畴,各个磁畴的磁化都已经达到磁性的饱和。经过实验发现,磁畴磁矩产生的原因是由于电子的自旋磁矩。本世纪初,W.K. 海森伯开始用量子力学方法计算铁磁体的自身发生磁化的强度,给予物质周围外界的 " 分子场" 以量子力学方面的科学解释。紧随其后,科学家 F. 布洛赫又提出了自旋波理论。海森伯和布洛赫两人研究理论都认为铁磁性来源于不相匹配的电子自旋的直接交换作用。这些重大发现和理论的提出,为后来铁磁物质在社会各个领域的应用产生的极大影响。

21 世纪是新技术革命时代,生命科学、信息科学和材料科学已成当前世界科学领域三大支柱学科。各个国家高新技术领域的发展一定程度上或多或少都会受到材料发展的制约,材料科学技术已经成为现代化工业和农业发展的必要基础,更是国防建设所需要的重要战略资源。新兴材料的发展是占领世界科学前沿的重要标志,也是衡量一个国家高新技术水平和综合国力的重要体现。

磁畴理论

在未经磁化的铁磁质中,由于热运动,各磁畴的磁化方向杂乱无章,介质在宏观上不显示磁性。将铁磁质放入外磁场中,随着磁场的不断加大,先是那些磁化方向与外磁场方向接近的磁畴扩大自己的范围(叫畴壁外移),继而磁畴的磁化方向逐渐转向外磁场方向(叫磁畴转向),介质被磁化而显示磁性。铁磁质的磁化强度M和磁场强度H的关系是非线性和非单值的,且有磁滞现象,这可以用磁畴的畴壁很难按原来的形状恢复来说明。当温度高过某一温度时,铁磁质的铁磁性消失而成为顺磁质,这一临界温度叫居里温度(或居里点)。铁、钴、镍、钆、镝、铁氧体等物质属铁磁质。 几种铁磁质的居里温度为:铁-1040K;钴-1390K;镍-630K。

分类

1、软磁材料

软磁材料的矫顽力小,磁导率较大,磁滞回线狭长、包围面积小、磁滞损耗少,易磁化,也容易退磁,适用于交变磁场,常用来制造变压器、继电器、电磁铁镇流器、发电机、电动机等的铁芯。

2、硬磁材料

硬磁材料的矫顽力很大,剩余磁感应强度也很大,磁滞回线肥大,磁化后能保持很强的磁性,不易消失,始于提供永久磁场,供各种电表、扬声器、拾音器、耳机、录音机、小型直流电机以及核磁共振仪器采用。

3、矩磁材料

磁滞回线像矩形,有两个稳态,适于做计算机的记忆体原件。

铁磁质与磁化

人类对铁磁现象的认识比较早,自然界中天然磁铁矿很早就存在了,在公元前 4 世纪人类就有了记载。在公元前 3世纪,我们的祖先就发明了司南(指南针),用于辨别方向。所以,现实世界中的磁现象广泛存在,充斥着世界各领域之中。从微小的基本粒子到宏观的宇宙天体,每种物质都具有磁性。从严格意义来说,一切物质都有磁性,只是强弱的显现程度、展现出来的方式不同。从微观世界上说,物质的磁性是来源于原子中的电子自身旋转产生的磁矩。当然,特质种类繁多,性质不同,一些物质磁性较强,还有一些物质磁性较弱。同时,任何空间都有磁场存在,只是有强有弱,这才出现了多样的磁质现象。在上个世纪初,科学家们进行了大量的物质磁性试,发现和总结出很多成果,发现了物质磁性很多新的规律和理论。包括居里抗磁性定律、朗之万顺磁性理论、居里顺磁性定律等等。后来,研究人员根据这些物质磁性的某些规律和成熟理论,推动和发展了磁性材料在实际中的应用。一般来说,通过磁场的作用能够发生变化并且再反过来影响磁场的媒质称为磁介质。磁介质在磁场作用下的一系列变化称做磁化。而最为常见的就是铁磁质,它是一种性能特殊、应用广泛的磁介质,自然界中的铁、钻等多种合金物质中都包括着含铁的氧化物,这些基本上都属于铁磁质。铁磁质的三个重要特征就是高导磁率、非线性和磁滞。正因为它具有高导磁率,用这种方法制造的氧化金属磁性材料特别适用于制作电视机等电器的磁性元件,使得铁磁质的价值得到广泛应用。一般情况下,根据铁磁质的性能以及使用一般将它分为软磁材料和硬磁材料。不同的磁材料的矫顽力大小不同,而矫顽力的大小影响着磁滞回线。矫顽力如果小,就说明物质产生的磁滞回线较长,本身包围的空间范围也就小,那么在交变磁场中的磁滞损耗就会很小;如果矫顽力较大,那么物质产生的磁滞回线就会逐渐接近矩形,这样它所包围的空间容积就会大很多,致使物质在交变磁场中的磁滞损耗就会大许多。

物质的磁化实际是磁场对磁场中物质的作用,在这一过程中影响原磁场的物质被称之为磁介质。物质磁化后,这时候介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系就会发生一系列重大变化。通常情况下,由于原子内部的电子以至原子核间的相互作用,使得材料的功能及特殊性有了不同的表现。所以,物质材料的磁性实际上决定于原子中次壳层电子有没有被填满,以及它们之间由于相互作用而产生的不同原子取向结果。所以说,铁磁物质一般情况下都有抗磁体、顺磁体和铁磁体区别。

(一)顺磁质的磁化

产生物质顺磁质的原因是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩。在没有外加磁场的时候,由于物质自身热运动的原因,这些恒定的原子磁矩没有固定的取向,所以只有在引入和变大磁场的时候,磁化的强度才开始逐渐产生并变大。如果物质磁场不是很强的时候,导致分供体的磁矩在磁场中的能量与它们的平均热能相比如果小,这样就会使顺磁体的磁化强度会随着外磁场的值以一定比例增长,顺磁磁化率就会按照居里定律随着温度的变化而发生改变。

(二)抗磁质的磁化

在外磁场中产生的磁化强度与磁场方向相反是抗磁性物质的重要反应。如果进场时不均匀,这就会使物质的受力方向会指向磁场减弱一面,抗磁性物质的磁化率不会随着温度变化发生改变,而电磁感应则是抗磁物质产生的原因。

(三)铁磁质的居里点

一般情况下,铁磁性物质会受到温度的影响。某种程度上都存在铁磁性消失的温度,这被称为居里温度。当温度低于居里温度时,铁磁物质呈现铁磁性;当温度高于居里温度时,物质自身产生的磁化被破坏,铁磁性能就会消失。在物理科学研究中,某些铁磁性物质温度通过居里点时,物理量会发生特殊的变化,比较常见的:比热突变、热膨胀系数突变、电阻温度系数改变等。

铁磁性的产生

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,还是在上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(spontaneousmagnetization)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)。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原子内部要有未填满的电子壳层;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。

应用价值

随着物理科学的发展,磁性材料与我们人类的关系愈加紧密。正是由于它的离频损耗小、密度高、寿命长等特点,使得其在能源开发、通讯推广、自动控制、医疗卫生等方面被很好应用。特别是近些年来,利用铁氧体磁性材料的特殊功能,在吸纳雷达波、减少电磁波对物质信号的破坏以及保护人体免受微波辐射方面得到了长足发展和应用。

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