鐵磁性
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鐵磁性（Ferromagnetism），又稱作強磁性，指的是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後，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，其產生的效果不能全部抵消，則稱為亞鐵磁性。
物質的磁性現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。 對於鐵磁性和亞鐵磁性物質，此溫度被稱為居禮溫度（雖然都稱為居禮溫度，但二者是有差別的）；對於反鐵磁性物質，此溫度被稱為奈爾溫度。
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。[1]
原理
[編輯]鐵磁性的原理可由兩個量子力學描述的現象成功的預測：自旋和鮑利不相容原理。
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淨磁矩。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。
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。
按照經典電磁學，兩個臨近的磁偶極趨於指向相反的方向，因此，它們的磁場會互相抗拒，互相抵銷。但是，由於單獨自旋產生的磁場很小，這效應很微弱，形成的排列很容易就會被熱漲落（thermal fluctuation）摧毀。在有些物質裏，由於一種稱為交換相互作用（exchange interaction）的特別量子力學效應，自旋與自旋彼此之間方向的改變，會導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，對於鐵磁性物質，臨近電子的自旋趨於指向同樣的方向。
根據鮑利不相容原理，兩個自旋相同的電子不能佔有同樣的位置。因此，兩個臨近原子的位於最外電子層的不成對價電子，當它們的軌域相互重疊時，假若自旋方向相同（平行自旋），則電荷分佈會比較分散，否則，電荷分佈會比較集中。所以，促使自旋方向相同這動作會降低電勢能，使得平行自旋態更為穩定(洪德定則)。簡言之，因庫倫力而互相排斥的電子，藉着平行自旋使得電荷分佈更加分散，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磁域中。每個磁域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磁域的磁偶極的排列不一致。不同磁域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，所有磁域會沿着這個磁場排列，在外部磁場消失後這些磁域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磁域的能量不是最低的，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。
溫度升高後熱振盪（或熵）與鐵磁性的偶極排列競爭。溫度高於居禮點後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。在居禮點下對稱破缺，磁域形成。居禮點本身是一個閾值，理論上這裏的磁化率為無窮大，雖然這裏沒有磁化，但是在任何長度範圍內均有類似磁域的自旋波動。
尤其是使用簡化了的易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。在這裏平均場理論明顯地無法正確地預言居禮點上的現象，需要被重整化群理論取代。
鐵磁性物質
[編輯]| 物質 | 居禮點（K） |
|---|---|
| Co | 1388 |
| Fe | 1043 |
| FeOFe2O3* | 858 |
| NiOFe2O3* | 858 |
| CuOFe2O3* | 728 |
| MgOFe2O3* | 713 |
| MnBi | 630 |
| Ni | 627 |
| MnSb | 587 |
| MnOFe2O3* | 573 |
| Y3Fe5O12* | 560 |
| CrO2 | 386 |
| MnAs | 318 |
| Gd | 292 |
| Tb | 219 |
| Dy | 88 |
| EuO | 69 |
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禮點。在居禮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、矽、磷或鋁）組成，後者降低其熔點。
書籍
[編輯]- 鐵磁性物理，近角聰信着，蘭州大學出版，2002年7月，ISBN 7-311-02030-1
- 鐵磁性理論導論，A.Aharoni著，蘭州大學出版社，ISBN 7-311-02029-8
- 自旋電子學導論
參考資料
[編輯]- ^ Richard M. Bozorth，《Ferromagnetism》，1951年首版，1993年IEEE Press，New York作為「經典再版」再次發行，ISBN 0-7803-1032-2.
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