二．物質(zhì)的磁性

2.1.物質(zhì)的抗磁性

物質(zhì)的抗磁性（Diamagnetism）是一些類別的物質(zhì)，當(dāng)處在外加磁場中，會對磁場產(chǎn)生的微弱斥力的一種磁性現(xiàn)象，磁化率量級一般為-10^-5數(shù)量級。

抗磁性來源：外磁場穿過電子軌道產(chǎn)生電磁感應(yīng)，使軌道電子加速從而產(chǎn)生與外磁場方向相反的磁場。

特點：所有物質(zhì)在外磁場作用下都會產(chǎn)生此種現(xiàn)象，不過大多數(shù)物質(zhì)的抗磁性被較強的順磁性掩蓋而不能表現(xiàn)出來。

圖2.1 抗磁性的由來

2.2物質(zhì)的順磁性

物質(zhì)的順磁性（paramagnetism）是指物質(zhì)對磁場響應(yīng)很弱的磁性，磁化率量級一般為10^-6——10^-3數(shù)量級。

順磁性的由來--朗之萬理論：組成順磁性物質(zhì)的原子、離子或分子有未被電子填滿的內(nèi)殼層，此類材料中存在固有磁矩，因相互作用力小于熱運動，磁矩為自由磁矩，取向無規(guī)則，材料不能自發(fā)磁化，但在外磁場H的作用下，自由磁矩沿著外磁場方向擇優(yōu)分布，引起順磁性磁化。

圖2.2 順磁性

2.3.鐵磁性

物質(zhì)的鐵磁性（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。材料對磁場響應(yīng)很強的磁性，磁化率量級一般為10^3——10^6數(shù)量級。具有鐵磁性的元素不多，但具有鐵磁性的合金或化合物種類很多。

特點：1.與順磁性不同，鐵磁性是強磁；2.具有自發(fā)性磁化現(xiàn)象。

圖2.3 鐵磁性

2.3.1自發(fā)磁化原因

海森堡模型：與順磁性物質(zhì)類似，鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部原子中有未配對電子，原子間存在交換作用，為了使自旋相互作用能最低，這些電子的自旋趨于與相鄰未配對電子的自旋呈相同方向。

外斯分子場理論：

分子場引發(fā)自發(fā)磁化假設(shè)：鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部存在著分子場（原因見海森堡模型），原子磁矩受到分子場的影響，克服無序熱運動，自發(fā)地取向一致，從而表現(xiàn)為鐵磁性。

當(dāng)溫度升高到熱運動能足以抗衡分子場時，分子場引發(fā)的一致取向被破壞，從而表現(xiàn)為順磁性，此溫度稱為居里溫度，可以據(jù)此估算分子場大小。

?2.3.2 磁疇

假設(shè)鐵磁物質(zhì)均勻自發(fā)磁化，磁化后的物質(zhì)因具有一定的大小和形狀，必然產(chǎn)生磁極，磁極的退磁場產(chǎn)生退磁能，退磁能的存在增加了鐵磁體內(nèi)的總能量，從而使這個自發(fā)磁化狀態(tài)不再穩(wěn)定，為了降低退磁場能，只有改變自發(fā)磁化的分布，于是在鐵磁體內(nèi)部產(chǎn)生許多自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇。

圖2.4 鐵磁物質(zhì)的自發(fā)磁化與外磁場磁化

綜上：磁疇是鐵磁性物質(zhì)在消磁狀態(tài)下內(nèi)部的多個小區(qū)域，每個小區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩由于分子場的作用取向一致，出現(xiàn)自發(fā)磁化的現(xiàn)象；但相鄰的區(qū)域原子磁矩排列方向不同，以致于各磁疇之間的磁場相互抵消，因此宏觀鐵磁體在無外磁場的作用下，并不表現(xiàn)出磁性。

如圖2.4 所示，各原子磁矩取向一致的小區(qū)域為磁疇，磁疇之間由疇壁隔開。同時，磁疇不可能無限制增加的，由于疇壁的存在，系統(tǒng)增加了疇壁能，磁疇的多少是由退磁場能和疇壁能的和為極小值決定的，一個典型的磁疇的體積約為10^-9(cm^3),約含有10^14個磁性原子。疇壁寬度一般為10^3個原子量級。

單疇：當(dāng)鐵磁材料的顆粒尺寸小于某一尺寸時，成為多疇時的疇壁能比單疇的退磁場能還要高時，材料將不再分疇從而形成單疇結(jié)構(gòu)，這個尺寸稱為臨界尺寸。單疇顆粒的磁化過程小時（磁化過程的介紹見下節(jié)）只有磁疇轉(zhuǎn)動，因此磁化和退磁都比較困難。一般永磁材料的制備工藝中，使用粉末法實現(xiàn)小顆粒的單疇結(jié)構(gòu)。

?擁有鐵磁性的材料稱為鐵磁材料，鐵磁材料主要包括兩大類：硬磁材料和軟磁材料；硬磁材料又稱永磁材料，是經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料，如汝鐵硼永磁體。軟磁材料是指易于磁化也易于退磁的材料，如硅鋼。關(guān)于磁化的相關(guān)描述見下節(jié)。

物質(zhì)的磁性除了以上的還包括亞鐵磁性（磁化率在10-10數(shù)量級）、反鐵磁性等。

圖2.5 亞鐵磁性及反鐵磁性

2.4.磁晶及磁晶的各向異性

2.4.1磁晶

磁性物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(原子、離子、分子、原子團)有規(guī)則地在三維空間呈周期性重復(fù)排列，組成一定形式的晶格，外形上表現(xiàn)為一定形狀的幾何多面體。，不同材料有不同的晶格結(jié)構(gòu)，鐵單晶的晶格結(jié)構(gòu)見圖2.6。

圖2.6 Fe單晶體心立方晶格結(jié)構(gòu)

2.4.2 磁晶各向異性

磁晶各向異性：磁晶沿不同的晶軸方向磁化難度不同，有難磁化軸和易磁化軸之分。磁晶各向異性存在于所有鐵磁性晶體中。圖2.7中[100]為易磁化軸。

圖2.7 Fe晶體不同磁化軸的磁化曲線

2.4.3磁致伸縮

磁致伸縮：磁性材料隨著磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都會發(fā)生微小的變化的現(xiàn)象。一般體積磁致伸縮量很小，可以忽略。通常說的磁致伸縮是橫向或縱向的線性磁致伸縮。所有鐵磁材料都會表現(xiàn)出可測量的磁致伸縮。

當(dāng)磁性材料達到飽和時的λ值稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用λ來表示。

圖 2.8 磁致伸縮系數(shù)與外磁場強度的關(guān)系

磁致伸縮產(chǎn)生的原因：

H=0且磁性材料在居里溫度以下時，會出現(xiàn)自發(fā)磁化現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖中所示；

磁性材料受外磁場影響后，結(jié)構(gòu)尺寸會發(fā)生變化，當(dāng)H>Hs（Hs為飽和磁場強度）其尺寸如圖中所示。微觀上說，磁致伸縮是由于原子的自旋磁矩與軌道磁矩相互之間的作用而產(chǎn)生的。

圖 2.9 磁致伸縮產(chǎn)生的原因