铁磁性是一种磁有序状态,其中相互作用的微观磁矩主要呈平行排列,在特征温度以下产生自发磁化。铁、钴和镍都是常见的例子。因此,铁磁体无需持续施加磁场也能保持磁化状态。不过,未经磁化的试样可能整体磁化很弱,因为取向不同的区域会相互抵消。铁磁性是许多永磁体和磁性元件的物理基础。(ocw.mit.edu)
微观起源
物质的磁矩主要来自电子的自旋角动量和轨道运动。在原子内部,成对电子的自旋可以相互抵消,而未成对电子则可以贡献净磁矩。仅有原子磁矩并不足以形成铁磁性:还必须存在能够抵抗热无序、稳定集体排列的相互作用。(ocw.mit.edu)
其核心机制是交换相互作用,它起源于量子力学。泡利不相容原理对电子的空间与自旋组合态施加约束,而电子之间的静电相互作用则使不同自旋排列具有不同的能量。交换作用并不只是微小条形磁体之间的经典吸引力;仅靠通常的磁偶极相互作用,一般无法解释常见铁磁体的有序化温度。(ocw.mit.edu)
一种简化的描述采用海森堡模型,其中交换作用对能量的贡献为
这里,每一对自旋只计数一次, 表示一个自旋, 描述它与另一个自旋之间的耦合。在这一符号约定下,正耦合有利于平行排列。在金属中,电子的分布延伸至整个固体,因此还需用电子能带结构补充局域自旋的描述。(physics.iisc.ac.in)
磁畴与磁各向异性
块体铁磁体通常分成多个磁畴,每个区域内部的磁化强度近似均匀,但各区域的取向不同。这种结构降低了与试样外部杂散磁场相关的能量。因此,即使试样的总磁矩接近零,局部的磁有序仍可能很强。(cambridge.org)
相邻磁畴之间由磁畴壁隔开,磁化方向在穿过畴壁时逐渐改变。畴壁结构体现了交换作用与磁各向异性之间的竞争:前者倾向于使相邻磁矩保持同向排列,后者则偏好某些特定方向。晶体结构、试样形状和机械应力都可能影响优先取向。(cambridge.org)
外加磁场可以通过扩大取向有利的磁畴,并使磁矩转向磁场方向,来增强磁化。在足够强的磁场下,材料趋近磁饱和。因此,磁化过程涉及对已有有序结构的重新排列,而不是凭空产生原子磁矩。(ocw.mit.edu)
磁滞与磁响应
铁磁体的响应取决于其磁化历史。周期性改变外加磁场,通常会产生磁滞回线,而不是一条可逆的单值曲线。剩磁是撤去磁化场后仍保留的磁化强度。矫顽力衡量的是使磁化强度降至零所需的反向磁场;在相应的测量约定下,也可以指使磁感应强度降至零所需的反向磁场。这些定义区分了材料抵抗退磁的能力与其剩余磁化的强弱。(ocw.mit.edu)
磁滞反映了不可逆的磁化变化,以及与各向异性和微观结构相关的能垒。当采用适当的磁场和磁化强度变量表示时,磁滞回线的面积代表一个磁化周期中耗散的能量。需要反复磁化的元件通常希望具有较窄的回线,而较高的矫顽力则有助于永磁体抵抗磁化方向的反转。(ocw.mit.edu)
在国际单位制中,磁化强度 是单位体积的磁矩,单位为安培每米。磁感应强度满足 。由于铁磁体的磁化具有非线性,并依赖磁化历史,单一的常数磁化率无法描述其完整响应。(ocw.mit.edu)
温度与集体有序
升高温度会引入涨落,从而削弱磁有序。在居里温度处,自发的铁磁磁化消失;高于这一温度时,材料通常表现出顺磁性。铁的居里温度约为 770 °C。失去自发有序并不意味着失去所有磁响应:在顺磁态下,外加磁场仍可诱导磁化。(ocw.mit.edu)
这一相变是集体行为的重要实例。自发磁化强度可作为序参量,而磁化方向的选定则体现了自发对称性破缺。外斯平均场理论用平均有效场近似表示相邻自旋的作用,并预言相变温度以上的磁化率遵循居里–外斯定律。不过,该理论忽略了涨落,因此在临界温度附近的准确性有限。(physics.iisc.ac.in)
相关有序状态与应用
铁磁性不同于反铁磁性:在理想的反铁磁体中,方向相反的磁性子晶格相互抵消。在亚铁磁性中,取向相反的子晶格贡献不相等,因此可以产生净磁化强度。亚铁磁性材料可能表现出与铁磁体相似的磁畴、剩磁和磁滞,但其微观有序方式不同。(ocw.mit.edu)
软磁材料容易磁化,也容易退磁,其中包括一些适宜的铁基合金。它们用于在变压器、电感器及电动机的部分组件中引导磁通。硬磁材料能够保持磁化,并抵抗磁化方向的反转;例子包括铝镍钴、钐钴和钕铁硼磁体。磁记录利用可区分的磁化状态存储信息,而器件性能取决于成分、各向异性、晶粒结构、温度和几何形状,并不仅仅取决于材料是否具有铁磁性。(ocw.mit.edu)