对材料的磁性进行分类的zui常见方法是根据它们对外加磁场的响应;因此,相对磁导率和相对磁化率都可以用来区分不同类别的材料。因此,可以被磁场磁化到一定程度的材料称为磁性材料。
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磁性材料的分类
反磁性材料
从抗磁性开始,这是一种弱磁性,主要归因于电子的轨道运动,在经典的“电流回路”中产生磁矩。当外加磁场作用在抗磁性材料上时,它就会产生磁通量。然而,根据伦茨定律,感应磁通量抵消了外场的变化,因此抗磁性材料相对于外加磁场的方向表现出反平行的磁化,与后者相反。因此,抗磁性材料的磁化强度与外加磁场成正比,如图1a它们的相对磁化率为负且非常弱,约为10-5,它们的渗透率略小于1。许多金属和大多数非金属都是抗磁性的。有趣的是,如果材料中只存在少量的磁性原子,它们的影响足以掩盖抗磁性,使非磁性原子被邻近的铁磁性原子自旋极化。目前,这种效应在某些纳米级自旋电子器件中得到了应用。
顺磁性材料
对于一类被称为顺磁性材料的材料,其相对磁导率仅略大于1。它与磁场强度无关,如果不与温度无关,则随温度升高而减小。许多金属都属于这一类,如铂或钯,还有铁或稀土金属的盐,或钠、钾和氧等元素。铁磁体在居里温度Tc以上变为顺磁性。当外磁场作用于顺磁性材料时,产生与磁场平行的弱感应磁化。然而,与外场成正比的感应磁化强度仍然存在正的,不像反磁铁。另一方面,磁化率作为一个量与绝对温度T成反比,如图1b,这种反比也被称为居里-魏斯定律。顺磁体的相对磁化率为正。顺磁性在某些方面类似于铁磁性,因为它同样归因于不成对的电子自旋。然而,由于不同的电子构型,这些自旋可以自由地改变方向,这与铁磁体中的自旋不同。在顺磁体中,由于热搅动,自旋在一定温度下具有随机方向。
图1
反铁磁性
反铁磁性是一种在不同亚晶格上有序排列反平行排列自旋的磁性,使得反铁磁性结构没有净自发磁化。反铁磁材料具有很小的磁导率,因此通常被归类为顺磁性材料。反铁磁体表现出小的正相对磁化率,随温度的变化类似于达到较高温度时的顺磁性;然而,在临界温度以下,这种依赖性具有独特的形状,如图1c。这是因为在这个温度以下,电子自旋是反平行排列的,所以它们相互抵消了。由于这些自旋之间的相互作用,外部施加的磁场面临强烈的反对,导致磁化率随温度下降,与顺磁行为相反。因此,尽管反铁磁序在较低温度下可能存在,但当自旋变得随机取向时,反铁磁序在所谓的温度之上消失,使得磁化率随着温度的升高而降低。反铁磁体中的交换相互作用作用于不同亚晶格上相邻自旋的反排列。
铁氧体磁性
铁氧体表现出一种被称为铁磁性的磁性,在某些方面类似于铁磁性和反铁磁性。在铁磁材料中,由于离子被放置在两种不同类型的晶格位点上,使得一种位点上的自旋与另一种晶格位点上的自旋方向相反,因此它们往往被比作反铁磁材料。然而,两个点阵位置上的一个结果磁化比另一个强,因此结果是一个总非零的自发磁化。由于反铁磁体的磁性不强,而铁磁体具有自发的和不可忽略的磁化,所以铁磁体材料经常被比作铁磁体。与铁磁材料类似,温度的升高会对自旋排列造成干扰,zui终导致居里温度下的自旋方向完全随机。在这个温度下,铁磁体失去自发磁化,变成顺磁性,如图1d。铁磁材料也有居里点,在居里点以上,它们表现出顺磁性
铁磁性
本质上,铁磁材料的磁导率取决于磁场强度。当磁场强度继续增加时,它们接近磁饱和,这意味着材料只能被磁化到有限的极限。铁磁体包含自发磁化的磁畴,其中磁畴是具有全畴磁化的实体。这是一个小的磁化区域,包含许多具有彼此平行排列的单个磁矩的原子,以对抗热搅动的力。一个畴的磁化方向通常与相邻畴的总磁化方向不同,如图2。
图2
在铁磁体的任何条件下,畴结构都将努力保持稳定,因此,如果条件发生变化,畴结构将不断变化,直到找到这个稳定点。自发域磁化是由部分填充的电子壳层中不成对的电子自旋引起的。这些自旋彼此平行排列是强交换相互作用的结果。自安排以来自旋与温度有关,自发域磁化强度也与温度有关。当所有磁域的总合成磁化强度为零时,铁磁性材料被称为退磁。然而,外加磁场将总所得磁化强度从零改变为饱和值。当磁场减弱,因此,符号反转,铁磁材料的磁化不会返回其原始路径的值,与材料表现出所谓的迟滞。强铁磁体的相对磁化率为106数量级,与其他类型的材料相比,这是一个很大的值。这就解释了为什么铁磁体很容易被磁化,而其他种类的磁性材料却缺乏对磁场的响应能力。铁磁体的自发磁化在达到一定的居里温度Tc以上就会消失,这时它们会变成顺磁性。
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