铁磁性：自发磁矩的物质性质及其磁化过程和磁致伸缩效应

如果一种物质具有自发磁矩，即在无外加磁场情况下，仍具有磁矩，则物质这种性质称为铁磁性。除了金属铁、钴、镍外，还有一系列合金和非金属化合物也是铁磁性物质。

铁磁性物质的基本磁矩为电子的自旋磁矩，轨道磁矩很小，基本无贡献。按照量子力学理论，电子的自旋磁矩沿平行方向排列时能量很低，所以即使没有外磁场，铁磁性物质中相邻原子间存在非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子间的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域。自发磁化关系发生在微小区域内这些区域称为磁畴。在没有外磁场作用时，在每一个磁畴中，原子的分子磁矩均取向于同一方位，但对于不同的磁畴，磁畴磁矩取向各不相同，因此对于整个物体，任何宏观的区域的平均磁矩为0，物体不显磁性。

在外磁场的作用下，磁畴取向与外磁场同方向排列时，磁能将低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能，结果自发磁化磁矩和外磁场形成小角度的磁畴处于有利地位，这部分磁畴的体积逐渐扩大，而自发磁化磁矩与外磁场形成较大角度的磁畴，体积逐渐缩小，随外磁场的不断增强，取向与外磁场成较大角度的磁畴将消失。尚存的磁畴将向外磁场的方向旋转，以后再增加磁场，使所有的磁畴沿外磁场的方向整齐排列，这时磁化达到饱和，如图2-14所示。

图2-14 单晶铁磁性物质磁化过程示意图

在高温下，铁磁性物质的热运动对磁畴磁矩有规则排列有破坏作用。如果当温度升到某一温度T_c时磁畴将破坏，铁磁性物质就变成顺磁性物质了。

所以，铁磁性物质的磁性与温度有关，当温度升高时，磁化率逐渐减小，而且，存在一临界温度T_c，当T＞T_c时，铁磁性消失，转变为顺磁性。T_c称为居里温度。当T＞T_c，磁化率κ和温度有下列关系：

铁磁性物质的T_c很高。例如钴：T_c=1100℃，铁：T_c=767℃。

铁磁性物质磁化与顺磁性物质和抗磁性物质有很大不同，具有下列特点：

①很易磁化，不是很强的磁场下，就可以磁化达到饱和，并且得到的磁化强度也很大。

②磁化强度和外磁场不呈线性关系，磁化率κ不是常数，而且很大。(www.xing528.com)

③磁滞损耗，当反复磁化时，磁化强度与磁场强度关系是一闭合曲线，称为磁滞回线。从图2-15中磁滞回线可以看出，磁感应强度B的变化总是落后于磁场强度H的变化，这种现象也称磁滞。

对于铁磁性物质，在磁化开始时，磁感应强度B值，随磁场强度H的增加而急剧增加，当H达到一定的强度H_S，B值不再随H的增加而增加，这时磁化达到饱和。磁感应强度的饱和值用B_s表示。如果在达到饱和状态之后使H减小这时B值也要减小，但不是沿原来的曲线下降，而是沿另一曲线下降，对应的B值比原来大。说明铁磁性物质磁化过程是不可逆的过程。当H=0时，磁感应强度并不等于0，而是保持一定的大小B_r，这就是铁磁性物质的剩磁现象。要使B继续减少，必须加一个反向磁场，H值达到H_c时，B才等于0。这时的H_c称为矫顽力，矫顽力的大小反映铁磁性物质材料保存剩磁状态的能力，如果再增加反方向的磁场又可达到反向的磁饱和状态。以后再逐渐减少，反向磁场强度至e点（H=0）。这时再引入正向磁场，形成闭合回线。

图2-15 磁滞回线

当铁磁性物质在交变电场的作用下反复磁化时，由于磁畴反复翻转，引起材料内部摩擦发热，要消耗能量。这种反复磁化过程中的能量损失，叫磁滞损耗。理论和实践证明，磁滞回线所包围的面积越大，磁滞损耗越大。单位体积的磁滞损耗可利用下列经验公式计算：

W=k₁B_m^1.6f

式中 k₁——与材料本身有关的系数；

B_m——磁感应强度的最大值（T）；

f——磁场频率（Hz）。

此外，铁磁性物质在交变电场的作用下，在磁化的方向会发生伸长或缩短，称为磁致伸缩效应。