《材料化學導論》第四章無機非金屬材料第十一節無機材料的磁學性質
4.11 無機材料的磁學性質
金屬和合金類磁性材料的介質損耗大，不宜用於高頻。陶瓷質的磁性材料具有強磁性、高電阻和低損耗等特性，在電子技術中比金屬磁性材料更適用於作高頻器件。
一、磁現象
物質在磁場強度為h 的外磁場中因與磁場發生相互作用而被磁化，則在該物質內部產生磁感應強度為b 的磁場。b 與h 成正比，即：
h b μ=
式中，μ為磁導率。某物質的磁導率μ與真空磁導率o μ的比值就是該物質的相對磁導率r μ。
物質的磁化率1=r μκ。磁化率為正值的物質叫做順磁性物質；磁化率為負值的物質叫做抗磁性物質或逆磁性物質。有少數物質，其磁化率的值特別大，稱之為鐵磁性物質。
磁化率是對單位體積的物質而言，是個無量綱量。在化學上，常用克磁化率χ或摩爾磁化率m χ度量物質的磁性。存在以下關係：
d /κχ=
d m m m /κχχ==
式中，d 是單位體積物質的質量，m 是物質的相對分子質量。
二、順磁性物質
在順磁性物質中，存在著未成對的電子。未成對電子進行自旋運動和軌道運動時，總角動量不等於零，因而會產生相應物質的分子、原子或離子的磁矩，即永久磁矩。在無外磁場時，這些電子的磁矩指向是無序分布的，不形成巨集觀磁化現象。
但在外磁場作用下，由於這些磁矩沿磁場方向取向，便產生磁化現象。稱這種現象為順磁性。順磁性物質經外磁場磁化後所產生的附加磁場，其方向與外磁場一致，其磁化率為正值，χ約在範圍內。
4610~10
三、抗磁性物質
抗磁性物質因沒有未成對電子，不存在永久磁矩。但是當其被放置到外磁場中，則會因感應磁化而產生與外磁場方向相反的誘導磁矩，其磁化率為負值，且其大小也不隨溫度而變化。χ值約為負左右。
610四、鐵磁性物質
150fe 、co 、ni 、gd 等金屬及其合金具有特別大的磁化率，其χ值約為。
4210~10鐵磁性物質的磁化率不是恆定的，可隨磁場強度h 而改變。在外磁場停止作用後，鐵磁性物質仍能保持部分磁性。每種鐵磁性物質各有乙個臨界溫度——居里點。
在居里點以上的溫度下，鐵磁性物質突變為順磁性物質，其磁化率與磁場強度無關。fe 、co 、ni 的居里點分別為767℃、1,115℃和358℃。
c t 例如在金屬鐵中，相鄰鐵原子之間存在非常強的交換耦合作用，這個相互作用促使相鄰原子的磁矩作平行排列，形成乙個自發磁化達到飽和狀態的區域，稱為磁疇。這種區域很微小，大約在0.01mm 線度數量級的範圍內。
在沒有外磁場時，在每乙個磁疇中，原子的總磁矩均取同一方向；但對不同磁疇來說，其磁矩取向各不相同。因此，對於整個磁體的任何巨集觀區域，其平均磁矩為零，物體不顯示磁性。
在外磁場作用下，那些自發磁化的磁矩與外磁場方向相同或成小角度的磁疇處於有利地位，其磁疇體積得以擴大；但自發磁化的磁矩與外磁場方向相反的磁疇，其磁疇體積卻是被縮小、甚至消失。留存的磁疇沿外磁場的方向排列整齊時，則磁化達到飽和。
上面所說的磁疇體積擴大不是逐漸進行的，而是在磁場強度h 達到一定值時突然發生的。這就反映了過程的不可逆，表現出磁滯現象。同時，各個磁疇還受到阻礙它們轉向的摩擦阻力，因而在外磁場停止作用後，磁疇的某種排列仍被保留下來，使磁體留有部分磁性，表現為剩磁現象。
圖4-39是鐵磁性物質的磁化曲線和磁滯迴線。
圖4—39 鐵磁性物質的磁化曲線和磁滯曲線
圖中，是飽和磁感應強度，是剩餘磁感應強度，是矯頑磁場強度。
bs r b c h 在公升高溫度時，鐵磁體中分子的熱運動可以瓦解磁疇內磁矩有規則的排列。足以使磁疇全部破壞的最低溫度即為居里點，這時，鐵磁體即轉變為普通順磁性物質。居里點體現分子 151
的熱運動對磁疇形成的干擾。
五、反鐵磁體
pt 、pd 、mn 、cr 等金屬以及、和各種錳鹽的特點是相鄰原子的磁矩反平行而彼此的強度相等，因此形成的磁疇是無磁性的，沒有淨餘的自旋磁矩。磁化率是不大的正值，feo 2nif χ約為。這一類物質稱為反鐵磁體。
4610~10反鐵磁體物質中，任何乙個磁矩都是被相反取向的磁矩所環繞。因此，可以把它設想成由兩個互相穿插的鐵磁性晶格組合而成。反鐵磁體的磁化率在某一臨界溫度時達到最高值。
稱這個溫度為neel 溫度。這是其磁化率的乙個最顯著特徵。高於的溫度下，反鐵磁體轉變為順磁體。
這是因為反鐵磁性物質隨著溫度的公升高，原先按反平行方向排列的各個自旋磁矩變為無規則排列的趨勢增加，在外磁場的作用下會產生比較大的淨餘磁矩。當溫度達到時，自旋磁矩基本上是無規則的，此時，磁化率為最大。高於這一臨界溫度時反鐵磁性就轉變為順磁性（參見圖4-40）。
n t n t n t
圖4—40 磁化率與溫度的關係
六、鐵氧體磁性材料
鐵氧體（feerites ）舊稱「磁性瓷」、「鐵淦氧」，是有磁性的多元氧化物，可分為六類，即尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型
、鈣鈦礦型、鈦鐵礦型及鎢青銅型。其中，前三類研究得最多，應用也最普遍。
)(322o fe o m +)(123533o fe m ++])([195.05.05.
35.7o ti al mn fe pb 人類最早發現和使用的天然鐵氧體是磁鐵礦32o fe feo 、即。其分子式可以寫43o fe 152
成，具有反尖晶石型晶格結構。屬於尖晶石型的鐵氧體種類很多，其通式中的二價正離子4322o fe fe +
+322o fe o m ++2m 可以是、、、等，也可以是這些離子的共同存在，如、等。它們和鐵磁體一樣有磁疇結構，有磁滯迴線，磁化率也都很大。
+2fe +2mn +2zn +2ni 42),(o fe zn mn 42),(o fe zn ni 磁鐵礦（又叫鐵－鐵尖晶石）中，每個離子有5個3d 電子自旋平行，可產生接近
5.92波爾（bohr ）磁子的磁矩。但其在四面體間隙中的離子和八面體間隙中的離子的磁矩取向相反，導致彼此的磁矩全部抵銷。
在八面體間隙中的離子有6個3d 電子，其中有4個電子的自旋是平行的，它們產生的磁矩依然存在，這樣就保留了「剩餘磁矩」，表現出磁性，這種性質稱為亞鐵磁性或鐵氧體磁性。
+3fe +3fe +3fe +2fe 鐵氧體是半導體，電阻率遠大於金屬磁性材料，因此在高頻磁場中產生的渦流小，適合作高頻磁性材料。按其磁滯迴線的形狀不同，可分為軟磁材料、硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料和壓磁材料五種型別。圖4-41是前三種型別的磁滯迴線。
圖4—41 鐵氧體磁滯迴線型別示例
軟磁材料的特點是磁導率大，矯頑力小，磁滯損耗低。其磁滯迴線成細長條形，容易磁化，也容易退磁，適用於交變磁場，可用來製造各種高頻磁芯、變壓器、磁放大器、磁頭等。主要有mn －zn 鐵氧體，ni －zn 鐵氧體、、等。
)10(1
2)10(12>m a h c )(c b 1912o bafe 矩磁材料的特點是磁滯迴線差不多呈矩形，剩餘磁感應強度接近於飽和值，矯頑r b m b 153
力不大。若矩磁材料在不同方向的磁場下磁化，當電流為零時，總是處於和兩種不同的剩磁狀態。通常，計算機採用兩進製、即只有「0」和「1」兩個數碼，因此用這種材料的兩種剩磁狀態和分別代表兩個數碼，起到記憶的作用。
所以矩磁材料適用於作記憶元件和開關元件。有矩形磁滯迴線的鐵氧體材料，除少數幾種為石榴石型的外，都具有尖晶石型晶格結構。如在m b m b m b +m b 32o fe mno mgo 三元系統中的乙個相當寬廣的範圍
（所包圍的區域）都可能形成矩磁鐵氧體材料。
32%50~28%46~7%56~12o fe mno mgo 、、
旋磁材料是指有些鐵氧體會對作用於它的電磁波發生一定角度的偏轉，即旋磁現象。利用旋磁材料的旋磁現象，可以製成不同用途的微波器件。
壓磁材料具有由應力可以引起磁性改變的性質。壓磁材料可用於製作超聲發聲器、接收器、超聲探傷器以及聲納、回聲探測儀等。目前應用的鐵氧體壓磁材料大都是含鎳的鐵氧體系統，最主要的是ni －zn 鐵氧體。154
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