铁磁材料

概念定义

铁磁材料是具有强磁性的磁介质，其内部存在能够自发磁化的磁畴结构。铁、钴、镍及其合金属于这类材料。磁畴内部的原子磁矩通过交换相互作用趋向平行排列，使每个磁畴形成特定的磁化方向。材料在宏观上是否呈现明显磁性，则取决于不同磁畴的排列状态。

铁磁材料未磁化时，各磁畴的磁化方向处于无序状态，不同磁畴产生的磁效应相互抵消，材料整体的磁化程度较低。施加外部磁场后，材料通过畴壁外移以及磁矩转向实现磁化：方向接近外部磁场的磁畴逐渐扩大，其他方向的磁畴相应缩小，磁矩也会朝外部磁场方向转动。

铁磁材料的磁化过程具有非线性特征，并会出现磁滞现象。外部磁场发生变化时，材料内部的磁化状态不会简单地与磁场同步恢复，而是形成磁滞回线。在交变磁场中，磁畴持续响应磁场方向和强度的变化，畴壁移动与磁矩转向共同构成周期性的内部磁响应。

铁磁性的微观基础包括原子磁矩、交换相互作用、磁畴和畴壁。交换相互作用使磁畴内的原子磁矩保持平行排列；磁畴是具有一致磁化方向的区域；畴壁则位于相邻磁畴之间，并会在外部磁场作用下移动。电子自旋的直接交换作用用于解释铁磁性的形成，自旋波理论则进一步描述铁磁材料内部的集体磁性运动。

温度会影响这种有序磁性状态。材料温度超过居里点后，铁磁性消失。铁的居里点为1043 K，镍的居里点为630 K，因此铁磁材料的工作状态与其温度范围密切相关。

按照磁滞回线特征，铁磁材料可分为软磁材料、硬磁材料和矩磁材料。软磁材料的矫顽力较低，外部磁场改变时较容易改变磁化状态；硬磁材料的矫顽力较高，磁化后较能保持磁性；矩磁材料具有接近矩形的磁滞回线，可用于表示不同磁化状态。铁氧体也是一类常用磁性材料，其较高的电阻率适合电子设备及微波防护用途。

不同磁滞特性对应不同用途。软磁材料用于变压器铁芯，需要在交变磁场下反复改变磁化方向；硬磁材料用于永磁体，利用其磁化后保持磁性的特征；矩磁材料可用于存储元件，以不同磁化状态承载信息。铁氧体则广泛用于电子设备和微波防护领域。

1907年，法国物理学家P.-E.外斯提出分子场假说，以自发磁化区域解释铁磁现象。其后，W.K.海森伯以量子力学解释分子场的本质，将铁磁性与电子自旋的直接交换作用联系起来；F.布洛赫建立自旋波理论，进一步说明铁磁系统中的集体磁性行为。