1.交換作用在晶體內(nèi)，參與相互作用的電子不再局限于原來的原子，而是“公有化〞了，好似電子在交換位置，稱為“交換〞作用。由交換作用產(chǎn)生相互作用能，叫交換能，用J表示。電子自旋平行排列和反平行排列時(shí)，系統(tǒng)的能量分別為E1和E2，那么：適用于鐵磁體，如Fe、Co、Ni等。當(dāng)J﹤0，那么E1﹥E2，即電子自旋反平行排列為穩(wěn)定態(tài)，表現(xiàn)為反鐵磁性；當(dāng)J﹥0，那么E1﹤E2，即電子自旋平行排列為穩(wěn)定態(tài)，表現(xiàn)為鐵磁性。2.超交換作用由于非磁性中間離子的介入，使磁性離子M1和M2產(chǎn)生相互作用的現(xiàn)象，稱為超交換作用。非磁性離子有：O2-、S2-、Se2-等。如尖晶石等結(jié)構(gòu)：例如ZnFe2O4結(jié)構(gòu)，Zn2+占據(jù)A位，F(xiàn)e3+占據(jù)B位。Zn2+中沒有不成對的自旋電子，因而A位的Zn2+與B位的Fe3+無超交換作用；B-B位的Fe3+之間具有超交換作用，引起Fe3+磁矩的反平行排列；因?yàn)榇啪叵嗤杂^察不到ZnFe2O4中的磁化作用。例如：反鐵磁性MnOMnO點(diǎn)陣中Mn2+的自旋排列根據(jù)超交換作用理論，Mn2+通過鄰近氧離子的激發(fā)態(tài)而完成間接交換作用。即經(jīng)中間的激發(fā)態(tài)氧離子的傳遞交換作用，把相距很遠(yuǎn)無法發(fā)生直接交換作用的兩個(gè)金屬離子的自旋系統(tǒng)連接起來。在激發(fā)態(tài)下，O2-將一個(gè)2p電子給予相鄰的Mn2+而成為O-，Mn2+獲得這個(gè)電子變成Mn+，此時(shí)它們的電子自旋排列如下圖。O-的自旋與左方Mn+自旋方向相同。當(dāng)右方的Mn2+的自旋方向相反時(shí)，系統(tǒng)有較低的能量，故表現(xiàn)出反鐵磁性。(a)基態(tài)（b）激發(fā)態(tài)Mn2+(3d5)O2-(2p6)Mn+(3d)6O-(2p5)Mn2+(3d5)7.4鐵氧體結(jié)構(gòu)及磁性以氧化鐵〔Fe3+2O3〕為主要成分的強(qiáng)磁性氧化物叫做鐵氧體。鐵氧體磁性與鐵磁性相同之處在于有自發(fā)磁化強(qiáng)度和磁疇，因此有時(shí)也被統(tǒng)稱為鐵磁性物質(zhì)。鐵氧體一般都是多種金屬的氧化物復(fù)合而成，因此鐵氧體磁性來自兩種不同的磁矩：一種磁矩在一個(gè)方向相互排列整齊；另一種磁矩在相反的方向排列。這兩種磁矩方向相反，大小不等，兩個(gè)磁矩之差，就產(chǎn)生了自發(fā)磁化現(xiàn)象。因此鐵氧體磁性又稱亞鐵磁性。從晶體結(jié)構(gòu)分，目前已有尖晶石型、石榴石型、磁鉛石型、鈣鈦礦型、鈦鐵礦型和鎢青銅型等6種。鐵氧體亞鐵磁性氧化物一般式表示為M2+O·Fe23+O3，或者M(jìn)2+Fe2O4。M是Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、Cd等金屬或它們的復(fù)合，如Mg1-xMnxFe2O4。因此組成和磁性能范圍寬廣，它們的結(jié)構(gòu)屬于尖晶石型。一、尖晶石型鐵氧體1.單位晶胞結(jié)構(gòu)1〕面心立方結(jié)構(gòu)：以O(shè)2-為骨架構(gòu)成面心立方，以[111]軸為密堆積方向，重復(fù)按ABC、ABC……，其它金屬離子在O2-構(gòu)成的空隙中。2〕單位晶胞由8個(gè)小立方〔子晶格〕組成；共邊離子分布相同，共面不同。每個(gè)小立方含有4個(gè)O2-，那么4×8=32；O2-分布在對角線的1/4、3/4處，并在B離子對面(有B離子的子晶格)靠近A離子的那個(gè)位置，O2-間隙中嵌入A、B離子。A位置金屬離子B位置金屬離子O2-位置O2-A位金屬離子B位金屬離子A位四面體B位八面體氧四面體為A位，八面體為B位。二價(jià)離子都處于A位，那么為正尖晶石結(jié)構(gòu)；二價(jià)離子占有B位，三價(jià)離子占有A位及余下的B位，那么為反尖晶石。所有的亞鐵磁性尖晶石幾乎都是反型的Fe3+(Fe3+M2+)O4，這可設(shè)想由于較大的二價(jià)離子趨于占據(jù)較大的八面位置。A位離子與反平行態(tài)的B位離子之間，借助于電子自旋耦合而形成二價(jià)離子的凈磁矩，即Fea3+↑Feb3+↓Mb2+↓陽離子出現(xiàn)于反型程度，取決于熱處理?xiàng)l件。一般來說，提高正尖晶石的溫度會使離子激發(fā)至反型位置。所以在制備類似于CuFe2O4的鐵氧體時(shí)，必須將反型結(jié)構(gòu)高溫淬火才能得到存在于低溫的反型結(jié)構(gòu)。二、石榴石型鐵氧體其通式為M3cFe2aFe3dO12：M為稀土離子或釔離子，都是三價(jià)；上標(biāo)c，a，d表示該離子所占晶格位置的類型。a離子：八面體位置，c離子：十二面體位置，d離子：四面體。與尖晶石類似，石榴石的凈磁矩起因于反平行自旋的不規(guī)那么奉獻(xiàn)：a離子和d離子的磁矩是反平行排列的，c離子和d離子的磁矩也是反平行排列的。如果假設(shè)每個(gè)Fe3＋離子磁矩為5μB，那么對M3cFe2aFe3dO12：μ凈＝3μc-〔3μd-2μa〕＝3μc-5μB三、磁鉛石型鐵氧體磁鉛石型鐵氧體的化學(xué)式為AB12O19，A是二價(jià)離子Ba、Sr、Pb，B是三價(jià)的Al、Ga、Cr、Fe，其結(jié)構(gòu)與天然的磁鉛石Pb〔Fe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5〕O19相同，屬六方晶系，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如含鋇的鐵氧體，化學(xué)式為BaFe12O19。磁化起因于鐵離子的磁矩，每個(gè)Fe離子有5μB↑自旋，每個(gè)單元化學(xué)式的排列如下：在尖晶石塊中，兩個(gè)鐵離子處于四面體位置形成2×5μB↓，七個(gè)Fe離子處于八面體位置形成7×5μB↑。在六方密堆積塊中，一個(gè)處于氧圍成的三方雙錐體中的Fe離子給出1×5μB↑，處于八面體中的兩個(gè)Fe離子給出2×5μB↓。凈磁矩為4×5μB=20μB。7.5磁性材料的物理效應(yīng)物質(zhì)的物理性質(zhì)隨外界因素，例如磁場、電場、光及熱等的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象為物理效應(yīng)。磁性材料的物理效應(yīng)包括磁光效應(yīng)、電流磁氣效應(yīng)、磁各向異性、磁致伸縮效應(yīng)、動態(tài)磁化等。1.磁光效應(yīng)：光通過透明的鐵磁性材料時(shí)，光與自發(fā)磁化相互作用，會發(fā)生特異的光學(xué)現(xiàn)象，稱此為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)包括塞曼效應(yīng)、法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)等。〔1〕塞曼效應(yīng)對發(fā)光物質(zhì)施加磁場，光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象為塞曼效應(yīng)。〔2〕法拉第效應(yīng)光與原子磁矩相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。當(dāng)一些透明物質(zhì)如Y3Fe5O12透過直線偏光時(shí)，假設(shè)同時(shí)施加與入射光平行的磁場，當(dāng)透射光射出時(shí)，其偏振面將旋轉(zhuǎn)一定的角度，該現(xiàn)象為法拉第效應(yīng)。法拉第效應(yīng)偏振光發(fā)生旋轉(zhuǎn)的偏振光磁場H入射光透射光入射光磁場H正常光線異常光線

科頓—莫頓效應(yīng)施加與入射光垂直的磁場，入射光將分裂為沿原方向的正常光束和偏離原方向的異常光束，為科頓-莫頓效應(yīng)。〔3〕克爾效應(yīng)當(dāng)光入射到被磁化的物質(zhì)，或入射到外磁場作用下的物質(zhì)外表時(shí)，其發(fā)射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。2.磁各向異性對于晶體來說，不同的晶體學(xué)方向其磁化也有所不同，及存在易磁化的和難磁化的晶體學(xué)方向，分別稱為易磁化軸和難磁化軸。在鐵磁體中存在著取決于自發(fā)磁化方向的自由能，自發(fā)磁化向著該能量取最小值的方向時(shí)最穩(wěn)定，而要向其它方向旋轉(zhuǎn)，能量會增加，稱這種性質(zhì)為磁各向異性，對應(yīng)的自由能為磁各向異性能。磁性材料的自發(fā)磁化〔飽和磁化〕隨材料的組成，構(gòu)成原子的有序、無序排布，晶體結(jié)構(gòu)，溫度等不同而變化。在具體應(yīng)用中，人為地采用一些方法使磁化曲線變?yōu)槠渌螤睿a(chǎn)生新的磁各向異性，這種由人為的方法引發(fā)的磁各向異性稱為誘導(dǎo)磁各向異性。3.磁致伸縮效應(yīng)使消磁狀態(tài)的鐵磁體磁化，一般情況下其尺寸、形狀會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。長度為L的棒沿軸向磁化時(shí)，假設(shè)長度變化為，那么磁致伸縮率。磁致伸縮率在強(qiáng)磁場作用下到達(dá)飽和值，稱為磁致伸縮常數(shù)。磁致伸縮可以使磁能〔實(shí)質(zhì)為電能〕轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，逆效應(yīng)可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。7.6磁性材料及應(yīng)用磁性材料是指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的材料。磁性材料按其功能可分為幾大類：易被外磁場磁化的磁芯材料；可發(fā)生持續(xù)磁場的永磁材料；通過變化磁化方向進(jìn)行信息記錄的磁記錄材料；通過光或熱使磁化發(fā)生變化進(jìn)行記錄與再生的光磁記錄材料；在磁場作用下電阻發(fā)生變化的磁致電阻材料；因磁化使尺寸發(fā)生變化的磁致伸縮材料；形狀可以自由變化的磁性流體等。利用這些功能，磁性材料已用于器件和設(shè)備，如變壓器、阻尼器、各類傳感器、錄象機(jī)等。近年來，磁性材料在非晶態(tài)、稀土永磁化合物、超磁致伸縮、巨磁電阻等新材料相繼發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，由于組織的微細(xì)化、晶體學(xué)方位的控制、薄膜化、超晶格等新技術(shù)的開發(fā)，其特性顯著提高。這些不僅對電子、信息產(chǎn)品等特性的飛躍提高作出了重大的奉獻(xiàn)，而且成為新產(chǎn)品開發(fā)的原動力。目前，磁性材料已成為支持并促進(jìn)社會開展的關(guān)鍵材料。下面從結(jié)構(gòu)和性能方面介紹幾種重要的磁性材料。一、高磁導(dǎo)率材料這類材料要求磁導(dǎo)率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，電阻高，損耗低，穩(wěn)定性好等。生產(chǎn)上為了獲得高磁導(dǎo)率的磁性材料：一方面要提高材料的MS值，這由材料的成分和原子結(jié)構(gòu)決定；另一方面要減小磁化過程中的阻力，這主要取決于磁疇結(jié)構(gòu)和材料的晶體結(jié)構(gòu)。主要應(yīng)用于電感線圈、小型變壓器、脈沖變壓器、中頻變壓器等的磁芯以及天線棒磁芯、錄音磁頭、電視偏轉(zhuǎn)磁軛、磁放大器等。理論上提高磁導(dǎo)率的條件：必要條件：MS要高；充分條件:原料雜質(zhì)少；密度要提高，即材料晶粒尺寸要大；結(jié)構(gòu)要均勻(晶界阻滯減小)；消除內(nèi)應(yīng)力；氣孔減少，另相減少(退磁場減弱)。二、磁性記錄材料磁記錄機(jī)是具有空氣縫隙的環(huán)形記錄磁頭。環(huán)是鐵鋁合金片或錳鋅鐵氧體等磁性材料制成。縫隙很小，小于0.001英寸。記錄用磁帶是用極細(xì)小顆粒的磁性材料和一種非磁性材料的粘和劑混合后涂敷在帶機(jī)而成。輸入訊號加到線圈形成的磁通進(jìn)入到磁帶內(nèi)，造成磁性顆粒的磁化，把信息保存在帶內(nèi)。顯然，磁記錄必須是硬磁材料。訊號讀出時(shí)，從記錄帶中磁偶極子發(fā)出的磁通沿磁阻小的磁頭磁芯進(jìn)入，在線圈中感應(yīng)出電訊號而讀出。所以對磁記錄介質(zhì)的磁性材料有類似永磁體的性質(zhì)，要求高的剩磁、矯頑力和Hm值。當(dāng)然為了能記錄短波長，無規(guī)那么噪聲要最低，磁疇要小，并且它能夠做成高強(qiáng)度，柔順而光滑的薄層。磁性材料和磁疇結(jié)構(gòu)及磁疇壁的移動有密切的關(guān)系。當(dāng)晶粒粒度減小到臨界尺寸大小，即一個(gè)細(xì)小的顆粒只能形成一個(gè)單疇時(shí)，材料的磁性質(zhì)會發(fā)生很大的變化，矯頑力急速增大。這是由于缺乏磁壁，各個(gè)顆粒僅僅依靠自旋磁矩矢量的同時(shí)旋轉(zhuǎn)來改變磁化，而這個(gè)過程又由于晶體磁各向異性的對抗變成很困難。此外，纖維狀晶粒，還有形狀各向異性來對抗它的旋轉(zhuǎn)，造成矯頑力增大。例如15微米的鐵纖維的矯頑力比通常的甚至高達(dá)一萬倍。但是顆粒太小，又由于熱起伏作用超過了交換力的作用，而喪失鐵磁性質(zhì)，這時(shí)的狀態(tài)稱超順磁體。三、高矯頑力材料硬磁材料也成為永磁材料，其主要特點(diǎn)是剩磁Br大，這樣保存的磁能就多，而且矯頑力HC也大，不容易退磁，否那么留下的磁能不易保存。因此用最大磁能積(BH)max就可以全面地反映硬磁材料儲有磁能的能力。最大磁能積(BH)max越大，那么在外磁場撤去后，單位面積所儲存的磁能也越大，性能也越好。此外對溫度、時(shí)間、振動和其它干擾的穩(wěn)定性也要好。這類材料主要用于磁路系統(tǒng)中作永磁以產(chǎn)生恒穩(wěn)磁場，如揚(yáng)聲器、微音器、拾音器、助聽器、錄音磁頭、電視聚焦器、各種磁電式儀表、磁通計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、示波器以及各種控制設(shè)備。最重要的鐵氧體硬磁材料是鋇恒磁BaFe12O19，它與金屬硬磁材料相比的優(yōu)點(diǎn)是電阻大、渦流損失小、本錢低。前面指出，磁化過程包括疇壁移動和磁疇轉(zhuǎn)向兩個(gè)過程，據(jù)研究，如果晶粒小到全部都只包括一個(gè)磁疇〔單疇〕，那么不可能發(fā)生壁移而只有疇轉(zhuǎn)過程，這就可以提高矯頑力。因此在生產(chǎn)鐵氧體的工藝過程中，通過延長球磨時(shí)間，使粒子小于單疇的臨界尺寸和適當(dāng)提高燒成溫度〔但不能太高，否那么使晶粒由于重結(jié)晶而重新長大〕，可以比較有效地提高矯頑力。另外，用所謂磁致晶粒取向法，即把經(jīng)過高溫合成和通過球磨的鋇鐵氧體粉末，在磁場作用下進(jìn)行模壓，使得晶粒更好地?fù)駜?yōu)取向，形成與外磁場根本一致的結(jié)構(gòu)，可以提高剩磁。這樣，雖然使矯頑力稍有降低，但總的最大磁能積(BH)max還有有所增加，從而改善了材料的性能。四、磁泡材料用單軸各向異性的磁性材料，切成薄片〔50微米〕或用晶體外延法生長制成薄膜，使易磁化軸垂直于外表，當(dāng)未加外磁場時(shí)，薄片由于自發(fā)磁化，產(chǎn)生帶狀磁疇，當(dāng)在外磁場的作用下，反向磁疇局部縮成分立的圓柱形磁疇，在顯微鏡下，它很像氣泡，所以稱為磁泡，直徑約為1～100微米。磁泡存儲器就是利用某一區(qū)域磁泡的存在與否表示二進(jìn)制碼“1〞和“0〞的信息，實(shí)現(xiàn)信息的存儲和處理。這種材料比磁矩鐵氧體具有存儲器體積小，容量大的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過研究，原那么上磁泡材料可獲得每平方英寸百萬位以上的容量，這對增大計(jì)算機(jī)容量和縮小體積具有很大的意義。五、磁性玻璃1.抗磁性玻璃不含過渡元素離子和稀土離子的普通玻璃，表現(xiàn)出抗磁性，且磁化率的絕對值非常小，例如石英玻璃的

=0.5×10-6。抗磁性物質(zhì)的磁化率與所含離子或原子的數(shù)量成正比。它們符合加和關(guān)系，與溫度無關(guān)。新型玻璃材料中法拉第旋轉(zhuǎn)玻璃就是利用了它的抗磁性。這種玻璃大多數(shù)都含有較多的鉛或Bi3+、Ti+、Sb3+等。抗磁性體中最為突出的例子是超導(dǎo)體，它表現(xiàn)出完全的抗磁性。金屬玻璃中有許多表現(xiàn)為超導(dǎo)性，如：Mo89P10B10、Mo64Ru16P20、Nb80Si