铁磁性物质,包括铁、钴、镍及其化合物与合金等材料,主要特性是具有很大的「磁化率」,亦即 χ 值为一很大的正数。铁磁性物质与顺磁性物质一样,原子本身都具有「不成对电子」而造成原子的「净磁矩」不为 0。不过铁磁性物质与顺磁性物质有一个非常不同的地方,就是铁磁性物质邻近两个原子之磁矩彼此间会有「交互作用」,此交互作用使得邻近的磁矩会指向同一方向,这是一种「量子效应」。铁磁性物质的磁性行为可以用「磁域,magnetic domain」的观念来作概述。

每个磁域介于几微米到 1 毫米间

纵使没有外加磁场,铁磁性物质仍拥有来自「自旋电子」并且排列整齐的磁矩。同一个磁域内的磁矩,因磁域中原子磁偶极矩间的强烈「耦合作用」,使得各磁矩互相平行排列,且指向同一方向,亦即每一个磁域本身便有一饱和磁化值,称为「自生磁化」。这些磁域之间有「磁壁,domain wall」相隔,每一个磁域内包含了数百万个小磁矩。在外加磁场时,不同磁域磁矩之指向并不相同,如图所示,整个铁磁性物质的总磁矩为 0。

为什么磁铁可以吸引铁、钴、镍?

由于热能会导致铁磁性物质的磁偶极矩偏离完美的平行排列方式。当温度渐渐升高时,若温度增加至热能大于铁磁性物质的磁偶极矩平行排列的交换能时,因磁矩受到热激发的扰乱,使得排列秩序开始变得凌乱,这时,铁磁材料的铁磁性消失而转变成「顺磁性」。这个磁性性质发生变化时的温度即称为「居里温度,Curie point,TC」。当铁磁性材料从高温降温至低于「居里温度」时,铁磁性磁域将再形成,材料变回铁磁性。

一般常见的铁磁性材料块材,Fe 的居里温度约为 770℃,Co 的居里温度约为 1,123℃,Ni 的居里温度约为 358℃。以 29Ni/17Co/ Fe 合金的熔点为 1,450℃,换言之,该合金熔化成液态时已经超过「居里温度」,所以不再具有磁性;其熔点为 1,594℃,同样超过居礼温度,所以也不再具备磁性了。

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