[科普中国]-铁磁转变温度

物质的磁性现象存在一个临界温度，在此温度之上，铁磁性会消失而变成顺磁性，在此温度之下铁磁性才会保持。 对于铁磁性和亚铁磁性物质，此温度被称为居里温度（虽然都称为居里温度，但二者是有差别的）；对于反铁磁性物质，此温度被称为奈尔温度。铁磁转变温度包括居里温度和奈尔温度。

铁磁性铁磁性（Ferromagnetism）指的是一种材料的磁性状态，具有自发性的磁化现象。各材料中以铁最广为人知，故名之。

某些材料在外部磁场的作用下得而磁化后，即使外部磁场消失，依然能保持其磁化的状态而具有磁性，即所谓自发性的磁化现象。 所有的永久磁铁均具有铁磁性或亚铁磁性。

基本上铁磁性这个概念包括任何在没有外部磁场时显示磁性的物质。至今依然有人这样使用这个概念。但是通过对不同显示磁性物质及其磁性的更深刻认识，学者们对这个概念做了更精确的定义。 一个物质的晶胞中所有的磁性离子均指向它的磁性方向时才被称为是铁磁性的。 若其不同磁性离子所指的方向相反，其效果能够相互抵消则被称为反铁磁性。 若不同磁性离子所指的方向相反，但是有强弱之分，其产生的效果不能全部抵消，则称为亚铁磁性。

物质的磁性现象存在一个临界温度，在此温度之上，铁磁性会消失而变成顺磁性，在此温度之下铁磁性才会保持。 对于铁磁性和亚铁磁性物质，此温度被称为居里温度（虽然都称为居里温度，但二者是有差别的）；对于反铁磁性物质，此温度被称为奈尔温度。

有人认为磁铁与铁磁性物质之间的吸引作用是人类最早对磁性的认识。

原理[编辑]铁磁性的原理可由两个量子力学描述的现象成功的预测：自旋和泡利不相容原理。

电子的自旋加上其轨道角动量导致一个偶极子磁矩和形成一个磁场。在大多数物质中所有电子的总偶极磁矩为零。只有电子层不满的原子（电子不成对）可能在没有外部磁场的情况下表现一个净磁矩。铁磁性物质有许多这样的电子。假如它们排列在一起的话它们可以一起产生一个可观测得到的宏观场。

这些偶极趋于指向外部磁场的方向。这个现象被称为顺磁性。铁磁性物质的偶极趋于在没有外部磁场的情况下也指向同一方向。这是一个量子力学现象。

按照经典电磁学，两个临近的磁偶极趋于指向相反的方向，因此，它们的磁场会互相抗拒，互相抵销。但是，由于单独自旋产生的磁场很小，这效应很微弱，形成的排列很容易就会被热涨落（thermal fluctuation）摧毁。在有些物质里，由于一种称为交换相互作用（exchange interaction）的特别量子力学效应，自旋与自旋彼此之间方向的改变，会导致临近电子静电排斥力的改变。在近距离，交换相互作用会比偶极-偶极磁相互作用强劲很多。因此，对于铁磁性物质，临近电子的自旋趋于指向同样的方向。

根据泡利不相容原理，两个自旋相同的电子不能占有同样的位置。因此，两个临近原子的位于最外电子层的不成对价电子，当它们的轨域相互重叠时，假若自旋方向相同（平行自旋），则电荷分布会比较分散，否则，电荷分布会比较集中。所以，促使自旋方向相同这动作会降低电势能，使得平行自旋态更为稳定。简言之，因库伦力而互相排斥的电子，借着平行自旋使得电荷分布更加分散，从而降低电势能。这能量差称为交换能（exchange energy）。

在长距离上（数千离子）交换能的作用逐渐被经典偶极相对排列的趋势掩盖，这是在平衡（没有磁性的）情况下铁磁性物质的偶极总的来说不排列起来的原因。在没有磁性的铁磁性物质中其磁偶极被分割在外斯畴中。每个外斯畴内部短距离地磁偶极排列指向同一方向，但是在长距离上不同外斯畴的磁偶极的排列不一致。不同外斯畴之间的边界被称为畴壁，畴壁内原子之间的指向逐渐更改。

因此一块铁一般没有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一个足够强的外部磁场中，所有外斯畴会沿着这个磁场排列，在外部磁场消失后这些外斯畴会继续保存其同一的指向。这个磁场与外部磁场之间的关系由一条磁滞曲线描写。虽然这个排列整齐的外斯畴的能量不是最低的，但是它非常稳定。在海底的磁铁矿会上百万年地指向它形成时的地磁场方向。通过加热再在没有外部磁场的情况下冷却磁铁的磁场会消失。

温度升高后热振荡（或熵）与铁磁性的偶极排列竞争。温度高于居里点后晶体内发生二级相变，整个系统无法磁化，在有外部磁场的情况下这时铁磁性物质显示顺磁性。在居里点下对称破缺，外斯畴形成。居里点本身是一个阈值，理论上这里的磁化率为无穷大，虽然这里没有磁化，但是在任何长度范围内均有类似外斯畴的自旋波动。

尤其是使用简化了的伊辛自旋模型来研究铁磁性相变对统计物理学的发展起了巨大作用。在这里平均场理论明显地无法正确地预言居里点上的现象，需要被重整化群理论取代。1

居里点居里点（Curie point）又作居里温度（Curie temperature，Tc）或磁性转变点。是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10。居里点由物质的化学成分和晶体结构决定。1

奈尔温度奈尔温度（Néel temperature），TN，指的是反铁磁性材料转变为顺磁性材料所需要达到的温度。在这个温度的时候，晶体内部的原子内能会大到足以破坏材料内部宏观磁性排列，从而发生相变，由反铁磁性转变为顺磁性。

奈尔温度可类比于居里温度TC（相对于铁磁性而言）。它是因纪念1970年诺贝尔物理学奖得主、法国物理学者路易·奈尔（1904年-2000年）而得名。2

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本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学