什麼是亞鐵磁性

反平行排列之兩種次晶格的磁矩大小不同,留下相當於差值之自發磁化的磁性。磁鐵礦等鐵氧體是代表例。

日文名稱: フェリ磁性

「亞鐵磁性」出現在1領域的1道練習題中(磁性材料等)。

這個名詞所屬的領域: 磁性材料

由奈爾說明的磁性

亞鐵磁性是晶體中2種位置(次晶格)上的磁矩反平行排列,留下相當於大小差值之自發磁化的磁性。磁鐵礦這類磁性氧化物很早就被當作磁鐵而為人所知,但其磁化遠小於鐵磁性金屬這件事,是藉此想法才首次得到說明。1948年法國的奈爾提出理論,並以包含反鐵磁性的研究於1970年獲得諾貝爾物理學獎。在氧化物中,經由金屬離子之間氧離子的超交換作用,使磁矩反平行排列。

隨溫度的特徵

2個次晶格的磁化隨溫度減少的方式不同,因此整體磁化的溫度變化可能呈現與鐵磁體不同的形狀。在部分稀土族鐵石榴石中,低溫時一方的次晶格佔優勢,高溫時另一方佔優勢,中途兩者互相抵消而出現磁化為0的補償溫度,釓鐵石榴石的補償溫度在室溫附近。自發磁化消失的溫度稱為居里溫度,磁鐵礦約為580℃。其上的順磁性區域中,磁化率的倒數對溫度不成直線而畫出彎曲的線,這也是特徵。

與鐵磁性、反鐵磁性的差異

從外部看,亞鐵磁體與鐵磁體非常相似,具有磁區、呈現磁滯,也會被磁鐵吸住。要區別兩者,可用中子繞射調查各次晶格的磁矩方向,或把飽和磁化與原子磁矩的總和比較。磁鐵礦 Fe₃O₄ 實測的飽和磁化為每化學式約4 µB,遠小於3個鐵離子磁矩的總和,這是亞鐵磁性的典型證據。反鐵磁性中2個次晶格的磁矩相等而完全抵消,因此不留下自發磁化。

鐵氧體的用途

呈現亞鐵磁性的代表性材料是鐵氧體,有 MFe₂O₄ 的尖晶石型、BaFe₁₂O₁₉ 或 SrFe₁₂O₁₉ 的磁鉛石型(六方晶)、Y₃Fe₅O₁₂ 的石榴石型等。由於是氧化物,電阻率比金屬高出好幾個數量級,即使在高頻下也不易產生渦電流,因此錳鋅系與鎳鋅系的尖晶石型用於交換式電源的變壓器與抑制雜訊的零件。六方晶鐵氧體的磁晶異向性大,作為便宜且不生鏽的永久磁鐵大量用於馬達等,石榴石型則用於微波元件。

練習亞鐵磁性的題目

下列關於磁鐵礦(Fe₃O₄)等鐵氧體所呈現之亞鐵磁性的敘述,何者正確?

  1. A所有原子的磁矩都平行排列,本質上與鐵磁性相同
  2. B兩種次晶格的磁矩反平行排列,且大小相等,因此整體的自發磁化為0
  3. C兩種次晶格的磁矩反平行排列,但大小不同,因此無法互相抵消而留下自發磁化
查看答案與解析

正確答案:C. 兩種次晶格的磁矩反平行排列,但大小不同,因此無法互相抵消而留下自發磁化

在亞鐵磁體中,晶體中兩種位置(次晶格)上的磁矩藉由交換作用彼此反平行排列。然而兩者磁矩的大小或數目不同,無法完全抵消,因此留下相當於差值的自發磁化。巨觀上它與鐵磁體一樣呈現磁區與磁滯,但飽和磁化比鐵等鐵磁性金屬小。全部平行排列的是鐵磁性,反平行且大小相等而互相抵消的是反鐵磁性。鐵氧體是氧化物,電阻率高而不易產生渦電流,因此用於高頻用的磁芯。

常見問題

磁性材料的鐵氧體與鋼組織的肥粒鐵是相同的東西嗎?

不同。磁性材料的鐵氧體是呈現亞鐵磁性之鐵氧化物的總稱。鋼的肥粒鐵是具有體心立方結構的鐵(α鐵)及其固溶體之組織的名稱,呈現鐵磁性。兩者在日文與英文中名稱相同(ferrite),但物質與磁性種類都不同。

亞鐵磁體的飽和磁化為何小?

因為2個次晶格的磁矩反平行排列,只留下差值。此外,在氧化物中,沒有磁矩的氧離子占了大部分體積,因此單位體積的磁矩也少。所以鐵氧體的飽和磁通密度約在0.5 T左右,比鐵的約2.2 T小。

補償溫度是什麼?

在2個次晶格磁化之溫度變化不同的亞鐵磁體中,兩者大小恰好相等、整體磁化為0的溫度。在此溫度上下,決定整體磁化方向的次晶格會互換。光磁記錄材料曾利用此溫度附近的性質。

出現「亞鐵磁性」的題目(1題)

  1. 下列關於磁鐵礦(Fe₃O₄)等鐵氧體所呈現之亞鐵磁性的敘述,何者正確?

相關名詞

磁區 飽和磁化 最大能量積 渦電流損 超順磁性 磁晶異向性 磁壁

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