电子是不可区分的，两个电子交换位置的可能性, 交换作用所产生的能量变化就叫做交换能,记作Eex, it will have an extra local EM or 库仑 field
大学基础物理学 - 第 2 卷 - 第 750 頁 - Google 圖書結果
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磁性的起源和常见磁性材料应用 - 北京大学化学与分子工程学院
磁性的起源和常见磁性材料应用
陈阳，王皓，徐航，信跃龙
磁性，在很久以前就引起了人们的兴趣。早在 3000 多年前，中
国人就发现了自然界中存在一种磁石，它们可以相互吸引或吸引铁
石。人们以丰富地想象力将此现象比喻为母亲慈爱地对待幼儿，《吕
氏春秋·季秋记》中就有“慈石召铁，或引之也”的记述。现今汉语
中的“磁”字就来源于当时的“慈”。中国古代的四大发明之一的指
南针就是中国古代人民很早就开始利用磁性的实例。我们知道，所谓
磁石其实也就是铁矿石（一般为磁铁矿Fe3O4）。我们也知道，铁会被
磁铁吸引而且会被磁铁磁化。那么，它们为什么会有磁性或会被磁
化？磁性到底是怎样产生的呢？为了解释物质的宏观磁性的性质，我
们从原子着手来考察一下磁性的来源。
一、磁性的起源
“结构决定性质”。磁性当然也是由物质原子内部结构决定的。
原子结构与磁性的关系可以归纳为：
（1） 原子的磁性来源于电子的自旋和轨道运动；
（2） 原子内具有未被填满的电子是材料具有磁性的必要条
件；
（3） 电子的“交换作用”是原子具有磁性的根本原因。
1.电子磁矩的产生
原子磁性是磁性材料的基础，而原子磁性来源于电子磁矩。电子
的运动是产生电子磁矩的根源，电子有绕原子核旋转的运动和自身旋
转的运动，因此电子磁矩也是由电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩两
部分组成的。按照波尔的原子轨道理论，原子内的电子是围绕着原子
核在一定轨道上运动的。电子沿轨道的运动，相当于一个圆电流，相
应得就会产生轨道磁矩。原子中的电子轨道磁矩平面可以取不同方
向，但是在定向的磁场中，电子轨道只能去一定的几个方向，也就是
说轨道的方向是量子化的。
由电子电荷的自旋所产生的磁矩就称为电子自旋磁矩。在外磁场
作用下，自旋磁矩只可能与轨道磁矩平行或反平行。
很多磁性材料中，电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大。这是因为
在晶体中，电子的轨道磁矩要受晶格场的作用，它的方向是改变的，
不能形成一个联合磁矩，对外没有磁矩。这也即一般所谓的轨道动量
矩和轨道磁矩的“猝灭”或“冻结”。所以很多固态物质的磁性主要
不是由电子轨道磁矩引起的，而来源于电子自旋磁矩。当然这里还会
有原子核的自旋磁矩，但一般都比电子自旋磁矩小得多（相差三个数
量级），因此可以忽略不计了。
2.原子的磁矩
在原子中，由泡利不相容原理，原子中不可能有两个电子处于同
一状态。又一个轨道中最多容纳两个电子，所以当一个轨道被电子填
满，其中的电子对必然自旋相反，那么它们的电子自旋磁矩会互相抵
消。要想让原子对外形成磁矩，则必须有未被填满的电子轨道。当然
从实例中我们很容易可以看出，这只是一个必要条件。像 Cu、Cr、V
和大量镧系金属都有未被电子填满的轨道，但它们都不会显示出磁性
（具体指铁磁性）。
3.磁性分类
在讨论电子的交换作用前，我们还是先来看一下物质的宏观磁性
的表现。按照原子磁矩的作用互相叠加后在宏观上所表现出磁性的不
同，磁性材料可以分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁
性。
1）抗磁性
抗磁性是指没有磁场作用时，电子壳层被充满的原子的磁矩等于
零，或者有些分子的总磁矩为零，不表现宏观磁性。但在磁场作用下，
电子的轨道运动将产生一个附加运动，出现一个与外磁场方向相反但
数值很小的感应磁矩。这种现象就被称为抗磁性。像Na+、K+、Ca2+、
F-、Cl-等都是常见的抗磁性物质。
2）顺磁性
顺磁性是指原子都有未被抵消的磁矩，原子具有总磁矩，但是由
于原子磁矩方向是混乱的，对外作用互相抵消，也不表现为宏观磁性。
但在外加磁场的作用下，每个原子磁矩处于顺着外加磁场的时间较
多，而处于与外磁场方相反的时间较少，宏观上能显示出极弱的磁性，
事实上，这样物质也就磁化了。实验表明，温度越高，顺磁性物质的
磁化率就越低。这是因为热运动破坏了原子磁矩的规则取向，温度越
高，原子的热运动能量越大，要使原子磁性转向外加磁场越难，于是
磁化率就越低。
3）铁磁性
铁磁性是指临近原子由于互相作用，在加上外磁场时，能使磁矩
趋向于外磁场方向而整齐排列的现象。一般铁磁性物质即使在较弱的
磁场内也可得到很高的磁化强度；在外磁场移去后，仍可保留较强磁
性。
为什么铁磁性物质能够在很弱的磁场下磁化达到饱和呢？这是
因为这些物质内部的原子磁矩，在没有外加磁场的作用下，已经以某
种方式整齐排列达到一定程度的磁化，也就是一般所谓的自发磁化。
这种自发磁化是分为小区域的，在每一个小区域中，原子磁矩按同一
方向平行排列。这些小区域就被称为磁畴。在物质内部各个磁畴的自
发磁化取向是各不相同的，对外效果互相抵消，所以整个物质对外仍
不呈现出磁性。也即相当于铁磁性物质是由一个个小的“磁铁”按不
规则的方式组成的，在统计规律下对外没有磁性，但当有一个外力（外
磁场）将每个“小磁铁”的极性摆到相同的方向，即对外表现出强磁
性。铁磁性物质内部所存在的磁畴得自发磁化是铁磁性的重要原因。
这就可以解释为何“原子内具有未被填满的电子”只是物质具有磁性
的必要条件了。我们平时所说的磁性其实在严格意义上将应该是铁磁
性。因此像 Mn、Cr 等元素，内部虽然也有原子磁矩却不具有磁性(铁
磁性)。
4）反铁磁性
反铁磁性是指在磁场的作用下，邻近相同原子或离子的相互作
用，使电子自旋各作反向平行排列，磁矩相互抵消，在宏观上类似于
顺磁性而并不显示磁性。
5）亚铁磁性
亚铁磁性实质上是两种次晶格上的反向磁矩为完全抵消的反铁
磁性。它与铁磁性相同之处在于具有强磁性，和铁磁性的不同之处在
于其磁性来自于两种方向相反、大小不等的磁矩之差。
目前研究较多的铁氧体（由铁和其他一种或多种金属组成的复合
氧化物）都属于亚铁磁性物质。
亚铁磁性与反铁磁性有着密切得关系，从一种已知的反铁磁性结
构出发，经过元素的置换，可以配置成一种保持原来磁性结构的平行
排列，但两组次晶格的磁矩又不相等的亚铁磁性材料。
铁磁性材料和亚铁磁性材料统称为强磁性材料，是磁性材料的主
要发展方向。
4.交换作用
接下来我们就来看一看电子的交换作用是怎样影响电子自旋磁
矩以致影响物质宏观磁性的。
原子间的交换作用，一般是指由邻近原子的电子相互交换位置所
引起的静电作用。具体来说，当两个原子临近时，除考虑电子 1 在核
1 周围运动，以及电子 2 在核 2 周围运动外，由于电子是不可区分的，
还必须考虑两个电子交换位置的可能性，以至于电子 1 出现在核 2 周
围运动，电子 2 出现在核 1 周围运动。例如，氢原子中这种电子互相
交换位置时以约 1018次·s-1的频率进行的。由这种交换作用所产生的
能量变化就叫做交换能,记作Eex。
一般的，原子结合后的能量可表示为 E=E0+E’=E0+(C+A) 式中EO为各原子基态时的总能量；
C 为由原子核和电子之间的静电库仑作用而新增加的能量；
A 为交换电子后新增加的能量，一般称为交换能常数。A 决定于
近邻原子未充满的电子壳层互相接近的程度，它是一项衡量交换作用
大小的能量。
实验证明，氢分子两个电子交换作用所引起的能量变化（即交换
能Eex）可近似地按下式表示： Eex=ΔE=-2ASaSbcosφ 式中Sa、Sb为两个电子的自旋量子数表示。φ为两个电子的自旋
磁矩方向之间的夹角；φ可能的变化范围是 0o到 180o。
以上式子虽然是由只有一个电子的氢原子之间的交换作用所得
出的，但是对多电子的原子的交换作用的定性分析有普遍意义。从中
进一步分析可知：
1） 当A>0 时，若φ=180o，cosφ=-1,表明两个电子的自旋磁矩
方向相反，也就是说电子的自旋磁矩按反平行排列，Eex(180)=+2ASaSb；
若φ=0o, 表明两个电子的自旋磁矩的方向相同、电子的自旋磁矩按平
行排列；Eex(0)=-2ASaSb。又若 0o<φ<180o，则两个电子的自旋方向既
不相同也不相反，而是有一个夹角φ，它的交换能Eex也介乎两者之
间，即Eex(0)< Eex < Eex(180)。根据能量最小才是最稳定状态的基本定律
来分析，不难看出，只有当φ=0o时系统得能量最小，此时系统才处
于最稳定状态。相邻两个电子的自旋磁矩的方向相同，电子自旋磁矩
就一定按平行排列，这就产生里自发磁化，也就是物质铁磁性的由来。
2） 当A<0 时，只有φ=180o整个系统得能量才最小，也就是说
电子自旋的方向是按反平行排列的，是反铁磁性。
3） 当|A|很小时，这两个相邻原子的交换作用很弱，交换能Eex
很小，φ在 90o附近时能量都很低，因此磁矩的方向是混乱的，所以
物质是顺磁性。
综上所述，物质磁性的具体性质取决于 A，也即取决于近邻原子
未充满的电子壳层互相接近的程度。所以物质的磁性是由原子内电子
排布和物质晶体结构共同决定的。
磁性的特点使得目前磁性材料对于高新技术的发展变得非常重
要，是高科技发展的一个重要支柱。同时它也是现代科技中开发研究
较活跃的领域。由于磁性材料早当前信息社会的突出作用，一个国家
的磁性材料能反映其技术发展水平，对这种材料的需求量能反映一个
国家的经济状况和平均生活水平。接下来我们就对日常生活中常见的
磁性材料进行一些简述。
二、常见磁性材料应用
磁性材料这个名词主要指的是铁磁性和亚铁磁性材料。根据它们
的磁性分布可以分为硬磁（永磁）材料、半硬磁材料和软磁材料。
1） 软磁性材料
软磁性材料是指交容易磁化和去磁的材料，通常具有亚铁磁性。
它具有一些特殊的性质：
（1）通过外磁场的磁化，能够具有的最大磁感应强度较高；
（2）处于一定磁场强度的外磁场磁化下，软磁性材料自身能具
有较高的磁感应强度；
（3）软磁性材料磁畴移动的阻力较小。
正因为如此软磁性材料普遍运用于通讯、广播、电视、仪表以及
近代电子技术中，常见的为用作发电机和配电变压器铁芯。因为在这
些领域中需要磁性材料对外磁场的变化有高灵敏性反应，如果材料很
难被磁化或者磁化后磁性很难出去，则根本不能胜任这些领域给他们
的任务。而软铁磁性材料则正好符合这样的要求。
因此，软铁磁性材料是发展较早、品种最多、产量最多、应用最
广泛的磁性材料。
2）硬磁性材料
硬磁性材料又被称为永磁体，这是因为它经磁化后人能保持较强
的磁性，且可以向给定的空间长期提供一个不再消耗电能的恒定磁
场，正常是铁磁性物质。硬磁性材料被大量应用于电动机、发电机、
扬声器、轴承、紧固件和传动装置。硬磁性材料的永磁铁性正是这些
领域所需要的，像电动机和发电机都需要一个有恒定磁场的磁体来工
作，那么永磁铁就正好符合要求，而且获得磁性不需消耗电能。但是
由于硬磁性材料的可变性较低，使它具有较高的稳定性的同时，也限
制了它的使用范围。
3）半硬磁材料
半硬磁材料的性能介于软磁材料和硬磁材料之间。它的特点是在
小于一定的外部干扰磁场下具有稳定的剩余磁感应强度（类似硬磁性
材料），但在大于一定的反向磁场的条件下有易于改变磁化方向（类
似软磁性材料）。所以半硬磁材料是一种用作动态使用的材料，而自
当今趋于智能化的社会中，动态使用的情况日益增多，因此有很好的
发展前景。目前应用的有继电器、半固定存储器和警报器等。
磁记录介质就是当今社会较为重要的一种半硬磁材料，它被大量
的用于硬盘、磁带、信用卡等信息存储设备中。此时半硬磁材料的动
态作用就发挥得淋漓尽致了。
就拿硬盘为例，主要半磁性材料为磁盘部分。当磁盘旋转时，磁
头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨
迹，这些圆形轨迹就叫做磁道，它基本上是一个有间隙的磁路。在写
入过程中，计算机将信息转化成电流，传送到磁头周围的线圈，线圈
中的电流使磁头磁化。被磁化的磁头具有的磁场又会对磁道上的介质
进行磁化。由于电流大小不同，磁头具有的磁场会产生变化，对磁性
介质的磁化作用也会产生变化，也就记录下了不同的数据。随着磁头
和磁盘的运动，大量的信息也就被记录到了磁盘当中。而读出过程就
是沿着写入过程的相反方向运行，利用磁性介质的磁场对磁头产生磁
通变化，进而在线圈中产生大小不同的电流，作为电信号被计算机所
利用。
磁性材料在我们生活中正占着巨大的比重，它的重要性不言而
喻。我们相信，随着人们对磁性认识的加深和磁性材料技术的进步，
它在我们生活中会得到更广泛的应用。以上我们只是作了较为笼统和
浅显的分析，而了解其中更深层次的原理和如何控制磁性材料磁性的
特质，使其为我们所用，将是我们以后要不断前进的方向。
参考书目：
1. 周志华等，《材料化学》.北京：化学工业出版社，2005。
2. R·C·O’Handley[美]，《现代磁性材料原理和应用》. 北京：
化学工业出版社，2002。
3. 孙光飞，强文江，《磁功能材料》 .北京：化学工业出版社，2006。
4. 周志刚等，《铁氧体磁性材料》.北京：科学出版社，1981。
5. 宛德福，《磁性理论及其应用》.武汉：华中理工大学出版社，
1996。
6. 田民波，《磁性材料》.北京：清华大学出版社，2001。
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