順磁性(paramagnetism)

當物質被施加一個外加磁場的時候，物質的磁化強度與外加磁場呈正比，

而且物質內部磁化方向與外加磁場方向相同，其磁化率χ 是一個很小的正數，

約在 10^-3~10^-6之間，如圖 14。因為順磁物質內部的原子軌道上有不成對的電子 出現，所以使得每個原子都有不為零的淨磁矩，由於整體物質內的原子所擁有 的磁矩方向不相同，順磁物質在不加外加磁場時的總磁矩幾乎為零。當有外加 磁場時，這些原子的磁矩會順應外加磁場的方向排列，產生微弱的磁化反應。

因為物質內部的磁矩與原子有關，所以很容易受到熱擾動的影響。 [29]

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圖 14 順磁物質的原子磁矩排列與磁化率與溫度關係

2.7.3 鐵磁性(Ferromagnetism)

一般鐵磁性物質都擁有很大的磁化率χ，常見的鐵磁性物質例如；鐵、

鈷、鎳及其化合物等等。鐵磁性物質和順磁物質一樣，他們的原子軌道上面的 電子有具有不成對的電子，因此其原子都具有一個不為零的磁矩。然而鐵磁物 質相鄰的原子之間有相互的作用力，使得鐵磁物質內部的原子會呈現規則的排 列，而產生許多的磁域(magnetic domain)。這現象使鐵磁性物質即使沒有受到外 加磁場的影響，每一個磁域內部的原子的磁矩也會排列整齊相互平行，指向同 一個方向。每個磁域都有具有一個飽和磁化磁值稱為自生磁化，這些自生磁化 的磁矩方向不一定相同，且磁域之間有著磁壁(domain wall)相隔，如圖 15 所 示。然而因為每個磁域的方向並不一致，所以整個鐵磁性物質的淨磁矩為零。

[28]

圖 15 磁性物質的磁域結構與外加磁場後的變化 [30]

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在受到外加磁場作用的清況之下，各磁域的自生磁化與外加磁場產生交互 作用，使自生磁域的方向與外加磁場方向相同。觀察磁化的過程，我們可以得 到一個磁滯曲線(hysteresis loop)，如圖 16 所示。

圖 16 典型的鐵磁性物質磁滯曲線 [31]

當外加磁場的強度逐漸增加沿著 1 走到 2 再移動到 3，所有的磁域內的磁 矩方向都排列成同一個方向時，這時整個鐵磁性物質的磁化強度達到一個飽和 值，稱為飽和磁化量(saturation magnetization, Ms)。當外加場開始減小，磁化強 度並不會沿著原來的路徑返回原點，在外加磁場歸零時整體磁化強度並未歸 零，而殘留的磁矩被稱為殘磁(remanence, Mr)。磁場繼續往反向增大會使磁化 強度歸零時，此時的外加磁場稱為矯頑力(coercive force, Hc)，這種磁化方向的 不可逆性稱為磁滯現象。我們可以藉由觀察磁滯曲線能瞭解鐵磁物質的各種特 性，較強磁性的物質會有一個較大的飽和磁場，殘磁也會比較大。矯頑場的的 大小會受到晶格異向性的影響，晶體的缺陷或是磁異向性可能會固定住磁壁的 變化，導致矯頑場大小的改變。而在溫度高於居里溫度的時候，本來排列整齊 的磁矩，會因為溫度影響使得鐵磁性消失轉變成為順磁性，當溫度降回到居里 溫度之下時，鐵磁物質又會再次呈現鐵磁的特性。

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圖 17 鐵磁物質的原子磁矩排列與磁化率與溫度關係