磁性是个复杂的问题。首先,如果通常物质中,所有电子都成对了,那么电子的轨道运动会微弱地抵抗外界磁场(楞次定律),这样的物质叫反磁质,比如水银,大部分有机物。反磁性物质没有自发的磁化,磁化率是负的。
如果物质中有未成对的电子,那么电子自旋的磁矩占主导地位,反磁性退居其次。单个电子自旋的磁矩会趋于和外磁场一致,磁化率为正。但物质中实际含有大量未成对电子,没有外磁场的时候,由于晶格相互作用,以及热扰动,磁矩方向的分布会很复杂。所以含有未配对电子的物质还要细分为铁磁质,顺铁磁质,反铁磁质,亚铁磁质。由于晶格相互作用很复杂,不做实验的话,目前很难直接通过理论精确预言材料的磁学性质。
铁磁质,有未配对电子,而且格点相互作用使得不同格点上电子自选磁矩同向排列的势能较低,热扰动相对不重要,无外磁场时,电子自旋磁矩趋于同向排列,有自发的磁化(永磁),比如常温下的铁,钴,镍,一些稀土永磁体。
反铁磁质,有未配对电子,但不同格点上电子自选磁矩反向排列的势能较低,热扰动相对不重要,无外磁场时,相邻格点电子自旋磁矩趋于反向排列,总磁矩相互抵消,没有自发的磁化。比如常温下的铬。
顺铁磁质,有未配对电子,但热扰动很大,这时,电子自旋是随机排列,没有自发的磁化,但磁化率是正的,比如三价的铬盐。当温度降低,热扰动不重要时,根据格点的相互作用类型,顺铁磁质可以变成铁磁质或反铁磁质。比如,铁在居里温度(1043K)之上是顺铁磁质,在居里温度下是铁磁质。
亚铁磁质,类似于反铁磁质,相邻格点上电子自旋磁矩趋于反向排列,但相邻格点上是不同粒子,未成对电子数不同,导致总磁矩不能相互抵消,所以有自发的磁化。常温下 Fe3O4 就是一种亚铁磁质,它的晶格中二价铁离子和三价铁离子的磁矩不同。
总之,只有铁磁质和亚铁磁质有自发磁化(永磁性),但在过渡金属及其化合物中,这两类物质并不罕见。常温下,Mn-Bi 合金,CrO2, Fe2O3 等都是铁磁性的,当然Fe2O3 的铁磁性很弱。而Fe3O4 以及类似的混合氧化物 Fe2O3-MnO, Fe2O3-CuO 等等是亚铁磁质。
