第一章1 磁學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)

1、前情回顧前情回顧定義：磁性物理學(xué)是研究強(qiáng)磁性起源（自發(fā)磁定義：磁性物理學(xué)是研究強(qiáng)磁性起源（自發(fā)磁化的成因）及其在外界因素（如磁場(chǎng)、溫度、化的成因）及其在外界因素（如磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等）作用下各種物質(zhì)的微觀(guān)磁性和宏觀(guān)磁應(yīng)力等）作用下各種物質(zhì)的微觀(guān)磁性和宏觀(guān)磁性的變化規(guī)律（技術(shù)磁化）性的變化規(guī)律（技術(shù)磁化） ，并利用這些規(guī)律，并利用這些規(guī)律來(lái)為人類(lèi)服務(wù)（應(yīng)用磁學(xué)）的一門(mén)古老而又新來(lái)為人類(lèi)服務(wù)（應(yīng)用磁學(xué)）的一門(mén)古老而又新興的學(xué)科。興的學(xué)科。二、基本內(nèi)容二、基本內(nèi)容1 1、自發(fā)磁化：涉及凝聚態(tài)物質(zhì)磁性的微觀(guān)機(jī)制、自發(fā)磁化：涉及凝聚態(tài)物質(zhì)磁性的微觀(guān)機(jī)制，要求在原子或電子尺度求解問(wèn)題，并形成自，要求在原子

2、或電子尺度求解問(wèn)題，并形成自發(fā)磁化理論。發(fā)磁化理論。2 2、技術(shù)磁化：屬于磁疇理論的范疇，要在磁疇或稍進(jìn)、技術(shù)磁化：屬于磁疇理論的范疇，要在磁疇或稍進(jìn)一步的程度上求解，形成技術(shù)磁化理論。一步的程度上求解，形成技術(shù)磁化理論。3 3、應(yīng)用磁學(xué)：研究與應(yīng)用有關(guān)的磁性問(wèn)題。、應(yīng)用磁學(xué)：研究與應(yīng)用有關(guān)的磁性問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，本課程內(nèi)容包括：具體來(lái)說(shuō)，本課程內(nèi)容包括： 磁疇理論與技術(shù)磁化磁疇理論與技術(shù)磁化 磁化過(guò)程動(dòng)力學(xué)磁化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 磁與光、電、磁與光、電、 磁性起源與自發(fā)磁化磁性起源與自發(fā)磁化 熱等的交叉效應(yīng)熱等的交叉效應(yīng)1.1 1.1 磁性、磁場(chǎng)和基本磁學(xué)量磁性、磁場(chǎng)和基本磁學(xué)量1.2 1.2 原子的

3、磁性原子的磁性1.3 1.3 宏觀(guān)物質(zhì)的磁性質(zhì)宏觀(guān)物質(zhì)的磁性質(zhì)1.4 1.4 磁性體的熱力學(xué)基礎(chǔ)磁性體的熱力學(xué)基礎(chǔ) 本章回顧和總結(jié)我們?cè)诒菊禄仡櫤涂偨Y(jié)我們?cè)陔姶艑W(xué)電磁學(xué)，原子物理原子物理等基礎(chǔ)課中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的有關(guān)磁性知識(shí)，等基礎(chǔ)課中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的有關(guān)磁性知識(shí)，明確和統(tǒng)一明確和統(tǒng)一我我們將要用到的相關(guān)物理量的定義、符號(hào)、單位及相關(guān)公們將要用到的相關(guān)物理量的定義、符號(hào)、單位及相關(guān)公式，建立起我們深入學(xué)習(xí)的平臺(tái)；式，建立起我們深入學(xué)習(xí)的平臺(tái)；歸納和總結(jié)歸納和總結(jié)物質(zhì)磁性物質(zhì)磁性的宏觀(guān)表現(xiàn)，的宏觀(guān)表現(xiàn)，明確本課程要解決的問(wèn)題明確本課程要解決的問(wèn)題。這些內(nèi)容都是。這些內(nèi)容都是最基礎(chǔ)的，最常用的，也是大家最

4、基礎(chǔ)的，最常用的，也是大家必須掌握和熟悉必須掌握和熟悉的。的。第一章第一章 磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.1 1.1 磁性、磁場(chǎng)和基本磁學(xué)量磁性、磁場(chǎng)和基本磁學(xué)量 磁場(chǎng)磁場(chǎng)：在場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)受到作用力的物理場(chǎng)在場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)受到作用力的物理場(chǎng)。 電磁學(xué)給出的定義：(見(jiàn)胡有秋等電磁學(xué)p202)FqvB F：運(yùn)動(dòng)電荷 q 受到的力；q：電荷量； v：電荷運(yùn)動(dòng)速度； B 稱(chēng)作磁通密度磁通密度或磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度，是表征磁場(chǎng)方向和大小的物理量。其單位是 ：特斯拉（T = NA-1m-1 = Wbm-2）。 這里和使用電場(chǎng)強(qiáng)度 E 表述電場(chǎng)大小和方向不同的原因是因?yàn)樵诓捎眠\(yùn)動(dòng)電荷受力確定磁場(chǎng)之前，磁

5、場(chǎng)強(qiáng)度 H 這個(gè)名字已經(jīng)被用于其它的定義。在有磁介質(zhì)存在的情況下，在有磁介質(zhì)存在的情況下，磁場(chǎng)是傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)和介質(zhì)磁化以后產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)是傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的外磁場(chǎng)和介質(zhì)磁化以后產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)的矢量疊加。磁場(chǎng)的矢量疊加。而為了方便地表達(dá)出有磁介質(zhì)存在時(shí)的磁場(chǎng)規(guī)律，仍保留沿用了已有確切定義的磁場(chǎng)強(qiáng)度概念。 沒(méi)有磁介質(zhì)存在（M = 0）只有傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，表述磁場(chǎng)的兩個(gè)物理量之間才存在著簡(jiǎn)單關(guān)系： 磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是： 0BH1A m 采用采用運(yùn)動(dòng)電荷運(yùn)動(dòng)電荷受力情況來(lái)表征和定義磁場(chǎng)清楚地表明：受力情況來(lái)表征和定義磁場(chǎng)清楚地表明： 磁場(chǎng)既不同于使磁場(chǎng)既不同于使靜止靜止電荷受力的電場(chǎng)；也不同于

6、因物質(zhì)電荷受力的電場(chǎng)；也不同于因物質(zhì)質(zhì)量質(zhì)量而受到作用力的引力場(chǎng)；更不同于而受到作用力的引力場(chǎng)；更不同于微觀(guān)粒子微觀(guān)粒子受到的強(qiáng)作用場(chǎng)受到的強(qiáng)作用場(chǎng)和弱作用場(chǎng)。和弱作用場(chǎng)。0BHM M：物質(zhì)的磁化強(qiáng)度； ：真空磁導(dǎo)率：072-10410 N A (H m ) 在上述磁場(chǎng)定義下，磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 只是作為與磁場(chǎng)中任意點(diǎn)的磁通密度相聯(lián)系的一個(gè)軸矢量而引入的。磁性磁性： 磁性是物質(zhì)的一種基本屬性，正像物質(zhì)具有質(zhì)量一樣，它磁性是物質(zhì)的一種基本屬性，正像物質(zhì)具有質(zhì)量一樣，它的特征是：物質(zhì)在磁場(chǎng)中要受到磁力的作用的特征是：物質(zhì)在磁場(chǎng)中要受到磁力的作用。在具有梯度的磁場(chǎng)中，物質(zhì)受力的大小和方向反映著物質(zhì)

7、磁性的特征。01xzxmBFmBz m 是物質(zhì)質(zhì)量；Bz是磁感應(yīng)強(qiáng)度； 是表征磁性特征的物理量，稱(chēng)是表征磁性特征的物理量，稱(chēng) 作質(zhì)量磁化率。作質(zhì)量磁化率。m 磁化率的大小和方向反映出物質(zhì)磁性的特征。粗略可以粗略可以分為分為：（通常人們習(xí)慣說(shuō)有磁物質(zhì)和無(wú)磁物質(zhì)是不科學(xué)的） 弱磁性物質(zhì)： 抗磁性物質(zhì)： 順磁性物質(zhì)： 強(qiáng)磁性物質(zhì)： 10m0, S， J 的取值為：,1,JLS LSLS（共2S+1個(gè)值） 如果 L S， J 的取值為：,1,JLS LSSL（共2L+1個(gè)值）其總角動(dòng)量：(1)JPJ J在磁場(chǎng)方向上的投影是量子化的，多值的。此時(shí)不能立即給出兩個(gè)電子的總磁矩。因?yàn)榭倓?dòng)量矩總動(dòng)量矩和總磁矩

8、的方向是不重合的。和總磁矩的方向是不重合的。(1) , (1) (1) , 2(1)LLBSSBPL LL LPS SS S顯然，合成后的 和 不在同一方向上，為了得到 的值，必須將 投影到 的軸線(xiàn)上。 JPL SJPL SJcos()cos()JLLJSSJP PP P可以證明：(1)JJBgJ J(1)(1)(1)12 (1)3(1)(1) 22 (1)JJ JS SL LgJ JS SL LJ J JPL SJ 從上面的例子中可以看出，L,S,J 有多種取值方式，這就導(dǎo)致有多個(gè) PJ和J值，它們中的哪一組數(shù)值對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的最低能量因而是穩(wěn)定狀態(tài)下的取值？洪德依據(jù)對(duì)原子光譜分析給出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)

9、法則： 1. 在泡利原理許可的條件下，總自旋量子數(shù) 取最大值。 2. 在滿(mǎn)足條件 1 的前提下，總軌道量子數(shù) 取最大值。 3. 當(dāng)電子數(shù)未達(dá)到電子殼層總電子數(shù)的一半時(shí)， 總角量子數(shù)： 當(dāng)電子數(shù)達(dá)到或超過(guò)電子殼層總電子數(shù)的一半時(shí)， 總角量子數(shù)取：四四. . 基態(tài)的確定基態(tài)的確定-洪德法則：洪德法則：sSmlLmJLSJLS 有時(shí)將原子的量子態(tài)用光譜學(xué)的方法來(lái)標(biāo)記：21SJL將總自旋量子數(shù)、總角量子數(shù)的數(shù)字填入相應(yīng)位置即可，總軌道量子數(shù) L = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ，分別記為： S, P,D, F, G, H, I,例如：某元素的基態(tài)記作：492F即指該元素基態(tài)的總自旋量子數(shù)

10、：S = 3/2總軌道量子數(shù)：L= 3 總角量子數(shù)：J = 9/2五五. . 原子磁矩計(jì)算舉例：原子磁矩計(jì)算舉例：(1s)2,(2s)2,(2p)6,(3s)2,(3p)6,(4s)2,(3d)10,(4p)6,(5s)2,(4d)10,(5p)6,(6s)2,(4f)14,(5d)10, Fe 原子：Z = 26, 電子分布是： 3d6 根據(jù)洪德法則1，5個(gè)電子自旋占據(jù)5個(gè) 的 ms 狀態(tài)，另一個(gè)只能占據(jù) 的 ms 狀態(tài)，所以總自旋：12121151222S 210( 1)( 2)224lLmJLS （根據(jù)法則 2）（根據(jù)法則 3，電子數(shù)超過(guò)一半）3(1)(1)1.522 (1)(1)6.7

11、JJjBBS SL LgJ JgJ J2(1)4.9SBBS S 2. Cr+3 離子：Cr 原子 Z = 24，所以Cr+3 電子組態(tài)為 3d3133222103320.4JSLJLSg (1)0.7746JJBBgJ J電子數(shù)不到半滿(mǎn)，2(1)3.87SBBS S與實(shí)驗(yàn)值相比， 更接近，這是因?yàn)槭艿骄?chǎng)作用，軌道角動(dòng)量被凍結(jié)的緣故，只有自旋磁矩起作用。S離子磁距計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的比較：離子磁距計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的比較：見(jiàn)黃昆見(jiàn)黃昆固體物理學(xué)固體物理學(xué)p403-404姜書(shū)姜書(shū)p34 有相同表有相同表3d4的J 為零，但有4MB磁矩，因?yàn)?d電子軌道角動(dòng)量被凍結(jié) 以上關(guān)于物質(zhì)磁性惟一來(lái)源于磁矩的觀(guān)點(diǎn)，統(tǒng)稱(chēng)為

12、磁矩學(xué)說(shuō)，或稱(chēng)為磁偶極矩學(xué)說(shuō)。一個(gè)很明確的結(jié)論是不存在磁單極。 1931年狄拉克從理論上論證了磁單極子存在的可能性。但至今還未曾從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)磁單極子。電與磁有很多相似的地方, 但麥克斯韋方程組不對(duì)稱(chēng)0eDtBE0 BtDjHe0 1931年狄拉克首先提出磁單極子理論使電磁方程組變得對(duì)稱(chēng)，0mBtBjEm0而且：（1） （2）不違反物理學(xué)的基本規(guī)律； （3）還涉及宇宙演化和基本粒子結(jié)構(gòu)等重大科學(xué) 問(wèn)題從理論上探討了磁單極子的一些重要的 和新的特性。 從實(shí)驗(yàn)上探測(cè)磁單極子的研究曾進(jìn)行的轟轟烈烈，上天入地去尋找磁單極子的存在，1975年，1982年，發(fā)生過(guò)兩次被認(rèn)為是觀(guān)測(cè)到磁單極子的事件。)221(hcnqqem？和做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的電荷e 產(chǎn)生電流 je 和磁場(chǎng)B一樣，做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的磁荷 g 也會(huì)產(chǎn)生磁流 jm 和電場(chǎng)E，？和做圓周運(yùn)動(dòng)的電荷e 產(chǎn)生電流 je 和磁場(chǎng)B一樣