磁性物理學(xué)緒論

關(guān)于磁性物理學(xué)緒論第1頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五

課程性質(zhì)與任務(wù)《磁性物理》是電子科學(xué)與技術(shù)（固體電子工程）的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是當(dāng)今信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論之一。該課程涉及以下相關(guān)學(xué)科：高等數(shù)學(xué)數(shù)理方程量子力學(xué)統(tǒng)計力學(xué)原子物理電磁場理論固體物理在強調(diào)基本理論與基本概念的基礎(chǔ)上，用磁學(xué)理論解釋各種磁現(xiàn)象，闡明有關(guān)磁現(xiàn)象的規(guī)律，掌握磁性現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律及其求解問題的思維方法（包括理論模型與理論計算）。為深入研究磁性材料與器件及電子信息工程打下良好的基礎(chǔ)。緒論第2頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五參考書籍：1、北大《鐵磁學(xué)》科學(xué)出版社19762、郭貽成《鐵磁學(xué)》人民教育出版社19823、《鐵磁學(xué)》（上，中，下），戴道生，鐘文定，廖紹彬等，科學(xué)出版社2000年4、姜壽亭《鐵磁性理論》科學(xué)出版社19935、都有為《鐵氧體》江蘇科學(xué)技術(shù)出版社19966、PhysicalPrinciplesofMagnetism,MorrishAH,JohnWileyandSonsInc.,19657、TheQuantumTheoryofMagnetism,NorbertoMajlis,Worldsci.PublisingCo.Pte.Lfd.2000考核方式：閉卷成績構(gòu)成：平時成績占30％（作業(yè)、出勤、實驗和期中考試），期末考試占70％。第3頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五一、磁性物理學(xué)（鐵磁學(xué)）概念磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性起源：宏觀觀點：外磁場改變，系統(tǒng)能量也隨之改變，表現(xiàn)出系統(tǒng)的宏觀磁性；微觀角度：帶電粒子的運動形成物質(zhì)的元磁矩，磁矩取向有序，形成物質(zhì)磁性。磁性分類：1.弱磁性：僅在具有外磁場的情況下才能表現(xiàn)，隨磁場增大而增強，有抗磁性和順磁性。前者起因于電磁感應(yīng)，后者由于元磁矩在外場下的取向。

2.強磁性：無外加磁場仍存在自發(fā)磁化。有限大的磁體分成若干各小區(qū)域，不同區(qū)域自發(fā)磁化方向不同，小區(qū)域成為磁疇。在外場下，由于磁疇的移動或疇內(nèi)自發(fā)磁化方向的改變而表現(xiàn)出很強的磁性。另外具有居里溫度，居里溫度是衡量自發(fā)磁化的微觀作用大小的量度。分為鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性，除反鐵磁性外，通常稱為鐵磁性。（反鐵磁性為弱磁性）第4頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五定義：磁性物理學(xué)是研究強磁性起源（自發(fā)磁化的成因）及其在外界因素（如磁場、溫度、應(yīng)力等）作用下各種物質(zhì)的微觀磁性和宏觀磁性的變化規(guī)律（技術(shù)磁化），并利用這些規(guī)律來為人類服務(wù)（應(yīng)用磁學(xué)）的一門古老而又新興的學(xué)科。二、基本內(nèi)容1、自發(fā)磁化：涉及凝聚態(tài)物質(zhì)磁性的微觀機制，要求在原子或電子尺度求解問題，并形成自發(fā)磁化理論。2、技術(shù)磁化：屬于磁疇理論的范疇，要在磁疇或稍進一步的程度上求解，形成技術(shù)磁化理論。3、應(yīng)用磁學(xué)：研究與應(yīng)用有關(guān)的磁性問題。具體來說，本課程內(nèi)容包括：磁性起源與自發(fā)磁化磁疇理論與技術(shù)磁化磁化過程動力學(xué)磁與光、電、熱等的交叉效應(yīng)第5頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五三、磁學(xué)發(fā)展概況

三千多年前，人們就注意到物質(zhì)的磁性。公元前四世紀(jì)我國使用磁石制成司南，即為世界上最早的指南針。《夢溪筆談》不僅記載了從司南到指南針的發(fā)明，還總結(jié)了其制作和使用方法。第一部磁學(xué)專著——《論磁石》（英國的吉爾伯特著）磁性作為一門科學(xué)，卻是十九世紀(jì)前半期開始發(fā)展：第6頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五第7頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五

為解釋磁性物質(zhì)的磁性起源（自發(fā)磁化），人們提出了各種理論模型，主要有：1、“分子場”理論模型

Weiss提出的，可解釋磁化曲線及磁化特征，但未解決分子場本質(zhì)及原子為何有磁矩。2、“交換作用”模型

1928年由海森堡提出，指出自發(fā)磁化起源于電子間靜電交換作用。3、局域電子模型與巡游電子模型采用相反的出發(fā)點，上述“交換作用”模型理論逐漸分為兩個學(xué)派：

a.局域電子模型：解釋稀土金屬及合金的磁性（以實空間的局域電子態(tài)為出發(fā)點）第8頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五b.巡游電子模型：解釋3d過渡金屬的磁性（以倒空間——波數(shù)空間的局域電子態(tài)為出發(fā)點）

二者相互對立又相互補充。4、“自旋漲落”理論為使上述二模型統(tǒng)一，日本守谷提出“自旋漲落”。對弱鐵磁性及反鐵磁性金屬系統(tǒng)，考慮各自自旋漲落模式間的耦合，同時，自洽地求出自旋漲落，并計入熱平衡狀態(tài)，從而描述弱鐵磁性及鐵磁性的特征。

第9頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五

對于鐵磁體外場行為的研究，比較成熟的理論－－磁疇理論（畢特的粉紋法可證實其存在）。而定量的磁疇理論則是1935年由朗道與里弗西茲建立。但磁疇和疇壁是以假設(shè)而引入的，且求解過程中采用的自由能極小原理是在假設(shè)形成磁疇結(jié)構(gòu)的限制下應(yīng)用，故此理論在體系上是不完善的，計算磁疇結(jié)構(gòu)時難以給出精確的結(jié)果，故1940年布朗創(chuàng)立了“微磁化理論”——直接由鐵磁體系內(nèi)磁化矢量方程求解。第10頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五四、磁性物理學(xué)與技術(shù)的關(guān)系1.磁性在現(xiàn)代技術(shù)中的作用

第11頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五第12頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五2.磁性物理學(xué)是磁性應(yīng)用的物理基礎(chǔ)磁學(xué)的形成與發(fā)展和磁性材料與器件的發(fā)展密切相關(guān)，磁性材料廣泛應(yīng)用的物理基礎(chǔ)是其具有各種磁效應(yīng):

電磁感應(yīng)效應(yīng)磁電阻效應(yīng)壓磁效應(yīng)磁光效應(yīng)磁熱效應(yīng)磁共振效應(yīng)它們反映出磁材受到磁與其他非磁因素(電,光,熱,應(yīng)力等)作用后,伴隨磁狀態(tài)的改變所產(chǎn)生的性質(zhì),形成在技術(shù)應(yīng)用上很有意義的特征。3.磁性物理學(xué)與磁性材料技術(shù)之間的基本模式第13頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五五、磁性材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向：1、高新磁材四高：四巨：第14頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五2、新型磁信息存儲

GMR（巨磁電阻）磁頭

GMR隨機存儲器（RAM）

GMR與GMI傳感器3、微型化磁性元器件片式電感薄膜磁性元件集成化微波鐵氧體器件4、精確制導(dǎo)中應(yīng)用的毫米波鐵氧體器件（六角晶系）5、電磁炮美國1978年開始制造，現(xiàn)能在大氣層外飛行軌跡中段摧毀各種洲際彈道火箭彈頭，在飛行軌跡后段摧毀潛水艇彈道火箭彈頭，還能摧毀空間軍用考察站及具有各種新型固定推進劑的洲際彈道火箭。第15頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五

其結(jié)構(gòu)類似于直流電動機，發(fā)射炮彈時，巨大的電流先通過上軌定向可熔鐵芯，再沿下軌定向返回，磁力線運動時，磁場與鐵芯中的感應(yīng)電流相互作用，形成加速彈頭的補充推力。6、磁力顯微技術(shù)磁力顯微鏡（MFM）掃描隧道顯微鏡（STM）7、核磁共振(NMR)技術(shù)核磁共振光譜學(xué)（MRS）核磁共振成像（MRI）第16頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五8、電磁脈沖炸彈（E-bomb)

高強度的電磁脈沖原本是核武器在大氣層爆炸時產(chǎn)生的一種電磁現(xiàn)象。而電磁脈沖炸彈則是通過一種非核爆炸形式，把普通炸彈的機械能轉(zhuǎn)化為高強度的電磁脈沖能量的一種實際應(yīng)用，是一種殺傷破壞力介于常規(guī)武器和核武器之間的新型大規(guī)模殺傷性炸彈。這種炸彈在目標(biāo)上方爆炸后，會輻射出高強度的電磁脈沖，能使半徑為數(shù)十公里內(nèi)的飛機、雷達、電子計算機、電視機、電話、手機等幾乎所有的電子設(shè)備無法正常工作，甚至造成難以修復(fù)的嚴(yán)重物理損傷（其破壞力遠遠超過閃電，甚至可以利用管道、電纜、攻擊深埋在地底的掩體），從而使現(xiàn)代城市完全癱瘓。要點燃電磁脈沖炸彈，需啟動電流通過定子線圈，產(chǎn)生一個電磁場。爆炸使銅管膨脹，導(dǎo)致線圈短路，將磁場向前壓縮。高頻放射的脈沖可使法拉第罩（靜電屏蔽）等電子保護裝置完全失效。第17頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五第18頁，共20頁，2022年，5月20日，14點14分，星期五六、磁性問題的理論研究方法原則上可以歸為兩步：

1、首先，應(yīng)用量子力學(xué)研究微觀粒子的磁性，根據(jù)微觀粒子的磁性