磁性物理學(xué)緒論

關(guān)于磁性物理學(xué)緒論第一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

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(jì)力學(xué)原子物理電磁場(chǎng)理論固體物理在強(qiáng)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(wèn)題的思維方法（包括理論模型與理論計(jì)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)。緒論第二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三參考書籍：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(jī)構(gòu)成：平時(shí)成績(jī)占30％（作業(yè)、出勤、實(shí)驗(yàn)和期中考試），期末考試占70％。第三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、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(diǎn)：外磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(chǎng)的情況下才能表現(xiàn)，隨磁場(chǎng)增大而增強(qiáng)，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(chǎng)下的取向。

2.強(qiáng)磁性：無(wú)外加磁場(chǎng)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(chǎng)下，由于磁疇的移動(dòng)或疇內(nèi)自發(fā)磁化方向的改變而表現(xiàn)出很強(qiáng)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）第四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三定義：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、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(lái)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(jī)制，要求在原子或電子尺度求解問(wèn)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(jìn)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(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，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(guò)程動(dòng)力學(xué)磁與光、電、熱等的交叉效應(yīng)第五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三三、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(guó)使用磁石制成司南，即為世界上最早的指南針?！秹?mèng)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(guó)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(kāi)始發(fā)展：第六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三第七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

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(chǎng)”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(chǎng)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(diǎn)，上述“交換作用”模型理論逐漸分為兩個(gè)學(xué)派：

a.局域電子模型：解釋稀土金屬及合金的磁性（以實(shí)空間的局域電子態(tài)為出發(fā)點(diǎn)）第八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三b.巡游電子模型：解釋3d過(guò)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(diǎn)）

二者相互對(duì)立又相互補(bǔ)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(duì)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(shí)，自洽地求出自旋漲落，并計(jì)入熱平衡狀態(tài)，從而描述弱鐵磁性及鐵磁性的特征。

第九頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

對(duì)于鐵磁體外場(chǎng)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(shí)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(guò)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(jì)算磁疇結(jié)構(gòu)時(shí)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。第十頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三四、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

第十一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三第十二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.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)之間的基本模式第十三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三五、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：第十四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、新型磁信息存儲(chǔ)

GMR（巨磁電阻）磁頭

GMR隨機(jī)存儲(chǔ)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(guó)1978年開(kāi)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(jìn)劑的洲際彈道火箭。第十五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

其結(jié)構(gòu)類似于直流電動(dòng)機(jī)，發(fā)射炮彈時(shí)，巨大的電流先通過(guò)上軌定向可熔鐵芯，再沿下軌定向返回，磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)與鐵芯中的感應(yīng)電流相互作用，形成加速?gòu)楊^的補(bǔ)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）第十六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三8、電磁脈沖炸彈（E-bomb)

高強(qiáng)度的電磁脈沖原本是核武器在大氣層爆炸時(shí)產(chǎn)生的一種電磁現(xiàn)象。而電磁脈沖炸彈則是通過(guò)一種非核爆炸形式，把普通炸彈的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度的電磁脈沖能量的一種實(shí)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(huì)輻射出高強(qiáng)度的電磁脈沖，能使半徑為數(shù)十公里內(nèi)的飛機(jī)、雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、電話、手機(jī)等幾乎所有的電子設(shè)備無(wú)法正常工作，甚至造成難以修復(fù)的嚴(yán)重物理?yè)p傷（其破壞力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(diǎn)燃電磁脈沖炸彈，需啟動(dòng)電流通過(guò)定子線圈，產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。爆炸使銅管膨脹，導(dǎo)致線圈短路，將磁場(chǎng)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(hù)裝置完全失效。第十七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三第十八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三六、磁性問(wèn)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