磁性物理學(xué)(緒論)

磁性物理學(xué)微電子與固體電子學(xué)院蘭中文、謝建良E-mail:jlxie@TEL:83201574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(shí)成績占30％（作業(yè)、出勤、實(shí)驗(yàn)和期中考試），期末考試占70％。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：僅在具有外磁場的情況下才能表現(xiàn)，隨磁場增大而增強(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下的取向。

2.強(qiáng)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(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）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、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(jī)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(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(dòng)力學(xué)磁與光、電、熱等的交叉效應(yīng)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?！秹粝P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：1820年丹麥奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)建立了磁與電的初步聯(lián)系1820年法國安培證明了通電圓形線圈會(huì)產(chǎn)生磁性，同時(shí)提出了“分子電流”假說，奠定了磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。1831年英國法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，揭示了電與磁間的內(nèi)在聯(lián)系蘇格蘭麥克斯韋建立電磁場理論（麥克斯韋方程)1845年法拉第確定了抗磁性和順磁性的存在1895年居里研究了抗磁性和順磁性χ與T的關(guān)系1905年郎之萬利用拉莫進(jìn)動(dòng)和洛侖茲電子理論對(duì)上述兩種磁現(xiàn)象進(jìn)行解釋1907年法國WEISS建立鐵磁現(xiàn)象的物理模型，奠定了現(xiàn)代鐵磁性理論的基礎(chǔ)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(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)）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(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。

對(duì)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(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，且求解過程中采用的自由能極