磁性物理ppt课件

.,磁性物理1,固体磁性基础,.,磁学是一门研究物质磁性的学科,.,磁学是一门即古老又年轻的学科。磁学基础研究与应用的需求相互促进，在国防和国民经济中起着重要作用。磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。磁学运用到纳米学科-纳米磁学，MEMS的发展不可避免的会使用各种类型的磁性材料。,引言,.,1.中国古代的磁性,书名作者描述管子管仲慈(磁)石(645BC)鬼谷子鬼谷磁石吸针(400BC)吕氏春秋吕不韦(239BC)韩非子韩非司南(3rdcenturyBC)论衡王充司南勺(82/83AD)(东汉)武经总要曾公亮指南鱼：在地(1044AD,南宋)磁场下热处理,.,书名作者描述梦溪笔谈沈括指南针(1086AD,南宋)通过摩擦磁石磁化事林广记陈元靓针置于尖锐的竹尖上(1100-1250AD,宋)的a)木鱼，b)木龟上萍州可谈朱域航船夜观星星；日观(1119AD,南宋)太阳；多云之日使用指南针,1.中国古代的磁性,参考文献:李国栋,中国磁学的历史宋德生，李国栋，电磁学发展史,.,直接浮在水面上；置于指甲上；置于碗的边缘上；悬于绳子上。,中国古代制备指南针的方法,.,司南,汉（公元前206公元220年）。盘17.817.4厘米,勺长11.5，口径4.2厘米。司南由青铜地盘与磁勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下凹；圆外盘面分层次铸有10天干，十二地支、四卦，标示二十四个方位。磁勺是用天然磁体磨成，置于地盘中心圆内，勺头为N，勺尾为S，静止时，因地磁作用，勺尾指向南方。,此模型是王振铎先生据论衡等书记载并参照出土汉代地盘的研究复制。,.,西方的传说,牧羊人发现他的木棍的铁端，被一块石头牢牢吸住。这种石头在小亚细亚（AsiaMinor）、马其顿的Magnesia地区以及爱奥尼亚的Magnesia城都被发现过。人们相信“Magnetism”一字来源于这些地名。,.,磁学是一门即古老又年轻的学科,磁石：最早的著作DeMagneteW.Gibert18世纪奥斯特电流产生磁场；法拉弟效应在磁场中运动导体产生电流；安培定律构成电磁学的基础。电动机、发电机开创现代电气工业。,.,1907年P.Weiss的磁畴和分子场假说1919年巴克豪森效应1928年海森堡模型：用量子力学解释分子场起源1931年Bitter在显微镜下直接观察到磁畴1933年加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体1935年荷兰Snoek发明软磁铁氧体1935年Landau和Lifshitz考虑退磁场,理论上预言了磁畴结构1946年Bioembergen发现NMR效应1948年Neel建立亜铁磁理论1954-1957年RKKY相互作用的建立,.,1958年Mssbauer效应的发现1960年非晶态物质的理论预言1965年Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金1970年SmCo5稀土永磁材料的发现1982年扫描隧道显微镜,Brining和Rohrer,(1986年,AFM)1984年NdFeB稀土永磁材料的发现Sagawa1986年高温超导体，Bednortz-muller1988年巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibich2007诺贝尔奖A.Fert和P.Grnberg1994年CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO31995年隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki,.,Developmentandbranchesofmagnetism,.,磁学基础研究与应用的需求相互促进，在国防和国民经济中起着重要作用。磁学与其它学科交叉，如：信息、电气、交通、生物、药物、天文、地质、能源、选矿等,.,磁悬浮列车,.,硬磁驱动片,永磁马达,磁记录介质,磁头,1TB(1000GB)存储的文件可打印1亿令纸(500张为1令)，耗费5万多棵树；可存储播发16天的DVD品质的影音文件；可存储100万张图片；可连续播发2年的音乐。,计算机硬盘,.,永磁在汽车上的应用,起动马达,速度传感器,风扇马达,水泵马达,窗户升降,CD马达,安全带马达,油泵马达,雨刷马达,位置调整马达,太阳顶马达,前洗刷泵,功率操纵马达,前灯门马达,.,Compassing,GlobalPositionSystems,VehicleDetection,Navigation,RotationalDisplacement,PositionSensing,CurrentSensing,CommunicationProducts,TheWorldofMagneticSensors,.,磁学运用到纳米学科-纳米磁学,.,纳米是多长？,Lorke/CeNS,.,下一代磁硬盘的新材料,Z.B.Magneticcolloids,Spincoating,.,自组织,尺寸,高分辨透射电镜,FePt纳米颗粒,6nm,10Tb/inch2!,.,M.Hanzliketal./J.Magn.Magn.Mat.248(2002)258267,Magneticvibroid细菌，具有磁体构成的链，磁体稍长并且之间有约8nm宽的间隙。标尺为0.5m.,磁性细菌束,B,Nahrung,LakeChiemsee(Bavaria),磁细菌束(a)一单元含有3-5捆磁体链，近圆小珠含有聚硫体。标尺为1m(b)链捆的内部结构，标尺为0.1m。,TransmissionelectronmicrographofMagnetobacteriumbavaricum,arod-shapedmagnetotacticbacteriumfromLakeChiemsee(UpperBavaria)withfourbundlesofchainsofmagnetosomes.Individualcellscontainingupto1000hook-shapedmagnetosomesyieldmagneticmomentsashighas(10-60)x10-12Gaussccm,whichisonetotwoordersofmagnitudemorethanthevaluescharacteristicofothermagnetotacticbacteria.Thelargeelctron-opaquebodiesinsidethecellconsistofsulphur,themagnetosomesaremadeofmagnetiteandmeasure,onaverage,100nm.,.,学习传统的磁学基本理论为今后有可能的进一步研究和应用做好准备，打好基础！,.,参考书,冯端等著，金属物理学，凝聚态物理丛书，第四卷，超导电性和磁性。科学出版社（1998)宛得福，磁性物理，电子科技出版社CHIKAZUMI,PhysicsofFerromagnetsm.2ndEdition，OxfordUniversityPress廖绍彬，钟文定铁磁学（上，中，下），科学出版社,.,第一章固体磁性基础,17世纪早期WilliamGilbert研究过的内容,吉尔伯特（1544-1603）是英国著名的医生、物理学家。他于1544年5月24日生在英国科尔切斯特市一个大法官家里。年轻时就读于剑桥大学圣约翰学院，攻读医学，获医学博士学位。毕业后已成为英国名医。由于他医术高明，1601年担任英国女王伊丽莎白一世的御医，直到1603年11月30日逝世。吉尔伯特在科学方面的兴趣，远远超出了医学范围。在化学和天文学方面有渊博的初识，但他研究的主要领域还是在物理学中。他用观察、实验方法科学地研究了磁与电的现象，并把多年的研究成果，写成名著论磁，于1600年在伦敦出版。,.,主要内容：,引言-世上万物都有磁性磁矩磁化强度和退磁场磁化曲线和磁滞回线磁路磁学中的单位,.,实验：磁场约为16Tesla，置于一强磁体的32mm孔中(320.000倍地磁场)NijmegenHighFieldMagnetLaboratory,草莓是磁性的吗？,.,悬浮的西红柿,NijmegenHighFieldMagnetLaboratory,.,无重力的水珠,NijmegenHighFieldMagnetLaboratory,.,结论,世上万物都有磁性分类为强磁性和弱磁性应用于科技和工程上的磁性材料意为强磁性物质,最早的磁铁矿主要为,.,1-1.磁矩,1-1-1磁偶极子,1、磁极，磁荷,指北端:正磁极，N指南端:负磁极，S相似于正,负电荷,.,.,、磁偶极矩,吸引,排斥,磁学的最直观的表现形式,同号磁极相斥，异号磁极相吸极上的正磁荷：；极上的负磁荷：点磁荷：磁极尺寸l，忽略l2项,.,为r和l之间的夹角,.,2、磁偶极子在空间某点的磁场强度,.,1.1.4.磁体在外磁场中的磁位能,1、磁体在均匀磁场中受到力矩的作用,.,均匀磁场中,在磁场剃度中,.,当0时，磁体受的力矩最小，处于稳定状态从不等于0到等于0，表明磁体在力矩L作用下转到和磁场一致的方向转矩所做的功使磁体在磁场中的位能降低。,放置m2与r成2角度m1、m2在同一平面,2、磁体在外磁场中的磁位能,.,If1=2,1=2;,.,3、地磁场,地磁场可以描述为位于地球中心的一根条形磁铁。地磁轴和地轴之间的夹角为11。地磁场的大小随地球的位置而不同根据1970年的数据:北极位于加拿大的Bathurst岛,南极位于Antarctic海岸.,.,1.1.5.B和H极其关系,静磁学中，空间任一点的磁场可用B和H来描写。B和H都是矢量。在自由空间，B和H方向始终平行，数值上成比例，即：,在磁介质内部，B和H关系复杂，二者不一定平行。相互表达的关系式为：,B的单位是“特斯拉（T）或者Wb/m2，J为磁极化强度，是磁介质内磁偶极矩被H极化的贡献。,.,“0”,“1”,1-2磁化强度和退磁场,.,1.2.1、磁性材料和磁化强度,磁性材料可分为强磁性和弱磁性材料，前者能被永磁体吸引，后者的磁性只有用灵敏的仪器才能检测。当磁性材料被均匀磁化时，单位体积的磁矩称作为磁化强度，表示为：,单位:Wbm-2=T(tesla),1T=104/4gauss=7.9102gauss,比磁化强度，单位为Am2/kg，表示为：=m/Vd,1.磁化强度的定义,.,分子电流说中闭合电流环和磁化强度的关系：假定磁性材料内部由很多基本的闭合电流环充满，而相邻方向相抵消，只有表面一层上的电流未抵消。,当所有的磁矩大小都相等时，磁化强度：,为磁极密度；为单位横截面位移的磁极数。定义磁化强度为单位横截面位移的磁极数,磁化强度的不同概念：基本磁矩集合，磁极位移和内部电流-相同结果,.,2.电磁感应测量磁化强度,插入磁芯感应电压增加,施加磁场垂直于线圈截面,磁感应强度可以看作为：材料中的磁感应强度和真空中的磁感应强度之和,.,-磁导率(magneticpermeability)；单位都是：H/m,3.磁化率和磁导率,磁化率(magneticsusceptibility)，表明磁化程度；,.,4.边界条件：B的法向分量是连续的。运用高斯定理：,.,(2)H的切向分量是连续的。运用安培环路定律,.,1.2.2、铁磁材料的磁化和退磁场,退磁状态(M=H=0):H增加，M沿OABC增加，并最终达到饱和磁化强度，记为Ms,1.磁化曲线,可逆磁化,在OA段为可逆磁化，超过这段，磁化过程不再可逆。如果将磁场从B点的值减小，磁化强度不是沿BAO，而是沿一个小回线BB下降。,.,曲线OA的斜率称作起始磁化率a。BB的斜率称作为可逆磁化率或增量磁化率rev。在起始磁化曲线OABC上任意一点的斜率称为微分磁化率。diffrevirr连接原点O和起始磁化曲线上任一点的直线的斜率称作为总磁化率tot。总磁化率的最大值，即从原点O画直线与起始磁化曲线相切的直线的斜率，为最大磁化率max。,.,3.磁滞回线,H从饱和状态减小，M不沿原来的路径减小，并在H0时达到非零值，称为剩余磁化强度Mr；H沿负方向进一步增加时，M进一步减小，最终降到0。这时的磁场绝对值称为矫顽力Hc。H改变一周得到的M闭合回线称磁滞回线。Ms不超过2.5T；Hc（0.1Oe-2500Oe）。,.,4.退磁场,材料的磁化曲线，不仅仅依赖于磁化率，还依赖于磁体的形状。当有限大的样品被磁化时，两端出现磁极，产生一个反向磁场。称为退磁场。N为退磁因子，仅与样品形状有关。如沿长轴磁化的细长样品，N=0；粗短样品，N就很大。,.,沿垂直表面方向磁化的半无限大的平板的退磁因子：,设磁化强度为M，则平板两面的自由磁极的面密度为M(Wb/m2)，使用高斯定理：,沿表面方向磁化的半无限大的平板的退磁因子N0,.,如果样品是不规则的，退磁场将是不均匀的，随样品中位置不同而变化。无法定义简单的退磁因子。能严格计算退磁因子的样品形状椭球体。椭球中，退磁场是均匀的，可以证明沿三个主轴方向的退磁因子：Nx+Ny+Nz=1长轴细化的细长椭球：,k为纵横比，k1,.,对于近于圆盘形状的扁圆形椭球,对于球,沿长轴磁化的圆柱体,.,沿长轴磁化的圆柱体和椭球体的退磁因子,.,往往实验所得的磁滞回线和真实的磁滞回线由于退磁场存在不同二者相比犹如受一切变。作用在材料上的真实的外磁场小于实际所加的外磁场。,实验所得的磁滞回线需要校正为真实的磁滞回线。或样品做成一定的形状。要注意饱和磁滞回线。,.,磁化强度为M的空腔内的磁场,空腔表面上自由磁极的分布与一个和空腔形状相同的实体表面上的自由磁极分布相同。空腔表面上自由磁极产生的场与一个和空腔形状相同的实体内部产生的退磁场大小相等，方向相反。因此空腔内磁场方向和周围磁体的M同向,.,1-3磁路1-3-1磁路,对于介电材料，在没有真实电荷时，总有,对于磁性材料，总有,.,对于导电介质中，也有,如果导体由绝缘体包围，情况就简单了。如：导线，电导率高，空气中电导率低，因此电流总是沿导线流动。类比电解质，08.8510-12F/m，对于介电常数为的介质，总有电力线漏到真空中去。类比磁介质，情况介于电导率和电解质之间。0410-7，磁通密度基本完全限制在磁性材料之中。,.,安培环路定律,介质中的安培环路定律,电路处理磁路,.,平均半径为R,匝数为N,磁导率为的螺绕环,当电流i0通过其线圈时，计算H,BandM,无磁芯,有磁芯,.,磁路定律,磁路中的磁通密度B对应于电路中的电流密度i，磁路中的总磁通量：,对比电路中的电动势，定义磁路中的磁通势,.,两个不同磁路：软磁永磁如果一个磁路有一个或几个分路，我们用克希霍夫第一定律：,.,Exercise1：,1、CalculatethemagneticmomentofasphereofradiusRmadefromamagneticmaterialwithmagneticsusceptibility,whenitismagnetizedbyanexternalmagneticfieldH.Howisthevalueofthemomentchangedinthelimitof？,2、Calculatetheintensityofmagneticfieldintheairgapofthemagneticcircuitshowninthefigure.UsethevaluesN=200，i5A，S1=2.510-3m2，S2=510-4m2，l11m，l20.01m，500。,.,1-3-2静磁能,1、永磁体组成的系统磁极强度m1、m2mimn，相应每个磁极位置的磁势1、2in，则系统总磁势能是：,如果自由磁极分布在密度为m的空间里，则能量由体积积分：,.,也可以在给定的边界条件下解Poisson方程,或解没有磁极处的Laplace方程,在铁磁介质中，感应的自由磁极密度可用磁化强度表示：,如果材料是均匀的，Ms大小应该是常数，,.,举例：沿径向磁化的球：,解以上方程得：,由泊松方程：,静磁能：,.,静磁能也可以用M和H来表示，设第k个磁体的长度是lk，则磁矩为：,.