磁性物理学(绪论)（课堂PPT）

1、磁性物理学磁性物理学微电子与固体电子学院微电子与固体电子学院兰中文、谢建良兰中文、谢建良 E-mail: T E L: 83201574 课程性质与任务课程性质与任务 磁性物理磁性物理是电子科学与技术（固体电子工程）的一门重是电子科学与技术（固体电子工程）的一门重要专业基础课，也是当今信息技术的重要基础理论之一。要专业基础课，也是当今信息技术的重要基础理论之一。该课程涉及以下相关学科该课程涉及以下相关学科：高等数学高等数学 数理方程数理方程 量子力学量子力学 统计力学统计力学原子物理原子物理 电磁场理论电磁场理论 固体物理固体物理在强调基本理论与基本概念的基础上，用磁学理论解释各种在强调基本理

2、论与基本概念的基础上，用磁学理论解释各种磁现象，阐明有关磁现象的规律，磁现象，阐明有关磁现象的规律， 掌握磁性现象的内在规律掌握磁性现象的内在规律及其求解问题的思维方法（包括理论模型与理论计算）。为及其求解问题的思维方法（包括理论模型与理论计算）。为深入研究磁性材料与器件及电子信息工程打下良好的基础。深入研究磁性材料与器件及电子信息工程打下良好的基础。绪绪 论论参考书籍：参考书籍：1、北大、北大 铁磁学铁磁学 科学出版社科学出版社 19762、郭贻成、郭贻成铁磁学铁磁学 人民教育出版社人民教育出版社 19823、铁磁学铁磁学（上，中，下），戴道生，钟文定，廖绍彬等，（上，中，下），戴道生，钟文

3、定，廖绍彬等， 科学出版社科学出版社 2000年年 4、姜寿亭、姜寿亭 铁磁性理论铁磁性理论科学出版社科学出版社 19935、都有为、都有为 铁氧体铁氧体江苏科学技术出版社江苏科学技术出版社 19966、Physical Principles of Magnetism, Morrish A H, John Wiley and Sons Inc.,19657、The Quantum Theory of Magnetism, Norberto Majlis, World sci. Publising Co. Pte. Lfd. 2000考核方式：闭卷考核方式：闭卷成绩构成：平时成绩占成绩构成：平时

4、成绩占30 （作业、出勤、实验和期中考（作业、出勤、实验和期中考试），期末考试占试），期末考试占70。一、磁性物理学（铁磁学）概念一、磁性物理学（铁磁学）概念磁性是物质的基本属性之一。磁性是物质的基本属性之一。磁性起源：宏观观点：外磁场改变，系统能量也随之改变，磁性起源：宏观观点：外磁场改变，系统能量也随之改变， 表现出系统的宏观磁性；表现出系统的宏观磁性； 微观角度：带电粒子的运动形成物质的元磁矩，微观角度：带电粒子的运动形成物质的元磁矩， 磁矩取向有序，形成物质磁性。磁矩取向有序，形成物质磁性。磁性分类：磁性分类：1.1.弱磁性：仅在具有外磁场的情况下才能表现，随弱磁性：仅在具有外磁场的情

5、况下才能表现，随磁场增大而增强，有磁场增大而增强，有抗磁性和顺磁性抗磁性和顺磁性。前者起因于电磁感应，。前者起因于电磁感应，后者由于元磁矩在外场下的取向。后者由于元磁矩在外场下的取向。 2.2.强磁性：无外加磁场仍存在自发磁化。有限大的磁体强磁性：无外加磁场仍存在自发磁化。有限大的磁体分成若干各小区域，不同区域自发磁化方向不同，小区域成为分成若干各小区域，不同区域自发磁化方向不同，小区域成为磁畴。在外场下，由于磁畴的移动或畴内自发磁化方向的改变磁畴。在外场下，由于磁畴的移动或畴内自发磁化方向的改变而表现出很强的磁性。而表现出很强的磁性。另外具有居里温度，居里温度是衡量自另外具有居里温度，居里温

6、度是衡量自发磁化的微观作用大小的量度发磁化的微观作用大小的量度。分为。分为铁磁性、反铁磁性和亚铁铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性磁性，除反铁磁性外，通常称为铁磁性。，除反铁磁性外，通常称为铁磁性。（反铁磁性为弱磁性）（反铁磁性为弱磁性）定义：定义：磁性物理学是研究强磁性起源（自发磁化的成因）磁性物理学是研究强磁性起源（自发磁化的成因）及其在外界因素（如磁场、温度、应力等）作用下各种及其在外界因素（如磁场、温度、应力等）作用下各种物质的微观磁性和宏观磁性的变化规律（技术磁化）物质的微观磁性和宏观磁性的变化规律（技术磁化） ，并利用这些规律来为人类服务（应用磁学）的一门古老并利用这些规律来为人类服务（应

7、用磁学）的一门古老而又新兴的学科。而又新兴的学科。二、基本内容二、基本内容1 1、自发磁化：、自发磁化：涉及凝聚态物质磁性的微观机制，要求在涉及凝聚态物质磁性的微观机制，要求在原子或电子尺度求解问题，并形成自发磁化理论。原子或电子尺度求解问题，并形成自发磁化理论。2 2、技术磁化：、技术磁化：属于磁畴理论的范畴，要在磁畴或稍进一属于磁畴理论的范畴，要在磁畴或稍进一步的程度上求解，形成技术磁化理论。步的程度上求解，形成技术磁化理论。3 3、应用磁学：、应用磁学：研究与应用有关的磁性问题。研究与应用有关的磁性问题。具体来说，本课程内容包括：具体来说，本课程内容包括： 磁性起源与自发磁化磁性起源与自

8、发磁化 磁畴理论与技术磁化磁畴理论与技术磁化 磁化过程动力学磁化过程动力学 磁与光、电、热等的交叉效应磁与光、电、热等的交叉效应三、磁学发展概况三、磁学发展概况 三千多年前，人们就注意到物质的磁性。公元前四世三千多年前，人们就注意到物质的磁性。公元前四世纪我国使用磁石制成司南，即为世界上最早的指南针。纪我国使用磁石制成司南，即为世界上最早的指南针。梦溪笔谈梦溪笔谈不仅记载了从司南到指南针的发明，还总结不仅记载了从司南到指南针的发明，还总结了其制作和使用方法。了其制作和使用方法。 第一部磁学专著第一部磁学专著论磁石论磁石（英国的吉尔伯特著）（英国的吉尔伯特著）磁性作为一门科学，却是十九世纪前半期

9、开始发展：磁性作为一门科学，却是十九世纪前半期开始发展：1820年年丹麦丹麦奥斯特奥斯特 发现电流的磁效应发现电流的磁效应建立了磁与电的初步联系建立了磁与电的初步联系1820年年法国法国安培安培证明了通电圆形线圈会产生磁证明了通电圆形线圈会产生磁性，同时提出了性，同时提出了“分子电流分子电流”假说，奠定了磁学的理论基础。假说，奠定了磁学的理论基础。1831年年英国英国法拉第法拉第发现电磁感应定律，发现电磁感应定律，揭示了电与磁间的内在联系揭示了电与磁间的内在联系苏格兰苏格兰麦克斯韦麦克斯韦建立电磁场理论建立电磁场理论（麦克斯韦方程（麦克斯韦方程) 1845年年法拉第法拉第确定了抗磁性和顺磁性的

10、存在确定了抗磁性和顺磁性的存在 1895年年居里居里研究了抗磁性和顺磁性研究了抗磁性和顺磁性与与T的关系的关系1905年年郎之万郎之万利用拉莫进动和洛仑兹电子理论对上利用拉莫进动和洛仑兹电子理论对上述两种磁现象进行解释述两种磁现象进行解释1907年年法国法国WEISS建立铁磁现象的物理模型，奠定了现建立铁磁现象的物理模型，奠定了现代铁磁性理论的基础代铁磁性理论的基础 为解释磁性物质的磁性起源（自发磁化），人们提出了为解释磁性物质的磁性起源（自发磁化），人们提出了各种理论模型，主要有：各种理论模型，主要有：1、“分子场分子场”理论模型理论模型 Weiss提出的提出的 ，可解释磁化曲线及磁化特征，

11、但未解决，可解释磁化曲线及磁化特征，但未解决分子场本质及原子为何有磁矩。分子场本质及原子为何有磁矩。2、“交换作用交换作用”模型模型 1928年由海森堡提出，指出自发磁化起源于电子间静年由海森堡提出，指出自发磁化起源于电子间静电交换作用。电交换作用。3、局域电子模型与巡游电子模型、局域电子模型与巡游电子模型 采用相反的出发点，上述采用相反的出发点，上述“交换作用交换作用”模型理论逐渐模型理论逐渐分为两个学派：分为两个学派： a. 局域电子模型：解释稀土金属及合金的磁性局域电子模型：解释稀土金属及合金的磁性 （以实空间的局域电子态为出发点）（以实空间的局域电子态为出发点） 超超交交换换作作用用间

12、间接接交交换换作作用用作作用用理理论论)(RKKY b . 巡游电子模型：解释巡游电子模型：解释3d过渡金属的磁性过渡金属的磁性 （以倒空间（以倒空间波数空间的局域电子态为出发点）波数空间的局域电子态为出发点） 能能带带模模型型理理论论模模型型交交换换激激化化模模型型STONERHUBBARD11dd 二者相互对立又相互补充。二者相互对立又相互补充。4、“自旋涨落自旋涨落”理论理论 为使上述二模型统一，日本守谷提出为使上述二模型统一，日本守谷提出“自旋涨落自旋涨落”。对弱铁磁性及反铁磁性金属系统，考虑各自自旋涨落模式对弱铁磁性及反铁磁性金属系统，考虑各自自旋涨落模式间的耦合，同时，自洽地求出自

13、旋涨落，并计入热平衡状间的耦合，同时，自洽地求出自旋涨落，并计入热平衡状态，从而描述弱铁磁性及铁磁性的特征。态，从而描述弱铁磁性及铁磁性的特征。 对于铁磁体外场行为的研究，比较成熟的理论对于铁磁体外场行为的研究，比较成熟的理论 磁畴理论（毕特的粉纹法可证实其存在）。而定磁畴理论（毕特的粉纹法可证实其存在）。而定量的磁畴理论则是量的磁畴理论则是1935年由朗道与里弗西兹建立。年由朗道与里弗西兹建立。 但磁畴和畴壁是以假设而引入的，且求解过程但磁畴和畴壁是以假设而引入的，且求解过程中采用的自由能极小原理是在假设形成磁畴结构的限中采用的自由能极小原理是在假设形成磁畴结构的限制下应用，故此理论在体系上

14、是不完善的，计算磁畴制下应用，故此理论在体系上是不完善的，计算磁畴结构时难以给出精确的结果，故结构时难以给出精确的结果，故1940年布朗创立了年布朗创立了“微磁化理论微磁化理论 ”直接由铁磁体系内磁化矢量方直接由铁磁体系内磁化矢量方程求解。程求解。四、磁性物理学与技术的关系四、磁性物理学与技术的关系1.1.磁性在现代技术中的作用磁性在现代技术中的作用 2.2.磁性物理学是磁性应用的物理基础磁性物理学是磁性应用的物理基础磁学的形成与发展和磁性材料与器件的发展密切相关，磁学的形成与发展和磁性材料与器件的发展密切相关，磁性材料广泛应用的物理基础是其具有各种磁效应磁性材料广泛应用的物理基础是其具有各种

15、磁效应: : 电磁感应效应电磁感应效应 磁电阻效应磁电阻效应 压磁效应压磁效应 磁光效应磁光效应 磁热效应磁热效应 磁共振效应磁共振效应 它们反映出磁材受到磁与其他非磁因素它们反映出磁材受到磁与其他非磁因素( (电电, ,光光, ,热热, ,应应力等力等) )作用后作用后, ,伴随磁状态的改变所产生的性质伴随磁状态的改变所产生的性质, ,形成在技形成在技术应用上很有意义的特征。术应用上很有意义的特征。3.3.磁性物理学与磁性材料技术之间的基本模式磁性物理学与磁性材料技术之间的基本模式五、五、 磁性材料应用技术的发展方向：磁性材料应用技术的发展方向：1 1、高新磁材、高新磁材 四高：四高： )9

16、 . 2)/400)(/MA6 . 7)10(3max5TMmkJBHmHsci 高高饱饱和和磁磁化化强强度度（高高磁磁能能积积（）高高矫矫顽顽力力（高高起起始始磁磁导导率率 四巨：四巨：3ok000010250/Z50/ sZRR 巨巨磁磁致致伸伸缩缩材材料料料料巨巨磁磁光光克克尔尔旋旋转转特特性性材材巨巨磁磁阻阻抗抗效效应应材材料料效效应应材材料料阻阻巨巨磁磁电电电阻材料电阻材料巨磁巨磁隧道结效应隧道结效应一隧：一隧：庞磁电阻效应材料庞磁电阻效应材料一庞：一庞：0050/ RR2、新型磁信息存储、新型磁信息存储 GMR（巨磁电阻）磁头（巨磁电阻）磁头 GMR 随机存储器（随机存储器（RAM

17、） GMR与与GMI传感器传感器3、微型化磁性元器件、微型化磁性元器件 片式电感片式电感 薄膜磁性元件薄膜磁性元件 集成化微波铁氧体器件集成化微波铁氧体器件4、精确制导中应用的毫米波铁氧体器件、精确制导中应用的毫米波铁氧体器件（六角晶系）（六角晶系）5、电磁炮、电磁炮 美国美国1978年开始制造，现能在大气层外飞行轨迹中年开始制造，现能在大气层外飞行轨迹中段摧毁各种洲际弹道火箭弹头，在飞行轨迹后段摧毁潜段摧毁各种洲际弹道火箭弹头，在飞行轨迹后段摧毁潜水艇弹道火箭弹头，还能摧毁空间军用考察站及具有各水艇弹道火箭弹头，还能摧毁空间军用考察站及具有各种新型种新型 固定推进剂的洲际弹道火箭。固定推进剂

18、的洲际弹道火箭。 其结构类似于直流电动机，发射炮弹时，巨其结构类似于直流电动机，发射炮弹时，巨大的电流先通过上轨定向可熔铁芯，再沿下轨大的电流先通过上轨定向可熔铁芯，再沿下轨定向返回，磁力线运动时，磁场与铁芯中的感定向返回，磁力线运动时，磁场与铁芯中的感应电流相互作用，形成加速弹头的补充推力。应电流相互作用，形成加速弹头的补充推力。6、磁力显微技术、磁力显微技术 磁力显微镜（磁力显微镜（MFM） 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）7、核磁共振、核磁共振(NMR)技术技术 核磁共振光谱学（核磁共振光谱学（MRS） 核磁共振成像（核磁共振成像（MRI）8 8、电磁脉冲炸弹（、电磁脉冲炸弹（E

19、-bomb)E-bomb) 高强度的电磁脉冲原本是核武器在大气层爆炸时产生的一种电磁现象。高强度的电磁脉冲原本是核武器在大气层爆炸时产生的一种电磁现象。而电磁脉冲炸弹则是通过一种非核爆炸形式，把普通炸弹的机械能转化为而电磁脉冲炸弹则是通过一种非核爆炸形式，把普通炸弹的机械能转化为高强度的电磁脉冲能量的一种实际应用，是一种杀伤破坏力介于常规武器高强度的电磁脉冲能量的一种实际应用，是一种杀伤破坏力介于常规武器和核武器之间的新型大规模杀伤性炸弹。这种炸弹在目标上方爆炸后，会和核武器之间的新型大规模杀伤性炸弹。这种炸弹在目标上方爆炸后，会辐射出高强度的电磁脉冲，能使半径为数十公里内的飞机、雷达、电子计

20、辐射出高强度的电磁脉冲，能使半径为数十公里内的飞机、雷达、电子计算机、电视机、电话、手机等几乎所有的电子设备无法正常工作，甚至造算机、电视机、电话、手机等几乎所有的电子设备无法正常工作，甚至造成难以修复的严重物理损伤（其破坏力远远超过闪电，甚至可以利用管道、成难以修复的严重物理损伤（其破坏力远远超过闪电，甚至可以利用管道、电缆、攻击深埋在地底的掩体），从而使现代城市完全瘫痪。电缆、攻击深埋在地底的掩体），从而使现代城市完全瘫痪。 要点燃电磁脉冲炸弹，需启动电流通过定子线圈，产生一个电磁场。要点燃电磁脉冲炸弹，需启动电流通过定子线圈，产生一个电磁场。爆炸使铜管膨胀，导致线圈短路，将磁场向前压缩。高频放射的脉冲可使爆炸使铜管膨胀，导致线圈短路，将磁场向前压缩。高频放射的脉冲可使法拉第罩（静电屏蔽）等电子保护装置完全失效。法拉第罩（静电屏蔽）等电子保护装置完全失效。六、磁性问题的理论研究方法六、磁性问题的理论研究