固体磁性与磁测量基本原理

1、固体磁性与磁测量基本原理磁学是一门研究物质磁性的学科固体磁性与磁测量基本原理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。引言固体磁性与磁测量基本原理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 (3rd century BC) 论衡 王充 司南勺 (82/83 A

2、D) (东汉) 武经总要 曾公亮 指南鱼：在地 (1044 AD,南宋) 磁场下热处理固体磁性与磁测量基本原理 书名 作者 描述 梦溪笔谈 沈括 指南针 (1086 AD,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 (1119 AD,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，电磁学发展史固体磁性与磁测量基本原理 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 固体磁性与磁测量基本

3、原理司 南 汉（公元前206公元220年）。盘厘米,勺长，口径厘米。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。 固体磁性与磁测量基本原理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（Asia Minor）、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。固体磁性与磁

4、测量基本原理磁学是一门即古老又年轻的学科磁石：最早的著作18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。固体磁性与磁测量基本原理1907年 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 Nee

5、l建立亜铁磁理论1954-1957年 RKKY相互作用的建立固体磁性与磁测量基本原理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 Sagawa 1986年 高温超导体，Bednortz-muller1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 2007诺贝尔奖和P.Grnberg 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaC

6、aMnO31995年 隧道磁电阻TMR的发现固体磁性与磁测量基本原理Development and branches of magnetism 固体磁性与磁测量基本原理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、选矿等固体磁性与磁测量基本原理磁悬浮列车固体磁性与磁测量基本原理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。计算机硬盘固体磁性与磁测量基

7、本原理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固体磁性与磁测量基本原理CompassingGlobal Position SystemsVehicle DetectionNavigationRotational DisplacementPosition SensingCurrent SensingCommunication ProductsThe World of Magnetic Sensors固体磁性与磁测量基本原理磁学运用到纳米学科-纳米磁学固体磁性与磁测量基本原理100 m1 mm

8、10 m1 m100 nm10 nm纳米是多长？Lorke/CeNS固体磁性与磁测量基本原理下一代磁硬盘的新材料Z.B. Magnetic colloidsSpin coating固体磁性与磁测量基本原理43 3 % Fe3.6 0.1 nm48 2 % Fe3.6 0.1 nm58 3 % Fe3.6 0.1 nm70 3 % Fe2.6 0.1 nm25 nmFe70 Pt30自组织尺寸高分辨透射电镜FePt 纳米颗粒6 nm10 Tb / inch2 !固体磁性与磁测量基本原理M. Hanzlik et al. / J. Magn. Magn. Mat. 248 (2002) 25826

9、7Magnetic vibroid 细菌，具有磁体构成的链 ，磁体稍长并且之间有约8 nm 宽的间隙。标尺为 0.5 m.磁性细菌束BNahrungLake Chiemsee (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 1 m (b) 链捆的内部结构，标尺为 0.1 m。Transmission electron micrograph of Magnetobacterium bavaricum, a rod-shaped magnetotactic bacterium from Lake Chiemsee (Upper Bavaria) with

10、four bundles of chains of magnetosomes. Individual cells containing up to 1000 hook-shaped magnetosomes yield magnetic moments as high as (10-60)x10-12 Gauss ccm, which is one to two orders of magnitude more than the values characteristic of other magnetotactic bacteria. The large elctron-opaque bod

11、ies inside the cell consist of sulphur, the magnetosomes are made of magnetite and measure, on average, 100 nm. 固体磁性与磁测量基本原理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！固体磁性与磁测量基本原理参考书冯端等著，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, Physics of Ferromagnetsm. 2nd Edition，Oxford University

12、 Press廖绍彬，钟文定铁磁学（上，中，下），科学出版社固体磁性与磁测量基本原理第一章 固体磁性基础17世纪早期William Gilbert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

13、，并把多年的研究成果，写成名著论磁，于1600年在伦敦出版。固体磁性与磁测量基本原理主要内容：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固体磁性与磁测量基本原理实验：磁场约为16 Tesla，置于一强磁体的 32mm 孔中 (320.000 倍 地磁场) Nijmegen High Field Magnet Laboratory草莓是磁性的吗？固体磁性与磁测量基本原理悬浮的西红柿Nijmegen High Field Magnet Laboratory固体磁性与磁测量基本原理无重力的水珠Nijmegen High Field Magnet Laboratory

14、 固体磁性与磁测量基本原理结论 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固体磁性与磁测量基本原理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, 负电荷固体磁性与磁测量基本原理、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项固体磁性与磁测量基本原理为r和l之间的夹角固体磁性与磁测量基本原理2、磁偶极子在空间某点的磁场强度固体磁性与磁测量基本原理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

15、矩的作用固体磁性与磁测量基本原理均匀磁场中在磁场剃度中固体磁性与磁测量基本原理当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固体磁性与磁测量基本原理If 1=2, 1 = 2; 固体磁性与磁测量基本原理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.固体磁性与磁测量基本

16、原理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。固体磁性与磁测量基本原理写入磁性数据的“Bit”态 “0” 和 “1”“0”“1”1-2 磁化强度和退磁场固体磁性与磁测量基本原理、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：

17、单位: Wb m -2 = T(tesla), 1 T = 10 4/4 gauss = 7.910 2 gauss比磁化强度，单位为Am2/kg，表示为： = m / Vd1.磁化强度的定义固体磁性与磁测量基本原理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-相同结果固体磁性与磁测量基本原理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

18、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固体磁性与磁测量基本原理-磁导率 (magnetic permeability)；单位都是：H/m3. 磁化率和磁导率磁化率(magnetic susceptibility)，表明磁化程度；固体磁性与磁测量基本原理4. 边界条件：B的法向分量是连续的。运用高斯定理：固体磁性与磁测量基本原理(2) H的切向分量是连续的。运用安培环路定律固体磁性与磁测量基本原理、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Ms1. 磁化曲线可逆磁化在OA段为可逆磁化，超过这段，

19、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。固体磁性与磁测量基本原理曲线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。diff rev irr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。固体磁性与磁测量基本原理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H 0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

20、 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；Hc（）。固体磁性与磁测量基本原理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。固体磁性与磁测量基本原理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固体磁性与磁测量基本原理如果样品是不规则的，退磁场将是不均匀的

21、，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，k1abcXYZ固体磁性与磁测量基本原理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固体磁性与磁测量基本原理沿长轴磁化的圆柱体和椭球体的退磁因子固体磁性与磁测量基本原理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。固体磁性与磁测

22、量基本原理磁化强度为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同向固体磁性与磁测量基本原理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，总有固体磁性与磁测量基本原理对于导电介质中，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，08.8510-12 F/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

23、解质之间。 0410-7，磁通密度基本完全限制在磁性材料之中。固体磁性与磁测量基本原理安培环路定律介质中的安培环路定律电路处理磁路固体磁性与磁测量基本原理平均半径为 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, B and M无磁芯有磁芯固体磁性与磁测量基本原理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固体磁性与磁测量基本原理两个不同磁路：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：固体磁性与磁测量基本原理Exercise 1：1、Calculate the magnetic

24、moment of a sphere of radius R made from a magnetic material with magnetic susceptibility , when it is magnetized by an external magnetic field H. How is the value of the moment changed in the limit of ？2、Calculate the intensity of magnetic field in the air gap of the magnetic circuit shown in the f

25、igure. Use the values N=200，i5A，S1=2.510-3m2， S2=510-4m2，l11m，l2，500。固体磁性与磁测量基本原理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、 2 i n，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：固体磁性与磁测量基本原理 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，固体磁性与磁测量基本原理举例：沿径向磁化的球：解以上方程得：由泊松方

26、程：静磁能：固体磁性与磁测量基本原理静磁能 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：固体磁性与磁测量基本原理静磁能 也可以用B和H来表示，在真空中，在软磁材料中，固体磁性与磁测量基本原理1-4 磁学中的单位制1-4-1 国际单位制（SI）各个科学技术领域各种量的计量单位都统一在一个单位制中，叫国际单位制。主要来自于MKSA有理制：基本量是：长度：米（m）；重量：千克（kg）；时间：秒（s）；电流：安培（A）其他电磁学量可以根据一定的物理关系式导出固体磁性与磁测量基本原理1-4-2 高斯单位制是一种混合单位制，在电磁学的绝对静电单位制和绝对电磁单位制的基础上建立起来。1、绝对静电单位制（CGSE或）取长度、质量和时间三个量为基本量，基本单位为厘米（cm）、克（g）、秒（s）。电量的单位是第一导出单位，由库仑定理中r为厘米、力为1达因，k1导出。所有的电磁学量的单位无特别的名称，都以CGSE或来标记。虽