磁性物理：绪论

磁性物理学绪论教学目的：磁学基本理论和概念磁现象磁现象内在规律求解问题的思维方法磁性材料理论及应用研究教材：宛德福，马兴隆《磁性物理学》电子工业出版社1999参考书籍：1、姜寿亭《凝聚态磁性物理》科学出版社20062、戴道生《铁磁学》（上）科学出版社2000

钟文定《铁磁学》（中）科学出版社2000

廖绍彬《铁磁学》（下）科学出版社20003、都有为《铁氧体》江苏科学技术出版社19964、姜寿亭《铁磁性理论》科学出版社1993考核方式：考试：闭卷总成绩构成：平时成绩占20％(作业、出勤、课堂提问)+实验5%+期中考试(5%)+期末考试占70％。一、磁性物理学（铁磁学）的定义：磁性物理学是研究铁磁性起源（自发磁化）及其在外界因素（磁场、温度、应力等）作用下磁性能发生变化的基本规律（技术磁化），并利用这些规律来为人类服务（应用磁学）的一门古老而又新兴的学科。二、基本内容：1、自发磁化：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。2、技术磁化：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。3、应用磁学：研究与应用有关的磁性问题。

本书包括：●

磁性起源与自发磁化

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磁畴理论与技术磁化

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磁化过程动力学

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磁与光、电、热等的交叉效应三、磁学发展概况

3000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。

1600年第一部磁学专著——《论磁石》（英国，吉尔伯特著）问世。磁性作为一门科学，却是十九世纪前半期开始发展：1820年丹麦，奥斯特发现电流的磁效应建立了磁与电的初步联系1820年法国，安培证明了通电圆形线圈会产生磁性，同时提出了“分子电流”假说，奠定了磁学的理论基础1831年英国，法拉第发现电磁感应定律，揭示了电与磁间的内在联系1864年苏格兰，麦克斯韦建立电磁场理论（麦克斯韦方程）

1845年英国，法拉第确定了抗磁性和顺磁性的存在

1845年法国，居里研究了抗磁性和顺磁性与T的关系1905年法国，郎之万利用拉莫进动和洛仑兹电子理论对抗磁性和顺磁性现象进行解释1907年法国，外斯提出分子场和磁畴假说，建立铁磁现象的物理模型，奠定了现代铁磁性理论的基础1928年德国，海森堡提出交换作用模型1932年法国，奈耳提出反铁磁性概念1948年法国，奈耳提出解释尖晶石型铁氧体磁性的亚铁磁性理论1949年Polder波尔德尔建立旋磁性和张量磁导率理论1951年Hrring,Kittel海林基特尔提出巡游电子铁磁性理论1953年VanVleck

范弗列克提出局域磁矩模型1955年Neel奈耳提出奈耳畴壁，石榴石型铁氧体合成1957年Walker沃克RKKYWilliams威廉姆斯静磁模理论RKKY作用理论提出磁光记录原理1958年Möss

bauer

穆斯堡尔提出穆斯堡尔效应1959年Anderson安德生建立绝缘化合物铁磁性理论1964年Kondo近藤提出近藤效应1978年Moriya守谷提出自旋涨落理论为解释磁性物质的磁性起源，人们提出了各种理论模型，主要有：1、“分子场”理论模型

Weiss提出的，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。2、“交换作用”模型

1928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。3、局域电子模型与巡游电子模型

采用相反的出发点，前述“交换作用”模型理论逐渐分为两个学派：

a.局域电子模型：解释稀土金属及合金的磁性（以实空间的局域电子态为出发点）

b.巡游电子模型：解释3d过渡金属的磁性（以倒空间——波数空间的局域电子态为出发点）二者相互对立又相互补充。4、“自旋涨落”理论为使上述二模型统一，日本守谷提出“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。

对于铁磁性的研究，比较成熟的理论——磁畴理论（毕特的粉纹法可证实其存在）。而定量的磁畴理论则是1935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，故此理论在体系上是不完善的，计算磁畴结构时难以给出精确的结果，故又发展出了“微磁化理论”——直接由铁磁体系内磁化矢量方程求解。四、磁性物理学与技术的关系磁学的形成和发展与磁性材料技术的发展密切相关。20世纪前期，主要应用于“强电”领域：

永磁:产生磁通

铁芯:电机与变压器

50年代出现磁放大器，即磁性材料非线性特征的应用；用于计算机用铁氧体磁芯与磁记录材料。至此，应用总趋势从电力技术“强电”领域转向计算机与信息技术，即“弱电”领域：

主要用于电子工业(电子元器件)磁性材料广泛应用的物理基础是其具有各种磁效应：

电磁感应效应磁电阻效应压磁效应磁光效应磁热效应磁共振效应它们反映出磁材受到磁与其他非磁因素(电，光，热，应力等)作用后，伴随磁状态的改变所产生的性质，形成在技术应用上很有意义的特征。五、磁性材料应用技术的新发展：1、高新磁材四高：四巨：2007年诺贝尔物理学奖得主——巨磁阻GMR发现者PeterGrünberg（德国）AlbertFert（法国）

基于GMR效应的应用情况目前已有100MBit数码相机用存贮芯片上市目前计算机硬盘容量达1000GBit2、新型磁信息存储

GMR（巨磁电阻）磁头

GMR随机存储器（RAM）

GMR与GMI传感器3、微型化磁性元器件片式电容薄膜磁性元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（六角晶系）5、磁力显微技术磁力显微镜（MFM）扫描隧道显微镜（STM）6、核磁共振(NMR)技术核磁共振光谱学（MRS）核磁共振成像（MRI）7、电磁炮美国1978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固定推进剂的洲际弹道火箭。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。还可用于发射卫星：火箭发射有2%～4%的失败率，且历时数月以至一年，成本高。而电磁炮由于无爆炸力，安全，能重复使用，可发射几千次，必要时10分钟一次，成本只有火箭的1%8、电磁脉冲炸弹（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。而电磁脉冲炸弹则是通过一种非核爆炸形式，把普通炸弹的机械性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、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。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。六、磁性问题的理论研究方法原则上可以归为两步：

1、首先，应用量子力学研究微观粒子的磁性，根据微观粒子的磁性，并考虑到相互之间以及和外界的相互作用，找出系统的各种态与能量。

2、其次，应用统计物理知识，确定系统的配分函数（态和）即：再根据热力学与统计物理的关系：

来确定在热力学平衡状态下所考虑磁性系统的有关参量。但严格求解Z在理论和数学上都比较困难