固体磁性及磁性测量原理

磁性物理

1固体磁性基础1固体磁性及磁性测量原理5/8/2024磁学是一门

研究物质磁性的学科2固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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3固体磁性及磁性测量原理5/8/20241.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4固体磁性及磁性测量原理5/8/2024

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5固体磁性及磁性测量原理5/8/2024

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

6固体磁性及磁性测量原理5/8/2024司南

汉（公元前206－公元220年）。盘17.8×17.4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。

7固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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。8固体磁性及磁性测量原理5/8/2024磁学是一门即古老又年轻的学科磁石：最早的著作《DeMagnete》W.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。9固体磁性及磁性测量原理5/8/20241907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10固体磁性及磁性测量原理5/8/20241958年Mössbauer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.Grünberg1994年CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO31995年隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki11固体磁性及磁性测量原理5/8/2024Developmentandbranchesofmagnetism12固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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13固体磁性及磁性测量原理5/8/2024磁悬浮列车14固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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15固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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16固体磁性及磁性测量原理5/8/2024CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProductsTheWorldofMagneticSensors17固体磁性及磁性测量原理5/8/2024磁学运用到纳米学科----纳米磁学18固体磁性及磁性测量原理5/8/2024100µm1mm10µm1µm100nm10nm纳米是多长？Lorke/CeNS19固体磁性及磁性测量原理5/8/2024下一代磁硬盘的新材料Z.B.MagneticcolloidsSpincoating20固体磁性及磁性测量原理5/8/202443

3%Fe3.6

0.1nm48

2%Fe3.6

0.1nm58

3%Fe3.6

0.1nm70

3%Fe2.6

0.1nm25nmFe70Pt30自组织尺寸高分辨透射电镜FePt

纳米颗粒6nm10Tb/inch2!21固体磁性及磁性测量原理5/8/2024M.Hanzliketal./J.Magn.Magn.Mat.248(2002)258–267Magneticvibroid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0.5µm.磁性细菌束BNahrungLakeChiemsee(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1µm(b)链捆的内部结构，标尺为0.1µm。TransmissionelectronmicrographofMagnetobacteriumbavaricum,arod-shapedmagnetotacticbacteriumfromLakeChiemsee(UpperBavaria)withfourbundlesofchainsofmagnetosomes.Individualcellscontainingupto1000hook-shapedmagnetosomesyieldmagneticmomentsashighas(10-60)x10^-12Gaussccm,whichisonetotwoordersofmagnitudemorethanthevaluescharacteristicofothermagnetotacticbacteria.Thelargeelctron-opaquebodiesinsidethecellconsistofsulphur,themagnetosomesaremadeofmagnetiteandmeasure,onaverage,100nm.

22固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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！23固体磁性及磁性测量原理5/8/2024参考书冯端等著，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24固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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。25固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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26固体磁性及磁性测量原理5/8/2024实验：磁场约为16Tesla，置于一强磁体的

Ø32mm孔中(320.000倍地磁场)

NijmegenHighFieldMagnetLaboratory草莓是磁性的吗？27固体磁性及磁性测量原理5/8/2024悬浮的西红柿NijmegenHighFieldMagnetLaboratory28固体磁性及磁性测量原理5/8/2024无重力的水珠NijmegenHighFieldMagnetLaboratory

29固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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30固体磁性及磁性测量原理5/8/20241-1.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31固体磁性及磁性测量原理5/8/202432固体磁性及磁性测量原理5/8/2024２、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Ｎ极上的正磁荷：＋ｍ；Ｓ极上的负磁荷：－ｍ点磁荷：磁极尺寸<<磁极，正、负磁荷成对出磁偶极矩：

＝ml

的方向从＋m－－m，的单位为：Wbm33固体磁性及磁性测量原理5/8/2024３、磁的库仑定律

0

为真空磁导率4、磁极产生的磁场大小为单位电磁荷在该处所受的磁场力的大小；方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向；单位：A/m34固体磁性及磁性测量原理5/8/2024

1.1.２.电流回路的磁矩磁场可以由磁极产生（是否存在磁单极？）磁场也可以有电流产生。电流回路的磁矩：

ｍ＝iA单位：电流回路的磁矩和磁偶极矩具有相同的物理意义，但单位和数值上不相同，二者关系：

＝

0

ｍ玻尔原子模型：电子沿轨道绕原子核旋转，这种运动和电流闭合回路比较，在磁性上是等效的。

1、电流回路产生的磁矩35固体磁性及磁性测量原理5/8/2024

２、电流产生的磁场长的通电细螺线管，当有电流i(A)通过每米绕线n匝的线圈时，中心处的磁场强度：单位A/m螺线管中磁场的分布36固体磁性及磁性测量原理5/8/2024线圈中磁场的分布单线圈轴线上:双线圈组轴线上:单线圈圆心上:37固体磁性及磁性测量原理5/8/2024无限长载流直导线的磁场强度：H的方向按右手螺旋1.1.3.磁偶极子的磁势和磁场强度1、磁偶极子在空间某点Ｐ的磁势令r>>l，忽略l2

项38固体磁性及磁性测量原理5/8/2024

为r和l之间的夹角39固体磁性及磁性测量原理5/8/20242、磁偶极子在空间某点Ｐ的磁场强度40固体磁性及磁性测量原理5/8/20241.1.4.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41固体磁性及磁性测量原理5/8/2024均匀磁场中在磁场剃度中42固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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43固体磁性及磁性测量原理5/8/2024If

1=

2,

1=

2;44固体磁性及磁性测量原理5/8/20243、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.45固体磁性及磁性测量原理5/8/20241.1.5.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。46固体磁性及磁性测量原理5/8/2024写入磁性数据的“Bit”态“0”和“1”“0”“1”1-2磁化强度和退磁场47固体磁性及磁性测量原理5/8/20241.2.1、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：

=

μm/Vd1.磁化强度的定义48固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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49固体磁性及磁性测量原理5/8/20242.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50固体磁性及磁性测量原理5/8/2024μ---磁导率(magneticpermeability)；单位都是：H/m3.磁化率和磁导率

－磁化率(magneticsusceptibility)，表明磁化程度；51固体磁性及磁性测量原理5/8/20244.边界条件：B的法向分量是连续的。运用高斯定理：52固体磁性及磁性测量原理5/8/2024(2)H的切向分量是连续的。运用安培环路定律53固体磁性及磁性测量原理5/8/20241.2.2、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Ms1.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。54固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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。55固体磁性及磁性测量原理5/8/20243.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）。56固体磁性及磁性测量原理5/8/20244.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。57固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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N＝058固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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，k>>1abcXYZ59固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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60固体磁性及磁性测量原理5/8/2024沿长轴磁化的圆柱体和椭球体的退磁因子61固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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。62固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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63固体磁性及磁性测量原理5/8/20241-3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64固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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，

0＝8.85×10-12F/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。

>>

0＝4×10-7，磁通密度基本完全限制在磁性材料之中。65固体磁性及磁性测量原理5/8/2024安培环路定律介质中的安培环路定律电路处理磁路66固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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67固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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68固体磁性及磁性测量原理5/8/2024两个不同磁路：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：69固体磁性及磁性测量原理5/8/2024Exercise1：1、CalculatethemagneticmomentofasphereofradiusRmadefromamagneticmaterialwithmagneticsusceptibility

,whenitismagnetizedbyanexternalmagneticfieldH.Howisthevalueofthemomentchangedinthelimitof

？2、Calculatetheintensityofmagneticfieldintheairgapofthemagneticcircuitshowninthefigure.UsethevaluesN=200，i＝5A，S1=2.510-3m2，S2=510-4m2，l1＝1m，l2＝0.01m，＝500。70固体磁性及磁性测量原理5/8/20241-3-2静磁能1、永磁体组成的系统磁极强度m1、m2…mi…mn，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：71固体磁性及磁性测量原理5/8/2024

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，72固体磁性及磁性测量原理5/8/2024举例：沿径向磁化的球：解以上方程得：由泊松方程：静磁能：73固体磁性及磁性测量原理5/8/2024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：74固体磁性及磁性测量原理5/8/2024静磁能也可以用B和H来表示，在真空中，在软磁材料中，75固体磁性及磁性测量原理5/8/20241-4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76固体磁性及磁性测量原理5/8/20241-4-2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e.s.u）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