磁性物理學(xué)(緒論)（課堂PPT）

1、磁性物理學(xué)磁性物理學(xué)微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院蘭中文、謝建良蘭中文、謝建良 E-mail: T E L: 83201574 課程性質(zhì)與任務(wù)課程性質(zhì)與任務(wù) 磁性物理磁性物理是電子科學(xué)與技術(shù)（固體電子工程）的一門重是電子科學(xué)與技術(shù)（固體電子工程）的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是當(dāng)今信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論之一。要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是當(dāng)今信息技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論之一。該課程涉及以下相關(guān)學(xué)科該課程涉及以下相關(guān)學(xué)科：高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué) 數(shù)理方程數(shù)理方程 量子力學(xué)量子力學(xué) 統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)原子物理原子物理 電磁場(chǎng)理論電磁場(chǎng)理論 固體物理固體物理在強(qiáng)調(diào)基本理論與基本概念的基礎(chǔ)上，用磁學(xué)理論解釋各種在強(qiáng)調(diào)基本理

2、論與基本概念的基礎(chǔ)上，用磁學(xué)理論解釋各種磁現(xiàn)象，闡明有關(guān)磁現(xiàn)象的規(guī)律，磁現(xiàn)象，闡明有關(guān)磁現(xiàn)象的規(guī)律， 掌握磁性現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律掌握磁性現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律及其求解問(wèn)題的思維方法（包括理論模型與理論計(jì)算）。為及其求解問(wèn)題的思維方法（包括理論模型與理論計(jì)算）。為深入研究磁性材料與器件及電子信息工程打下良好的基礎(chǔ)。深入研究磁性材料與器件及電子信息工程打下良好的基礎(chǔ)。緒緒 論論參考書籍：參考書籍：1、北大、北大 鐵磁學(xué)鐵磁學(xué) 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 19762、郭貽成、郭貽成鐵磁學(xué)鐵磁學(xué) 人民教育出版社人民教育出版社 19823、鐵磁學(xué)鐵磁學(xué)（上，中，下），戴道生，鐘文定，廖紹彬等，（上，中，下），戴道生，鐘文

3、定，廖紹彬等， 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 2000年年 4、姜壽亭、姜壽亭 鐵磁性理論鐵磁性理論科學(xué)出版社科學(xué)出版社 19935、都有為、都有為 鐵氧體鐵氧體江蘇科學(xué)技術(shù)出版社江蘇科學(xué)技術(shù)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：閉卷考核方式：閉卷成績(jī)構(gòu)成：平時(shí)成績(jī)占成績(jī)構(gòu)成：平時(shí)

4、成績(jī)占30 （作業(yè)、出勤、實(shí)驗(yàn)和期中考（作業(yè)、出勤、實(shí)驗(yàn)和期中考試），期末考試占試），期末考試占70。一、磁性物理學(xué)（鐵磁學(xué)）概念一、磁性物理學(xué)（鐵磁學(xué)）概念磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性起源：宏觀觀點(diǎn)：外磁場(chǎng)改變，系統(tǒng)能量也隨之改變，磁性起源：宏觀觀點(diǎn)：外磁場(chǎng)改變，系統(tǒng)能量也隨之改變， 表現(xiàn)出系統(tǒng)的宏觀磁性；表現(xiàn)出系統(tǒng)的宏觀磁性； 微觀角度：帶電粒子的運(yùn)動(dòng)形成物質(zhì)的元磁矩，微觀角度：帶電粒子的運(yùn)動(dòng)形成物質(zhì)的元磁矩， 磁矩取向有序，形成物質(zhì)磁性。磁矩取向有序，形成物質(zhì)磁性。磁性分類：磁性分類：1.1.弱磁性：僅在具有外磁場(chǎng)的情況下才能表現(xiàn)，隨弱磁性：僅在具有外磁場(chǎng)的情

5、況下才能表現(xiàn)，隨磁場(chǎng)增大而增強(qiáng)，有磁場(chǎng)增大而增強(qiáng)，有抗磁性和順磁性抗磁性和順磁性。前者起因于電磁感應(yīng)，。前者起因于電磁感應(yīng)，后者由于元磁矩在外場(chǎng)下的取向。后者由于元磁矩在外場(chǎng)下的取向。 2.2.強(qiáng)磁性：無(wú)外加磁場(chǎng)仍存在自發(fā)磁化。有限大的磁體強(qiáng)磁性：無(wú)外加磁場(chǎng)仍存在自發(fā)磁化。有限大的磁體分成若干各小區(qū)域，不同區(qū)域自發(fā)磁化方向不同，小區(qū)域成為分成若干各小區(qū)域，不同區(qū)域自發(fā)磁化方向不同，小區(qū)域成為磁疇。在外場(chǎng)下，由于磁疇的移動(dòng)或疇內(nèi)自發(fā)磁化方向的改變磁疇。在外場(chǎng)下，由于磁疇的移動(dòng)或疇內(nèi)自發(fā)磁化方向的改變而表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。而表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁性。另外具有居里溫度，居里溫度是衡量自另外具有居里溫度，居里溫

6、度是衡量自發(fā)磁化的微觀作用大小的量度發(fā)磁化的微觀作用大小的量度。分為。分為鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性磁性，除反鐵磁性外，通常稱為鐵磁性。，除反鐵磁性外，通常稱為鐵磁性。（反鐵磁性為弱磁性）（反鐵磁性為弱磁性）定義：定義：磁性物理學(xué)是研究強(qiáng)磁性起源（自發(fā)磁化的成因）磁性物理學(xué)是研究強(qiáng)磁性起源（自發(fā)磁化的成因）及其在外界因素（如磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等）作用下各種及其在外界因素（如磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等）作用下各種物質(zhì)的微觀磁性和宏觀磁性的變化規(guī)律（技術(shù)磁化）物質(zhì)的微觀磁性和宏觀磁性的變化規(guī)律（技術(shù)磁化） ，并利用這些規(guī)律來(lái)為人類服務(wù)（應(yīng)用磁學(xué)）的一門古老并利用這些規(guī)律來(lái)為人類服務(wù)（應(yīng)

7、用磁學(xué)）的一門古老而又新興的學(xué)科。而又新興的學(xué)科。二、基本內(nèi)容二、基本內(nèi)容1 1、自發(fā)磁化：、自發(fā)磁化：涉及凝聚態(tài)物質(zhì)磁性的微觀機(jī)制，要求在涉及凝聚態(tài)物質(zhì)磁性的微觀機(jī)制，要求在原子或電子尺度求解問(wèn)題，并形成自發(fā)磁化理論。原子或電子尺度求解問(wèn)題，并形成自發(fā)磁化理論。2 2、技術(shù)磁化：、技術(shù)磁化：屬于磁疇理論的范疇，要在磁疇或稍進(jìn)一屬于磁疇理論的范疇，要在磁疇或稍進(jìn)一步的程度上求解，形成技術(shù)磁化理論。步的程度上求解，形成技術(shù)磁化理論。3 3、應(yīng)用磁學(xué)：、應(yīng)用磁學(xué)：研究與應(yīng)用有關(guān)的磁性問(wèn)題。研究與應(yīng)用有關(guān)的磁性問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，本課程內(nèi)容包括：具體來(lái)說(shuō)，本課程內(nèi)容包括： 磁性起源與自發(fā)磁化磁性起源與自

8、發(fā)磁化 磁疇理論與技術(shù)磁化磁疇理論與技術(shù)磁化 磁化過(guò)程動(dòng)力學(xué)磁化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 磁與光、電、熱等的交叉效應(yīng)磁與光、電、熱等的交叉效應(yīng)三、磁學(xué)發(fā)展概況三、磁學(xué)發(fā)展概況 三千多年前，人們就注意到物質(zhì)的磁性。公元前四世三千多年前，人們就注意到物質(zhì)的磁性。公元前四世紀(jì)我國(guó)使用磁石制成司南，即為世界上最早的指南針。紀(jì)我國(guó)使用磁石制成司南，即為世界上最早的指南針。夢(mèng)溪筆談夢(mèng)溪筆談不僅記載了從司南到指南針的發(fā)明，還總結(jié)不僅記載了從司南到指南針的發(fā)明，還總結(jié)了其制作和使用方法。了其制作和使用方法。 第一部磁學(xué)專著第一部磁學(xué)專著論磁石論磁石（英國(guó)的吉爾伯特著）（英國(guó)的吉爾伯特著）磁性作為一門科學(xué)，卻是十九世紀(jì)前半期

9、開始發(fā)展：磁性作為一門科學(xué)，卻是十九世紀(jì)前半期開始發(fā)展：1820年年丹麥丹麥奧斯特奧斯特 發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)建立了磁與電的初步聯(lián)系建立了磁與電的初步聯(lián)系1820年年法國(guó)法國(guó)安培安培證明了通電圓形線圈會(huì)產(chǎn)生磁證明了通電圓形線圈會(huì)產(chǎn)生磁性，同時(shí)提出了性，同時(shí)提出了“分子電流分子電流”假說(shuō)，奠定了磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。假說(shuō)，奠定了磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。1831年年英國(guó)英國(guó)法拉第法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，揭示了電與磁間的內(nèi)在聯(lián)系揭示了電與磁間的內(nèi)在聯(lián)系蘇格蘭蘇格蘭麥克斯韋麥克斯韋建立電磁場(chǎng)理論建立電磁場(chǎng)理論（麥克斯韋方程（麥克斯韋方程) 1845年年法拉第法拉第確定了抗磁性和順磁性的

10、存在確定了抗磁性和順磁性的存在 1895年年居里居里研究了抗磁性和順磁性研究了抗磁性和順磁性與與T的關(guān)系的關(guān)系1905年年郎之萬(wàn)郎之萬(wàn)利用拉莫進(jìn)動(dòng)和洛侖茲電子理論對(duì)上利用拉莫進(jìn)動(dòng)和洛侖茲電子理論對(duì)上述兩種磁現(xiàn)象進(jìn)行解釋述兩種磁現(xiàn)象進(jìn)行解釋1907年年法國(guó)法國(guó)WEISS建立鐵磁現(xiàn)象的物理模型，奠定了現(xiàn)建立鐵磁現(xiàn)象的物理模型，奠定了現(xiàn)代鐵磁性理論的基礎(chǔ)代鐵磁性理論的基礎(chǔ) 為解釋磁性物質(zhì)的磁性起源（自發(fā)磁化），人們提出了為解釋磁性物質(zhì)的磁性起源（自發(fā)磁化），人們提出了各種理論模型，主要有：各種理論模型，主要有：1、“分子場(chǎng)分子場(chǎng)”理論模型理論模型 Weiss提出的提出的 ，可解釋磁化曲線及磁化特征，

11、但未解決，可解釋磁化曲線及磁化特征，但未解決分子場(chǎng)本質(zhì)及原子為何有磁矩。分子場(chǎng)本質(zhì)及原子為何有磁矩。2、“交換作用交換作用”模型模型 1928年由海森堡提出，指出自發(fā)磁化起源于電子間靜年由海森堡提出，指出自發(fā)磁化起源于電子間靜電交換作用。電交換作用。3、局域電子模型與巡游電子模型、局域電子模型與巡游電子模型 采用相反的出發(fā)點(diǎn)，上述采用相反的出發(fā)點(diǎn)，上述“交換作用交換作用”模型理論逐漸模型理論逐漸分為兩個(gè)學(xué)派：分為兩個(gè)學(xué)派： a. 局域電子模型：解釋稀土金屬及合金的磁性局域電子模型：解釋稀土金屬及合金的磁性 （以實(shí)空間的局域電子態(tài)為出發(fā)點(diǎn)）（以實(shí)空間的局域電子態(tài)為出發(fā)點(diǎn)） 超超交交換換作作用用間

12、間接接交交換換作作用用作作用用理理論論)(RKKY b . 巡游電子模型：解釋巡游電子模型：解釋3d過(guò)渡金屬的磁性過(guò)渡金屬的磁性 （以倒空間（以倒空間波數(shù)空間的局域電子態(tài)為出發(fā)點(diǎn)）波數(shù)空間的局域電子態(tài)為出發(fā)點(diǎn)） 能能帶帶模模型型理理論論模模型型交交換換激激化化模模型型STONERHUBBARD11dd 二者相互對(duì)立又相互補(bǔ)充。二者相互對(duì)立又相互補(bǔ)充。4、“自旋漲落自旋漲落”理論理論 為使上述二模型統(tǒng)一，日本守谷提出為使上述二模型統(tǒng)一，日本守谷提出“自旋漲落自旋漲落”。對(duì)弱鐵磁性及反鐵磁性金屬系統(tǒng)，考慮各自自旋漲落模式對(duì)弱鐵磁性及反鐵磁性金屬系統(tǒng)，考慮各自自旋漲落模式間的耦合，同時(shí)，自洽地求出自

13、旋漲落，并計(jì)入熱平衡狀間的耦合，同時(shí)，自洽地求出自旋漲落，并計(jì)入熱平衡狀態(tài)，從而描述弱鐵磁性及鐵磁性的特征。態(tài)，從而描述弱鐵磁性及鐵磁性的特征。 對(duì)于鐵磁體外場(chǎng)行為的研究，比較成熟的理論對(duì)于鐵磁體外場(chǎng)行為的研究，比較成熟的理論 磁疇理論（畢特的粉紋法可證實(shí)其存在）。而定磁疇理論（畢特的粉紋法可證實(shí)其存在）。而定量的磁疇理論則是量的磁疇理論則是1935年由朗道與里弗西茲建立。年由朗道與里弗西茲建立。 但磁疇和疇壁是以假設(shè)而引入的，且求解過(guò)程但磁疇和疇壁是以假設(shè)而引入的，且求解過(guò)程中采用的自由能極小原理是在假設(shè)形成磁疇結(jié)構(gòu)的限中采用的自由能極小原理是在假設(shè)形成磁疇結(jié)構(gòu)的限制下應(yīng)用，故此理論在體系上

14、是不完善的，計(jì)算磁疇制下應(yīng)用，故此理論在體系上是不完善的，計(jì)算磁疇結(jié)構(gòu)時(shí)難以給出精確的結(jié)果，故結(jié)構(gòu)時(shí)難以給出精確的結(jié)果，故1940年布朗創(chuàng)立了年布朗創(chuàng)立了“微磁化理論微磁化理論 ”直接由鐵磁體系內(nèi)磁化矢量方直接由鐵磁體系內(nèi)磁化矢量方程求解。程求解。四、磁性物理學(xué)與技術(shù)的關(guān)系四、磁性物理學(xué)與技術(shù)的關(guān)系1.1.磁性在現(xiàn)代技術(shù)中的作用磁性在現(xiàn)代技術(shù)中的作用 2.2.磁性物理學(xué)是磁性應(yīng)用的物理基礎(chǔ)磁性物理學(xué)是磁性應(yīng)用的物理基礎(chǔ)磁學(xué)的形成與發(fā)展和磁性材料與器件的發(fā)展密切相關(guān)，磁學(xué)的形成與發(fā)展和磁性材料與器件的發(fā)展密切相關(guān)，磁性材料廣泛應(yīng)用的物理基礎(chǔ)是其具有各種磁效應(yīng)磁性材料廣泛應(yīng)用的物理基礎(chǔ)是其具有各種

15、磁效應(yīng): : 電磁感應(yīng)效應(yīng)電磁感應(yīng)效應(yīng) 磁電阻效應(yīng)磁電阻效應(yīng) 壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng) 磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 磁熱效應(yīng)磁熱效應(yīng) 磁共振效應(yīng)磁共振效應(yīng) 它們反映出磁材受到磁與其他非磁因素它們反映出磁材受到磁與其他非磁因素( (電電, ,光光, ,熱熱, ,應(yīng)應(yīng)力等力等) )作用后作用后, ,伴隨磁狀態(tài)的改變所產(chǎn)生的性質(zhì)伴隨磁狀態(tài)的改變所產(chǎn)生的性質(zhì), ,形成在技形成在技術(shù)應(yīng)用上很有意義的特征。術(shù)應(yīng)用上很有意義的特征。3.3.磁性物理學(xué)與磁性材料技術(shù)之間的基本模式磁性物理學(xué)與磁性材料技術(shù)之間的基本模式五、五、 磁性材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向：磁性材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)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 高高飽飽和和磁磁化化強(qiáng)強(qiáng)度度（高高磁磁能能積積（）高高矯矯頑頑力力（高高起起始始磁磁導(dǎo)導(dǎo)率率 四巨：四巨：3ok000010250/Z50/ sZRR 巨巨磁磁致致伸伸縮縮材材料料料料巨巨磁磁光光克克爾爾旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)特特性性材材巨巨磁磁阻阻抗抗效效應(yīng)應(yīng)材材料料效效應(yīng)應(yīng)材材料料阻阻巨巨磁磁電電電阻材料電阻材料巨磁巨磁隧道結(jié)效應(yīng)隧道結(jié)效應(yīng)一隧：一隧：龐磁電阻效應(yīng)材料龐磁電阻效應(yīng)材料一龐：一龐：0050/ RR2、新型磁信息存儲(chǔ)、新型磁信息存儲(chǔ) GMR（巨磁電阻）磁頭（巨磁電阻）磁頭 GMR 隨機(jī)存儲(chǔ)器（隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM

17、） GMR與與GMI傳感器傳感器3、微型化磁性元器件、微型化磁性元器件 片式電感片式電感 薄膜磁性元件薄膜磁性元件 集成化微波鐵氧體器件集成化微波鐵氧體器件4、精確制導(dǎo)中應(yīng)用的毫米波鐵氧體器件、精確制導(dǎo)中應(yīng)用的毫米波鐵氧體器件（六角晶系）（六角晶系）5、電磁炮、電磁炮 美國(guó)美國(guó)1978年開始制造，現(xiàn)能在大氣層外飛行軌跡中年開始制造，現(xiàn)能在大氣層外飛行軌跡中段摧毀各種洲際彈道火箭彈頭，在飛行軌跡后段摧毀潛段摧毀各種洲際彈道火箭彈頭，在飛行軌跡后段摧毀潛水艇彈道火箭彈頭，還能摧毀空間軍用考察站及具有各水艇彈道火箭彈頭，還能摧毀空間軍用考察站及具有各種新型種新型 固定推進(jìn)劑的洲際彈道火箭。固定推進(jìn)劑

18、的洲際彈道火箭。 其結(jié)構(gòu)類似于直流電動(dòng)機(jī)，發(fā)射炮彈時(shí)，巨其結(jié)構(gòu)類似于直流電動(dòng)機(jī)，發(fā)射炮彈時(shí)，巨大的電流先通過(guò)上軌定向可熔鐵芯，再沿下軌大的電流先通過(guò)上軌定向可熔鐵芯，再沿下軌定向返回，磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)與鐵芯中的感定向返回，磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)與鐵芯中的感應(yīng)電流相互作用，形成加速?gòu)楊^的補(bǔ)充推力。應(yīng)電流相互作用，形成加速?gòu)楊^的補(bǔ)充推力。6、磁力顯微技術(shù)、磁力顯微技術(shù) 磁力顯微鏡（磁力顯微鏡（MFM） 掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM）7、核磁共振、核磁共振(NMR)技術(shù)技術(shù) 核磁共振光譜學(xué)（核磁共振光譜學(xué)（MRS） 核磁共振成像（核磁共振成像（MRI）8 8、電磁脈沖炸彈（、電磁脈沖炸彈（E

19、-bomb)E-bomb) 高強(qiáng)度的電磁脈沖原本是核武器在大氣層爆炸時(shí)產(chǎn)生的一種電磁現(xiàn)象。高強(qiáng)度的電磁脈沖原本是核武器在大氣層爆炸時(shí)產(chǎn)生的一種電磁現(xiàn)象。而電磁脈沖炸彈則是通過(guò)一種非核爆炸形式，把普通炸彈的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為而電磁脈沖炸彈則是通過(guò)一種非核爆炸形式，把普通炸彈的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為高強(qiáng)度的電磁脈沖能量的一種實(shí)際應(yīng)用，是一種殺傷破壞力介于常規(guī)武器高強(qiáng)度的電磁脈沖能量的一種實(shí)際應(yīng)用，是一種殺傷破壞力介于常規(guī)武器和核武器之間的新型大規(guī)模殺傷性炸彈。這種炸彈在目標(biāo)上方爆炸后，會(huì)和核武器之間的新型大規(guī)模殺傷性炸彈。這種炸彈在目標(biāo)上方爆炸后，會(huì)輻射出高強(qiáng)度的電磁脈沖，能使半徑為數(shù)十公里內(nèi)的飛機(jī)、雷達(dá)、電子計(jì)

20、輻射出高強(qiáng)度的電磁脈沖，能使半徑為數(shù)十公里內(nèi)的飛機(jī)、雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、電話、手機(jī)等幾乎所有的電子設(shè)備無(wú)法正常工作，甚至造算機(jī)、電視機(jī)、電話、手機(jī)等幾乎所有的電子設(shè)備無(wú)法正常工作，甚至造成難以修復(fù)的嚴(yán)重物理?yè)p傷（其破壞力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閃電，甚至可以利用管道、成難以修復(fù)的嚴(yán)重物理?yè)p傷（其破壞力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閃電，甚至可以利用管道、電纜、攻擊深埋在地底的掩體），從而使現(xiàn)代城市完全癱瘓。電纜、攻擊深埋在地底的掩體），從而使現(xiàn)代城市完全癱瘓。 要點(diǎn)燃電磁脈沖炸彈，需啟動(dòng)電流通過(guò)定子線圈，產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。要點(diǎn)燃電磁脈沖炸彈，需啟動(dòng)電流通過(guò)定子線圈，產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)。爆炸使銅管膨脹，導(dǎo)致線圈短路，將磁場(chǎng)向前壓縮。高頻放射的脈沖可使爆炸使銅管膨脹，導(dǎo)致線圈短路，將磁場(chǎng)向前壓縮。高頻放射的脈沖可使法拉第罩（靜電屏蔽）等電子保護(hù)裝置完全失效。法拉第罩（靜電屏蔽）等電子保護(hù)裝置完全失效。六、磁性問(wèn)題的理論研究方法六、磁性問(wèn)題的理論研究