固體磁性及磁性測量原理

磁性物理

1固體磁性基礎(chǔ)1固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁學是一門

研究物質(zhì)磁性的學科2固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁學是一門即古老又年輕的學科。磁學基礎(chǔ)研究與應用的需求相互促進，在國防和國民經(jīng)濟中起著重要作用。磁學與其它學科交叉：信息、電氣、交通、生物、藥物、天文、地質(zhì)、能源、選礦等。磁學運用到納米學科-----納米磁學，MEMS的發(fā)展不可避免的會使用各種類型的磁性材料。引言3固體磁性及磁性測量原理5/8/20241.中國古代的磁性

書名作者描述

管子

管仲慈(磁)石

(～645BC)

鬼谷子鬼谷

磁石吸針

(～400BC)

呂氏春秋

呂不韋

(239BC)

韓非子韓非司南

(

3rdcenturyBC)

論衡

王充司南勺

(82/83AD)(東漢)

武經(jīng)總要曾公亮指南魚：在地

(1044AD,南宋)磁場下熱處理4固體磁性及磁性測量原理5/8/2024

書名

作者

描述夢溪筆談

沈括

指南針

(1086AD,南宋)通過摩擦磁石磁化事林廣記陳元靚

針置于尖銳的竹尖上(1100-1250AD,宋)的a)木魚，b)木龜上萍州可談朱域

航船夜觀星星；日觀

(1119AD,南宋)

太陽；多云之日使用指南針1.中國古代的磁性

參考文獻:李國棟,中國磁學的歷史宋德生，李國棟，電磁學發(fā)展史5固體磁性及磁性測量原理5/8/2024

直接浮在水面上；置于指甲上；置于碗的邊緣上；懸于繩子上。中國古代制備指南針的方法

6固體磁性及磁性測量原理5/8/2024司南

漢（公元前206－公元220年）。盤17.8×17.4厘米,勺長11.5，口徑4.2厘米。司南由青銅地盤與磁勺組成。地盤內(nèi)圓外方；中心圓面下凹；圓外盤面分層次鑄有10天干，十二地支、四卦，標示二十四個方位。磁勺是用天然磁體磨成，置于地盤中心圓內(nèi)，勺頭為N，勺尾為S，靜止時，因地磁作用，勺尾指向南方。此模型是王振鐸先生據(jù)《論衡》等書記載并參照出土漢代地盤的研究復制。

7固體磁性及磁性測量原理5/8/2024西方的傳說牧羊人發(fā)現(xiàn)他的木棍的鐵端，被一塊石頭牢牢吸住。這種石頭在小亞細亞（AsiaMinor）、馬其頓的Magnesia地區(qū)以及愛奧尼亞的Magnesia城都被發(fā)現(xiàn)過。人們相信“Magnetism”一字來源于這些地名。8固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁學是一門即古老又年輕的學科磁石：最早的著作《DeMagnete》W.Gibert18世紀奧斯特電流產(chǎn)生磁場；法拉弟效應在磁場中運動導體產(chǎn)生電流；安培定律構(gòu)成電磁學的基礎(chǔ)。電動機、發(fā)電機開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)。9固體磁性及磁性測量原理5/8/20241907年P(guān).Weiss的磁疇和分子場假說1919年巴克豪森效應1928年海森堡模型：用量子力學解釋分子場起源1931年Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇1933年加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體1935年荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年Landau和Lifshitz考慮退磁場,理論上預言了磁疇結(jié)構(gòu)1946年Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應1948年Neel建立亜鐵磁理論1954-1957年RKKY相互作用的建立10固體磁性及磁性測量原理5/8/20241958年M?ssbauer效應的發(fā)現(xiàn)1960年非晶態(tài)物質(zhì)的理論預言1965年Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1982年掃描隧道顯微鏡,Brining和Rohrer,

(1986年,AFM)1984年NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)Sagawa1986年高溫超導體，Bednortz-muller1988年巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn),M.N.Baibich2007諾貝爾獎A.Fert和P.Grünberg1994年CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO31995年隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki11固體磁性及磁性測量原理5/8/2024Developmentandbranchesofmagnetism12固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁學基礎(chǔ)研究與應用的需求相互促進，在國防和國民經(jīng)濟中起著重要作用。磁學與其它學科交叉，如：信息、電氣、交通、生物、藥物、天文、地質(zhì)、能源、選礦等13固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁懸浮列車14固體磁性及磁性測量原理5/8/2024硬磁驅(qū)動片永磁馬達

磁記錄介質(zhì)磁頭

1TB(1000GB)存儲的文件可打印1億令紙(500張為1令)，耗費5萬多棵樹；可存儲播發(fā)16天的DVD品質(zhì)的影音文件；可存儲100萬張圖片；可連續(xù)播發(fā)2年的音樂。計算機硬盤15固體磁性及磁性測量原理5/8/2024永磁在汽車上的應用起動馬達速度傳感器風扇馬達水泵馬達窗戶升降CD馬達安全帶馬達油泵馬達雨刷馬達位置調(diào)整馬達太陽頂馬達前洗刷泵功率操縱馬達前燈門馬達16固體磁性及磁性測量原理5/8/2024CompassingGlobalPositionSystemsVehicleDetectionNavigationRotationalDisplacementPositionSensingCurrentSensingCommunicationProductsTheWorldofMagneticSensors17固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁學運用到納米學科----納米磁學18固體磁性及磁性測量原理5/8/2024100μm1mm10μm1μm100nm10nm納米是多長？Lorke/CeNS19固體磁性及磁性測量原理5/8/2024下一代磁硬盤的新材料Z.B.MagneticcolloidsSpincoating20固體磁性及磁性測量原理5/8/202443

3%Fe3.6

0.1nm48

2%Fe3.6

0.1nm58

3%Fe3.6

0.1nm70

3%Fe2.6

0.1nm25nmFe70Pt30自組織尺寸高分辨透射電鏡FePt

納米顆粒6nm10Tb/inch2!21固體磁性及磁性測量原理5/8/2024M.Hanzliketal./J.Magn.Magn.Mat.248(2002)258–267Magneticvibroid細菌，具有磁體構(gòu)成的鏈，磁體稍長并且之間有約8nm寬的間隙。標尺為0.5μm.磁性細菌束BNahrungLakeChiemsee(Bavaria)磁細菌束(a)一單元含有3-5捆磁體鏈，近圓小珠含有聚硫體。標尺為1μm(b)鏈捆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，標尺為0.1μm。TransmissionelectronmicrographofMagnetobacteriumbavaricum,arod-shapedmagnetotacticbacteriumfromLakeChiemsee(UpperBavaria)withfourbundlesofchainsofmagnetosomes.Individualcellscontainingupto1000hook-shapedmagnetosomesyieldmagneticmomentsashighas(10-60)x10^-12Gaussccm,whichisonetotwoordersofmagnitudemorethanthevaluescharacteristicofothermagnetotacticbacteria.Thelargeelctron-opaquebodiesinsidethecellconsistofsulphur,themagnetosomesaremadeofmagnetiteandmeasure,onaverage,100nm.

22固體磁性及磁性測量原理5/8/2024學習傳統(tǒng)的磁學基本理論為今后有可能的進一步研究和應用做好準備，打好基礎(chǔ)！23固體磁性及磁性測量原理5/8/2024參考書馮端等著，金屬物理學，凝聚態(tài)物理叢書，第四卷，超導電性和磁性?？茖W出版社（1998)宛得福，磁性物理，電子科技出版社CHIKAZUMI,PhysicsofFerromagnetsm.2ndEdition，OxfordUniversityPress廖紹彬，鐘文定鐵磁學（上，中，下），科學出版社24固體磁性及磁性測量原理5/8/2024第一章固體磁性基礎(chǔ)17世紀早期WilliamGilbert研究過的內(nèi)容吉爾伯特（1544--1603）是英國著名的醫(yī)生、物理學家。他于1544年5月24日生在英國科爾切斯特市一個大法官家里。年輕時就讀于劍橋大學圣約翰學院，攻讀醫(yī)學，獲醫(yī)學博士學位。畢業(yè)后已成為英國名醫(yī)。由于他醫(yī)術(shù)高明，1601年擔任英國女王伊麗莎白一世的御醫(yī)，直到1603年11月30日逝世。

吉爾伯特在科學方面的興趣，遠遠超出了醫(yī)學范圍。在化學和天文學方面有淵博的初識，但他研究的主要領(lǐng)域還是在物理學中。他用觀察、實驗方法科學地研究了磁與電的現(xiàn)象，并把多年的研究成果，寫成名著《論磁》，于1600年在倫敦出版。25固體磁性及磁性測量原理5/8/2024主要內(nèi)容：引言-----世上萬物都有磁性磁矩磁化強度和退磁場磁化曲線和磁滯回線磁路磁學中的單位26固體磁性及磁性測量原理5/8/2024實驗：磁場約為16Tesla，置于一強磁體的

?32mm孔中(320.000倍地磁場)

NijmegenHighFieldMagnetLaboratory草莓是磁性的嗎？27固體磁性及磁性測量原理5/8/2024懸浮的西紅柿NijmegenHighFieldMagnetLaboratory28固體磁性及磁性測量原理5/8/2024無重力的水珠NijmegenHighFieldMagnetLaboratory

29固體磁性及磁性測量原理5/8/2024結(jié)論

世上萬物都有磁性分類為強磁性和弱磁性應用于科技和工程上的磁性材料意為強磁性物質(zhì)最早的磁鐵礦主要為30固體磁性及磁性測量原理5/8/20241-1.磁矩1-1-1磁偶極子1、磁極，磁荷指北端:正磁極，N指南端:負磁極，S相似于正,負電荷31固體磁性及磁性測量原理5/8/202432固體磁性及磁性測量原理5/8/2024２、磁偶極矩吸引排斥磁學的最直觀的表現(xiàn)形式同號磁極相斥，異號磁極相吸Ｎ極上的正磁荷：＋ｍ；Ｓ極上的負磁荷：－ｍ點磁荷：磁極尺寸<<磁極，正、負磁荷成對出磁偶極矩：

＝ml

的方向從＋m－－m，的單位為：Wbm33固體磁性及磁性測量原理5/8/2024３、磁的庫侖定律

0

為真空磁導率4、磁極產(chǎn)生的磁場大小為單位電磁荷在該處所受的磁場力的大?。环较蚺c正磁荷在該處所受磁場力的方向；單位：A/m34固體磁性及磁性測量原理5/8/2024

1.1.２.電流回路的磁矩磁場可以由磁極產(chǎn)生（是否存在磁單極？）磁場也可以有電流產(chǎn)生。電流回路的磁矩：

ｍ＝iA單位：電流回路的磁矩和磁偶極矩具有相同的物理意義，但單位和數(shù)值上不相同，二者關(guān)系：

＝

0

ｍ玻爾原子模型：電子沿軌道繞原子核旋轉(zhuǎn)，這種運動和電流閉合回路比較，在磁性上是等效的。

1、電流回路產(chǎn)生的磁矩35固體磁性及磁性測量原理5/8/2024

２、電流產(chǎn)生的磁場長的通電細螺線管，當有電流i(A)通過每米繞線n匝的線圈時，中心處的磁場強度：單位A/m螺線管中磁場的分布36固體磁性及磁性測量原理5/8/2024線圈中磁場的分布單線圈軸線上:雙線圈組軸線上:單線圈圓心上:37固體磁性及磁性測量原理5/8/2024無限長載流直導線的磁場強度：H的方向按右手螺旋1.1.3.磁偶極子的磁勢和磁場強度1、磁偶極子在空間某點Ｐ的磁勢令r>>l，忽略l2

項38固體磁性及磁性測量原理5/8/2024

為r和l之間的夾角39固體磁性及磁性測量原理5/8/20242、磁偶極子在空間某點Ｐ的磁場強度40固體磁性及磁性測量原理5/8/20241.1.4.磁體在外磁場中的磁位能1、磁體在均勻磁場中受到力矩的作用41固體磁性及磁性測量原理5/8/2024均勻磁場中在磁場剃度中42固體磁性及磁性測量原理5/8/2024當＝0時，磁體受的力矩最小，處于穩(wěn)定狀態(tài)從不等于0到等于0，表明磁體在力矩L作用下轉(zhuǎn)到和磁場一致的方向轉(zhuǎn)矩所做的功使磁體在磁場中的位能降低。放置m2與r成

2角度m1、m2在同一平面2、磁體在外磁場中的磁位能43固體磁性及磁性測量原理5/8/2024If

1=

2,

1=

2;44固體磁性及磁性測量原理5/8/20243、地磁場地磁場可以描述為位于地球中心的一根條形磁鐵。地磁軸和地軸之間的夾角為

11

。地磁場的大小隨地球的位置而不同根據(jù)1970年的數(shù)據(jù):北極位于加拿大的Bathurst島,南極位于Antarctic海岸.45固體磁性及磁性測量原理5/8/20241.1.5.B和H極其關(guān)系靜磁學中，空間任一點的磁場可用B和H來描寫。B和H都是矢量。在自由空間，B和H方向始終平行，數(shù)值上成比例，即：在磁介質(zhì)內(nèi)部，B和H關(guān)系復雜，二者不一定平行。相互表達的關(guān)系式為：B的單位是“特斯拉（T）或者Wb/m2，J為磁極化強度，是磁介質(zhì)內(nèi)磁偶極矩被H極化的貢獻。46固體磁性及磁性測量原理5/8/2024寫入磁性數(shù)據(jù)的“Bit”態(tài)“0”和“1”“0”“1”1-2磁化強度和退磁場47固體磁性及磁性測量原理5/8/20241.2.1、磁性材料和磁化強度磁性材料可分為強磁性和弱磁性材料，前者能被永磁體吸引，后者的磁性只有用靈敏的儀器才能檢測。當磁性材料被均勻磁化時，單位體積的磁矩稱作為磁化強度，表示為：單位:

Wbm-2=T(tesla),

1T=104/4gauss=7.9102gauss比磁化強度，單位為Am2/kg，表示為：

=

μm/Vd1.磁化強度的定義48固體磁性及磁性測量原理5/8/2024分子電流說中閉合電流環(huán)和磁化強度的關(guān)系：假定磁性材料內(nèi)部由很多基本的閉合電流環(huán)充滿，而相鄰方向相抵消，只有表面一層上的電流未抵消。當所有的磁矩大小都相等時，磁化強度：為磁極密度；為單位橫截面位移的磁極數(shù)。定義磁化強度為單位橫截面位移的磁極數(shù)磁化強度的不同概念：基本磁矩集合，磁極位移和內(nèi)部電流-------------相同結(jié)果49固體磁性及磁性測量原理5/8/20242.電磁感應測量磁化強度插入磁芯感應電壓增加施加磁場垂直于線圈截面磁感應強度可以看作為：材料中的磁感應強度和真空中的磁感應強度之和50固體磁性及磁性測量原理5/8/2024μ---磁導率(magneticpermeability)；單位都是：H/m3.磁化率和磁導率

－磁化率(magneticsusceptibility)，表明磁化程度；51固體磁性及磁性測量原理5/8/20244.邊界條件：B的法向分量是連續(xù)的。運用高斯定理：52固體磁性及磁性測量原理5/8/2024(2)H的切向分量是連續(xù)的。運用安培環(huán)路定律53固體磁性及磁性測量原理5/8/20241.2.2、鐵磁材料的磁化和退磁場退磁狀態(tài)(M=H=0):H增加，M沿OABC增加，并最終達到飽和磁化強度，記為Ms1.磁化曲線可逆磁化在OA段為可逆磁化，超過這段，磁化過程不再可逆。如果將磁場從B點的值減小，磁化強度不是沿BAO，而是沿一個小回線BB′下降。54固體磁性及磁性測量原理5/8/2024曲線OA的斜率稱作起始磁化率

a。BB′的斜率稱作為可逆磁化率或增量磁化率

rev。在起始磁化曲線OABC上任意一點的斜率稱為微分磁化率。

diff－

rev＝irr連接原點O和起始磁化曲線上任一點的直線的斜率稱作為總磁化率

tot?？偞呕实淖畲笾担磸脑cO畫直線與起始磁化曲線相切的直線的斜率，為最大磁化率

max。55固體磁性及磁性測量原理5/8/20243.磁滯回線H從飽和狀態(tài)減小，M不沿原來的路徑減小，并在H

＝0時達到非零值，稱為剩余磁化強度Mr；H沿負方向進一步增加時，M進一步減小，最終降到0。這時的磁場絕對值稱為矯頑力Hc。H改變一周得到的M閉合回線稱磁滯回線。Ms不超過2.5T；Hc（0.1Oe-2500Oe）。56固體磁性及磁性測量原理5/8/20244.退磁場材料的磁化曲線，不僅僅依賴于磁化率，還依賴于磁體的形狀。當有限大的樣品被磁化時，兩端出現(xiàn)磁極，產(chǎn)生一個反向磁場。稱為退磁場。N為退磁因子，僅與樣品形狀有關(guān)。如沿長軸磁化的細長樣品，N=0；粗短樣品，N就很大。57固體磁性及磁性測量原理5/8/2024沿垂直表面方向磁化的半無限大的平板的退磁因子：設(shè)磁化強度為M，則平板兩面的自由磁極的面密度為

M(Wb/m2)，使用高斯定理：沿表面方向磁化的半無限大的平板的退磁因子N＝058固體磁性及磁性測量原理5/8/2024如果樣品是不規(guī)則的，退磁場將是不均勻的，隨樣品中位置不同而變化。無法定義簡單的退磁因子。能嚴格計算退磁因子的樣品形狀－－橢球體。橢球中，退磁場是均勻的，可以證明沿三個主軸方向的退磁因子：Nx+Ny+Nz=1

長軸細化的細長橢球：k為縱橫比，k>>1abcXYZ59固體磁性及磁性測量原理5/8/2024對于近于圓盤形狀的扁圓形橢球?qū)τ谇蜓亻L軸磁化的圓柱體60固體磁性及磁性測量原理5/8/2024沿長軸磁化的圓柱體和橢球體的退磁因子61固體磁性及磁性測量原理5/8/2024往往實驗所得的磁滯回線和真實的磁滯回線由于退磁場存在不同二者相比猶如受一切變。作用在材料上的真實的外磁場小于實際所加的外磁場。實驗所得的磁滯回線需要校正為真實的磁滯回線?；驑悠纷龀梢欢ǖ男螤睢Ｒ⒁怙柡痛艤鼐€。62固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁化強度為M的空腔內(nèi)的磁場空腔表面上自由磁極的分布與一個和空腔形狀相同的實體表面上的自由磁極分布相同。空腔表面上自由磁極產(chǎn)生的場與一個和空腔形狀相同的實體內(nèi)部產(chǎn)生的退磁場大小相等，方向相反。因此空腔內(nèi)磁場方向和周圍磁體的M同向63固體磁性及磁性測量原理5/8/20241-3磁路1-3-1磁路對于介電材料，在沒有真實電荷時，總有對于磁性材料，總有64固體磁性及磁性測量原理5/8/2024對于導電介質(zhì)中，也有如果導體由絕緣體包圍，情況就簡單了。如：導線，電導率高，空氣中電導率低，因此電流總是沿導線流動。類比電解質(zhì)，

0＝8.85×10-12F/m，對于介電常數(shù)為

的介質(zhì)，總有電力線漏到真空中去。類比磁介質(zhì)，情況介于電導率和電解質(zhì)之間。

>>

0＝4×10-7，磁通密度基本完全限制在磁性材料之中。65固體磁性及磁性測量原理5/8/2024安培環(huán)路定律介質(zhì)中的安培環(huán)路定律電路處理磁路66固體磁性及磁性測量原理5/8/2024平均半徑為R,匝數(shù)為N,磁導率為的螺繞環(huán),當電流i0通過其線圈時，計算H,BandM無磁芯有磁芯67固體磁性及磁性測量原理5/8/2024磁路定律磁路中的磁通密度B對應于電路中的電流密度i，磁路中的總磁通量：對比電路中的電動勢，定義磁路中的磁通勢68固體磁性及磁性測量原理5/8/2024兩個不同磁路：軟磁＋永磁如果一個磁路有一個或幾個分路，我們用克?；舴虻谝欢桑?9固體磁性及磁性測量原理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固體磁性及磁性測量原理5/8/20241-3-2靜磁能1、永磁體組成的系統(tǒng)磁極強度m1、m2…mi…mn，相應每個磁極位置的磁勢

1、

2…

i…

n，則系統(tǒng)總磁勢能是：如果自由磁極分布在密度為

m的空間里，則能量由體積積分：71固體磁性及磁性測量原理5/8/2024

也可以在給定的邊界條件下解Poisson方程或解沒有磁極處的Laplace方程在鐵磁介質(zhì)中，感應的自由磁極密度可用磁化強度表示：如果材料是均勻的，Ms大小應該是常數(shù)，72固體磁性及磁性測量原理5/8/2024舉例：沿徑向磁化的球：解以上方程得：由泊松方程：靜磁能：73固體磁性及磁性測量原理5/8/2024靜磁能也可以用M和H來表示，設(shè)第k個磁體的長度是lk，則磁矩為：74固體磁性及磁性測量原理5/8/2024靜磁能也可以用B和H來表示，在真空中，在軟磁材料中，75固體磁性及磁性測量原理5/8/20241-4磁學中的單位制1-4-1國際單位制（SI）各個科學技術(shù)領(lǐng)域各種量的計量單位都統(tǒng)一在一個單位制中，叫國際單位制。主要來自于MKSA有理制：基本量是：長度：米（m）；重量：千克（kg）；時間：秒（s）；電流：安培（A）其他電磁學量可以根據(jù)一定的物理關(guān)系式導出76固體磁性及磁性測量原理5/8/20241-4-2高斯單位制是一種混合單位制，在電磁學的絕對靜電單位制和絕對電磁單位制的基礎(chǔ)上建立起來。1、絕對靜電單位制（CGSE或e.s.u）取長度、質(zhì)量和時間三個量為基本量，基本單位為厘米（cm）、克（g）、秒（s）。電量的單位是第一導出單位，由庫侖定理中