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1、磁性物理 1 固体磁性基础 磁学是一门 研究物质磁性的学科 p磁学是一门即古老又年轻的学科。 p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。 p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。 p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 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 AD) (东汉)
2、武经总要 曾公亮 指南鱼：在地 (1044 AD,南宋) 磁场下热处理 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 p 直接浮在水面上； p 置于指甲上； p 置于碗的边缘上； p 悬于绳子上。 中国古代制备指南针的方法 司 南 汉（公元前206公元220年）。盘17.817.4厘米,
3、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。 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。 磁学是一门即古老又年轻的学科 磁石：最早
4、的著作De MagneteW.Gibert 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。 1907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
5、亜铁磁理论 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 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-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 2007诺 贝尔奖A.Fert和P.Grnberg 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaC
6、aMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki Development and branches of magnetism 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 磁悬浮列车 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 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
7、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 Compassing Global Position Systems Vehicle Detection Navigation Rotational Displacement Position Sensing Current Sensing Communication Products The World of Magnetic Sensors 磁学运用到纳米学科 -纳米磁学 100 m1 mm10 m1 m100 nm 10 nm 纳米是多长？ Lorke/CeNS 下一代磁硬盘
8、的新材料 Z.B. Magnetic colloids Spin coating 43 3 % Fe3.6 0.1 nm 48 2 % Fe3.6 0.1 nm 58 3 % Fe3.6 0.1 nm 70 3 % Fe2.6 0.1 nm 25 nm Fe70 Pt30 自组织 尺寸 高分辨透射电镜 FePt 纳米颗粒 6 nm 10 Tb / inch2 ! M. Hanzlik et al. / J. Magn. Magn. Mat. 248 (2002) 258267 Magnetic 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.
9、5 m. 磁性细菌束 B Nahrung Lake 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 four bundles of chains of magnetosomes. Individua
10、l 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 bodies inside the cell consist of sulphur, the magne
11、tosomes are made of magnetite and measure, on average, 100 nm. 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！ 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 Press 廖绍彬，钟文定铁磁学（上，中，下），科学出版 社 第一章 固体磁性基础 17世纪早期William Gilbert研
12、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。 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
13、化曲线和磁滞回线 磁路 磁学中的单位 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？ 悬浮的西红柿 Nijmegen High Field Magnet Laboratory 无重力的水珠 Nijmegen High Field Magnet Laboratory 结论 p 世上万物都有磁性 p 分类为强磁性和弱磁性 p 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 1-1. 磁矩 1-1-1 磁偶极子 1、 磁极，磁荷 指北端: 正磁
14、极，N 指南端: 负磁极，S 相似于正, 负电荷 、磁偶极矩 l同号磁极相斥，异号磁极相吸 l极上的正磁荷：；极上的负磁荷： l点磁荷：磁极尺寸 l， 忽略 l2 项 为r和l之间的夹角 2、磁偶极子在空间某点的磁场强度 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矩的作用 均匀磁场中在磁场剃度中 l当0时，磁体受的力矩最小，处于稳定状态 l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 l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 If 1=2, 1 = 2; 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. 1.1.5. B和H极其关系 l静磁学中，空间任一点
