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磁性物理 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. 引言. 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。. 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

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磁性物理 1

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Presentation Transcript

  1. 磁性物理1 固体磁性基础

  2. 磁学是一门研究物质磁性的学科

  3. 引言 • 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。

  4. 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) • 武经总要 曾公亮 指南鱼：在地 (1044 AD,南宋) 磁场下热处理

  5. 1.中国古代的磁性 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 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

  6. 中国古代制备指南针的方法 • 直接浮在水面上； • 置于指甲上； • 置于碗的边缘上； • 悬于绳子上。

  7. 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。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。 司 南 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。

  8. 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。

  9. 磁学是一门即古老又年轻的学科 • 磁石：最早的著作《De Magnete》W.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。

  10. 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建立亜铁磁理论 • 1954-1957年 RKKY相互作用的建立

  11. 1958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 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.Grünberg • 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 • 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki

  12. Development and branches of magnetism

  13. 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

  14. 磁悬浮列车

  15. 计算机硬盘 磁记录介质 永磁马达 磁头 硬磁驱动片 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。

  16. 永磁在汽车上的应用 CD马达 太阳顶马达 窗户升降 雨刷马达 安全带马达 风扇马达 前洗刷泵 前灯门马达 油泵马达 位置调整马达 水泵马达 速度传感器 起动马达 功率操纵马达

  17. The World of Magnetic Sensors Global Position Systems Compassing Vehicle Detection Rotational Displacement Navigation Communication Products Position Sensing Current Sensing

  18. 磁学运用到纳米学科 ----纳米磁学

  19. 纳米是多长？ 10 nm 100 µm 100 nm 1 µm 10 µm 1 mm Lorke/CeNS

  20. 下一代磁硬盘的新材料 Z.B. Magnetic colloids Spin coating

  21. Fe70 Pt30 25 nm FePt纳米颗粒 自组织 尺寸 高分辨透射电镜 10 Tb / inch2 ! 6 nm

  22. 磁性细菌束 Lake Chiemsee (Bavaria) B Transmission electron micrograph of Magnetobacterium bavaricum, a rod-shaped magnetotactic bacterium from Lake Chiemsee (Upper Bavaria) with four bundles of chains of magnetosomes. Individual 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 magnetosomes are made of magnetite and measure, on average, 100 nm. 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 0.5 µm. Nahrung 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 µm (b) 链捆的内部结构，标尺为 0.1 µm。 M. Hanzlik et al. / J. Magn. Magn. Mat. 248 (2002) 258–267

  23. 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！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！

  24. 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

  25. 第一章 固体磁性基础 17世纪早期William Gilbert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。

  26. 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

  27. 草莓是磁性的吗？ 实验：磁场约为16 Tesla，置于一强磁体的Ø 32mm 孔中 (320.000 倍 地磁场) Nijmegen High Field Magnet Laboratory

  28. 悬浮的西红柿 Nijmegen High Field Magnet Laboratory

  29. 无重力的水珠 Nijmegen High Field Magnet Laboratory

  30. 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

  31. 1-1. 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

  32. 吸引 ２、磁偶极矩 磁学的最直观 的表现形式 排斥 • 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：Wb m

  33. ３、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/m

  34. 1.1.２. 电流回路的磁矩 1、 电流回路产生的磁矩 • 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。

  35. 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. 线圈中磁场的分布 单线圈轴线上: 单线圈圆心上: 双线圈组轴线上:

  37. 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. 为r和l之间的夹角

  39. 2、磁偶极子在空间某点Ｐ的磁场强度

  40. 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

  41. 均匀磁场中 在磁场剃度中

  42. 2、 磁体在外磁场中的磁位能 • 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

  43. If 1=2, 1 = 2;

  44. 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.

  45. 1.1.5. 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. 写入磁性数据的“Bit” 态 “0” 和 “1” 1-2 磁化强度和退磁场 “1” “0”

  47. 1.2.1、磁性材料和磁化强度 1.磁化强度的定义 • 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:Wb m -2 = T(tesla), 1 T = 10 4/4 gauss = 7.910 2 gauss • 比磁化强度，单位为Am2/kg，表示为： = μm / Vd

  48. 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 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。 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. 2. 电磁感应测量磁化强度 施加磁场垂直于线圈截面 插入磁芯感应电压增加 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

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