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第五讲 近现代电磁学发展
183日
提出电磁感应三要素：磁力线、相对运动、 （2）Faraday 提出电磁感应三要素：磁力线、相对运动、电磁 ） 感应。 感应。
（3）发电机的研制： ）发电机的研制： 根据Faraday发现的电磁感应原理和发电机模型，一个 发现的电磁感应原理和发电机模型， 根据 发现的电磁感应原理和发电机模型 个企业开始研制发电机， 个企业开始研制发电机， • 法国企业家 法国企业家Pixi发明永磁发电机，第一台商用发电机 发明永磁发电机， 发明永磁发电机 是伦敦的商人E.M.Clarke1832年制造的。 年制造的。 是伦敦的商人 年制造的 • 1850年法拉第担任港务局某公司的顾问一年 F.H. 年法拉第担任港务局某公司的顾问一年, 年法拉第担任港务局某公司的顾问一年 Holmes在该公司研制电弧灯照明时，他不但参加过 在该公司研制电弧灯照明时， 在该公司研制电弧灯照明时 试验，而且审查设计方案。试验成功后他写报告说： 试验，而且审查设计方案。试验成功后他写报告说： 产生的光“极其强烈，如此集聚， 产生的光“极其强烈，如此集聚，还消除了阴影和晃 人们不能不为其成功而赞叹！ 动，人们不能不为其成功而赞叹！” • 1868年Simens发明激磁发电机。 发明激磁发电机。 年 发明激磁发电机
2. 静电的发生和规律
（1）摩擦电机和起电盘： ）摩擦电机和起电盘： O.von Guericke 1669年发明，湿布摩擦旋转的硫磺球，可 年发明， 年发明 湿布摩擦旋转的硫磺球， 产生大量静电。 产生大量静电。 Newton 1675年用玻璃球取代硫磺球，产生大量静电，发现 年用玻璃球取代硫磺球， 年用玻璃球取代硫磺球 产生大量静电， 铁粉在磁体周围呈有序排列。 铁粉在磁体周围呈有序排列。 德国人Leupold发明静电启电盘，能连续发静电。 发明静电启电盘， 德国人 发明静电启电盘 能连续发静电。 提出电容、电位和电量等概念。 （2）Henry Cavendish 提出电容、电位和电量等概念。 ） (3) Volta1800发明电池，能连续供动电，发现 发明电池， 发明电池 能连续供动电，发现Q=CV。 。 （4） 对电的本质的认识： ） 对电的本质的认识： • F.Dufay 1733年提出二元电流体说（松脂电、玻璃 年提出二元电流体说（ 年提出二元电流体说 松脂电、 ），提出异性相吸 同性相斥， 提出异性相吸， 电），提出异性相吸，同性相斥， 三种带电方式：摩擦带电、传导带电、感应带电。 三种带电方式：摩擦带电、传导带电、感应带电。
电磁场原理的应用的前景
电磁场原理的应用的前景1. 介绍电磁场原理是电磁学的基础，在现代科技发展中起到了至关重要的作用。
电磁场原理的应用广泛涵盖了通信、能源、医疗、交通、科学研究等众多领域。
本文将探讨电磁场原理应用的前景，并重点介绍其中几个领域的应用案例。
2. 通信领域2.1 无线通信技术电磁场原理是无线通信技术的基础。
通过电磁场的传播和调制，无线通信可以实现远距离的信息传输。
目前，随着5G技术的发展，无线通信的速度和稳定性得到了极大的提升。
未来，基于电磁场原理的无线通信将进一步普及和发展，为人们的生活和工作带来更多的便利。
2.2 光纤通信技术光纤通信是一种利用光信号进行信息传输的通信技术。
光纤通信利用电磁场原理中的光传播特性，能够实现超高速、超远距离的数据传输。
在现代信息社会中，光纤通信技术已经成为主流，随着数据量的不断增长，光纤通信的需求将继续增加。
3. 能源领域3.1 太阳能太阳能是目前最为广泛应用的可再生能源之一。
太阳能的利用依赖于电磁场原理中的光电效应，将太阳能转化为电能供给家庭和工业使用。
随着对可再生能源需求的不断增加，太阳能发电技术将继续得到改进和扩展，为人类提供更为清洁和可持续的能源。
3.2 风能风能是另一种重要的可再生能源。
风能利用电磁场原理中的发电机原理，将风的动能转化为电能。
风能的利用具有可再生、资源广泛等特点，且不产生二氧化碳等污染物，因此备受关注。
未来，风能技术将进一步改进和创新，成为能源领域的主要补充能源之一。
4. 医疗领域4.1 医学影像技术电磁场原理在医学影像技术中起到了至关重要的作用。
例如，核磁共振成像（MRI）利用了原子核在外加磁场中的能级差异，通过电磁场的激励和信号接收，生成人体内部的高清影像。
这种非侵入性的影像技术在医疗诊断中具有重要的地位，并广泛用于疾病的早期检测和治疗。
4.2 生物医学工程生物医学工程是利用电磁场原理研究和应用于医学领域的学科。
例如，心脏起搏器和听力助听器利用了电磁场原理的电刺激效应，对患者进行心脏和听力的辅助治疗。
电磁驱动的发展现状及未来趋势分析
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随着人工智能、物联网、新能源等新兴技术的发展，电磁驱动技术将会更加智能化 、自主化和高效化。
电磁驱动技术的材料、制造、装配等方面将会更加精细和严格，对技术的要求将会 更高。
电磁驱动技术的发展还需要解决一些重大挑战，如高能耗、高成本、技术标准不统 一等问题，需要加强研究和创新。
对未来研究和发展的建议和展望
03
用于精密制造和高端装备领域。
电磁驱动技术的优缺点分析
• 响应速度快：电磁驱动技术具有快速的响应能力，能够适应高速运转和复杂环境下的工作需求。
电磁驱动技术的优缺点分析
01 缺点
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成本高：电磁驱动技术的设备和材料成本较高，不利
于推广应用。
03
对环境要求高：电磁驱动技术对工作环境和温度等条
件要求较高，需要采取相应的保护措施。
02
电磁驱动技术的发展历 程
电磁驱动技术的起源
电磁驱动技术的起源可以追溯到19世纪初，当时科学家们开 始研究电磁现象，并探索如何利用电磁力驱动物体。
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，为电磁 驱动技术奠定了基础。
电磁驱动技术的发展现状
随着科技的不断进步，电磁驱动 技术得到了广泛应用和发展。
03
电磁驱动技术的分类和 应用
电磁驱动技术的分类
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直线型电磁驱动器
利用电磁铁、线圈和永磁 体之间的相互作用，实现 直线运动。
旋转型电磁驱动器
利用电动机、发电机和电 磁铁之间的相互作用，实 现旋转运动。
振动型电磁驱动器
利用电磁铁和线圈之间的 相互作用，产生振动效应 。
电磁驱动技术的应用领域
工程电磁场未来发展方向及前景
工程电磁场相关理论在多个领域的成功应用，促进了各领域的突破性发展。
在未来的各领域的发展中，也离不开电磁场的研究与运用。
在电磁场的诸多应用领域中，以下简单叙述其中的几个应用方面。
1、新型电磁材料科学技术是推动社会进步和经济繁荣的强大动力，而材料科学是科学技术发展得重要基石，新材料的发现和运用是推动科学技术发展的根本动力之一。
人工电磁材料作为一种新型材料，具有天然材料所不具备的独特电磁特性，近年来迅速成为国际上的一个研究热点。
电磁特性的研究在人工电磁材料领域必不可少，电磁学的发展与新型电磁材料的研究也密切相关。
2、磁悬浮技术磁悬浮技术是通过将传感器、控制器、电磁铁以及功率放大器等多个元件进行有效组合从而产生电磁力将物体无机械接触地悬浮起来的一门技术。
其是一门很复杂的多学科综合的技术。
近年来，随着科学家对于电子技术、控制工程、电磁理论以及新型电磁材料的研究，磁悬浮技术取得了突破性的进展，该项技术已经广泛应用于航空、铁路、仪表、机械制造等多个领域，而电磁学在磁悬浮技术中毫无疑问是极为关键的一环。
3、新型电机研究现代电机设计质量要求越来越高，随着应用领域的扩展，各种新型电机应运而出。
电机设计师一个非常复杂的过程，需要考虑多种因素，并不断进行综合和分析，是一个反复调整设计方案和对设计方案进行评价的过程，而电磁设计则是其中非常关键的一步。
4、生命科学领域目前，强磁场生命科学的研究是重要的交叉学科前沿，具有重要的学术研究意义，并且存在重大突破的可能性。
强磁场下新的生物学效应、大梯度强磁场抗磁悬浮技术及应用、强磁场下的铁代谢及其相关疾病研究、强磁场应用于肿瘤治疗的基础与转化研究、强磁场下生命科学和健康医疗研究技术等课题都是基于强磁场在生命科学领域的研究，对未来的生命科学与健康医疗研究具有重要意义。
5、超导磁浮储能技术大规模的风电的并网对电力系统的运行影响比较大，如何在可再生能源比例较高的情况下保证电网的稳定运行，是个很大的挑战，而储能就是一个很好的支撑技术。
电磁技术与社会发展
随着电磁技术的普及和应用，将产生大量相关领域的就业机会，同时 也会对传统产业造成冲击，需要关注就业结构的调整和转型。
如何应对电磁技术的潜在风险
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加强监管与标准制定
政府和相关机构应加强对电磁技术的监管，制定 和完善相关标准和规范，确保其安全、可控地发 展。
强化科研与公众教育
加大对电磁技术科研的支持力度，同时加强公众 教育，提高人们对电磁技术的认知和理解，减少 误解和恐慌。
智能化与自适应性
未来的电磁技术将更加注重智能化和自适应性，能够根据 环境和需求自动调整工作状态，提高系统性能和效率。
对未来社会发展的影响与挑战
促进科技进步
电磁技术的发展将推动相关领域的科技进步，如通信、医疗、能源 等领域，为人类社会带来更多福祉。
改变能源结构
高效能的电磁设备将有助于可再生能源的利用和储存，降低对化石 燃料的依赖，促进能源结构的转型。
节能减排与可持续发展
电磁技术作为一种清洁能源技术，具有高效、环保、可再 生的特点，符合可持续发展的要求。例如，电磁能发电技 术可以利用废弃物、生物质等进行发电，实现能源的循环 利用。
电磁技术还可以与可再生能源相结合，提高可再生能源的 利用效率和稳定性，促进节能减排和可持续发展。例如， 电磁储能技术可以用于储存风能、太阳能等可再生能源， 解决其不稳定的问题。
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电磁技术与环境保护
减少污染排放
电磁技术应用于工业生产中，可以减少废气、废水和固体废 物的排放，降低环境污染。例如，电磁加热技术可以替代传 统的燃烧加热方式，减少燃煤、燃油等产生的废气排放。
电磁技术还可以提高生产效率，降低单位产品的能耗和资源 消耗，从而间接减少污染物的排放。例如，高频电磁感应加 热技术可以高效地加热金属材料，缩短加热时间，节约能源 。
电磁学在通信技术中的应用与发展
电磁学在通信技术中的应用与发展随着现代科技的飞速发展，通信技术已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
而电磁学作为通信技术的基础，发挥着重要的作用。
本文将探讨电磁学在通信技术中的应用与发展，并展望其未来的前景。
首先，我们来了解一下电磁学的基本原理。
电磁学是研究电荷在电场和磁场中相互作用的学科。
它的基本原理可以归结为麦克斯韦方程组，这是描述电磁场的四个基本方程。
通过这些方程，我们可以理解电磁波的传播、电磁场的变化以及电磁辐射等现象。
在通信技术中，电磁学的应用非常广泛。
首先，无线通信是电磁学的重要应用之一。
无线通信是指通过无线电波进行信息传输的技术。
无线电波是一种电磁波，它可以在空气中传播，从而实现远距离的通信。
无线通信技术的发展，使得人们可以通过手机、电视、无线网络等设备进行远程通信和信息传递。
这些设备利用了电磁学的原理，将信息转化为电磁信号，并通过无线电波传输到接收设备。
无线通信技术的应用范围越来越广泛，不仅改变了人们的生活方式，也推动了社会的发展。
其次，光通信也是电磁学在通信技术中的重要应用之一。
光通信是指利用光纤作为传输介质，通过光信号进行信息传输的技术。
光纤是一种能够传输光信号的细长光导纤维，其核心是由光纤材料构成。
光通信技术利用了电磁波在光纤中的传播特性，将信息转化为光信号，并通过光纤进行传输。
相比传统的铜缆线，光纤具有更高的传输速度和更大的带宽，可以满足现代通信技术对于大容量、高速率的需求。
光通信技术在互联网、电视传输、数据中心等领域得到了广泛应用，成为了现代通信技术的重要支撑。
除了无线通信和光通信，电磁学在通信技术中还有其他的应用。
例如，雷达技术就是利用电磁波进行目标检测和测距的一种技术。
雷达通过发射电磁波，并接收目标反射回来的信号，通过分析这些信号可以确定目标的位置和距离。
雷达技术在军事、航空、气象等领域有着广泛的应用。
此外，电磁学还在卫星通信、电磁波屏蔽、天线设计等方面发挥着重要作用。
当代磁学发展的特点和展望(二)
发现可以预计，在尚未仔细研究过磁 结构的铁族 , 12 族 / 、 稀土族 , 34 族 / 和 甚至钌族 , 32 族 / 和锇族 锕族 , 54 族 / ， , 52 族 / 金属及其合金化合物中， 也很 可能发现新的序磁性和新的磁结构。 又如， 在当代磁学研究中， 磁 , 矩 / 有序 现象已经从具有未满电子壳层的金属 及其合金和化合物，扩展到一些由充 满电子壳层的非金属元素组成的有机 化合物。 可以期望， 新的序磁性物质还 会不断在传统的序磁性物质系统之外 出现和受到更多更仔细的研究，大大 丰富序磁性物质的范围。
像观测铁由—铁磁材料和半导—铁磁 材料等中可观测载磁子 = 原子磁矩 > 的 分布情况，从回旋共振成像可观测半 导体—铁磁材料和半导体材料中的载 流子分布情况。 又如， 象已经应用的核 —核磁双共振、核—电子磁双共振和 核—光磁双共振一样，将来发展其他 类型的磁双共振， 甚至磁多共振， 将会 进一步扩大磁共振的研究领域，开拓 更多磁共振的应用范围。
关于当代磁共振的 发展展望
磁共振既是当代磁学发展期中诞 生的新科学技术，又包含电子顺磁共 振、 铁磁共振、 亚铁磁共振、 反铁磁共 振、 回旋共振、 核磁共振、 穆斯堡尔效 应和 $ 子自旋共振等众多领域。应用 又涉及基础科学、工业生产和高新技 术等许多方面， 不但是当前备受重视， 而且也富有发展前景。 例如， 将来从核 磁共振成像发展到顺磁共振等其他磁 共振成像，发挥各种磁共振成像的特 点， 如， 从顺磁共振成像可观测人体中 自由基的增减和分布，从铁磁共振成
关于当代基础磁学的 发展展望
当代磁学的发展，一方面从铁族 , 12 族 / 扩大到稀土族 , 34 族 / 以至锕 族 , 54 族 / 的研究， 另一方面从宏观磁 性深入到微观磁结构的研究。这样就 不断有新的磁特性和新的磁结构在研 究中出现。例如， 铁族 , 12 族 / 中金属 铬 , 67 / 在中子衍射和散射研究中，不 但 观 测 到 67 具 有 游 动 电 子 的 反 铁 磁 性，而且还观测到 67 中的纵的和横的 自旋密度波及自旋偏转现象。
电磁技术的发展
跨界融合
与其他领域的交叉融合将进 一步拓展电磁技术的应用范 围，如生物医学工程、航空 航天等领域的融合发展。
THANKS
VS
详细描述
量子电磁学主要研究微观尺度下电磁场的 量子效应和量子系统的电磁相互作用。随 着量子计算技术的发展，量子电磁学在量 子通信、量子传感、量子信息处理等领域 的应用前景越来越广泛。通过研究量子电 磁学，有望实现更高效、更安全的量子信 息技术。
无线充电技术
要点一
总结词
无线充电技术是电磁技术的重要应用之一，具有便捷、高 效、环保等优点，未来发展潜力巨大。
波在真空中传播的速度等于光速的结论。
赫兹实验与电磁波的发现
总结词
赫兹实验证实了电磁波的存在，开启了无线通信和电磁波应用的新时代。
详细描述
赫兹在19世纪80年代进行了一系列实验，成功地证明了电磁波的存在。他通过发射器和接收器之间的电磁波传递， 实现了振荡器之间的共振，从而证实了电磁波的传播。这一发现不仅证实了麦克斯韦关于电磁波的预言，而且开 启了无线通信和电磁波应用的新时代。
要点二
详细描述
无线充电技术是指通过无线方式为电子设备提供电能的技 术。随着移动设备的普及和物联网技术的发展，无线充电 技术的市场需求不断增长。目前，无线充电技术已经广泛 应用于手机、平板电脑、智能手表等设备。未来，随着技 术的进步和应用场景的拓展，无线充电技术有望在电动汽 车、医疗设备、智能家居等领域得到更广泛的应用。
电磁技术的未来展望
绿色环保
随着环保意识的提高，低能 耗、低污染的电磁技术将成 为未来发展的重点，如高效 节能电机、无污染的电磁加
热等。
01
02
新材料应用
随着新材料的不断涌现，如 高温超导材料、纳米材料等 ，将为电磁技术的发展开辟
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新概念
新效应
新规律
微电子技术 信息技术 纳米科技
新磁学研究是以自旋电子学概念的提出为起点的。电子具有电荷 和自旋自由度，但传统的微电子学器件功能设计主要是基于电荷， 忽略了自旋自由度。实际上，随着研究的深入，人们发现低维纳 米尺度的体系中自旋自由度在很多方面优于电荷，例如退相干时 间长、能耗低等。充分利用电子的自旋属性，有可能获得功能更 强大、操控更方便、处理速度更快的新一代微电子器件。以此为 契机，作为凝聚态物理的一个新的分支--自旋电子学出现了。
1.更加注重和其他学科的交叉融合 2.更加注重自旋个体运动规律的探索 3.更加注重自旋态的多场调控研究
• 1924年乌伦贝克和古德施密特发现电子自旋-量子力学效应 • 1926年海森堡揭示了分子场的微观机制-交换作用 • 斯托纳、斯莱特和莫特提出巡游电子模型--过渡金属的非整 数磁矩
现代磁学发展简史
在基本磁学问题研究取得不断进展的同时，磁性材料的应 用也得到了快速发展。在工业化潮流的推动下，上个世纪 早期低矫顽力的软磁材料迅速发展，相继出现了硅钢、坡 莫合金等软磁材料。之后，在无线电技术需求的推动下， 40年代又发展了适用于射频的磁粉介质、铁氧体材料，特 别是后者，为电子技术带来了翻天覆地的变革。和软磁材 料不同，去掉磁场后仍能保持磁性的材料称为永磁材料。 按照磁体成分划分，永磁材料的发展历程可以分为三个阶 段。第一阶段：金属磁体题，碳钢、钨钢及钴钢等；第二 阶段：铁氧体；第三阶段：稀土永磁材料。永磁材料在微 波通讯、音像和数字纪录、信息技术以及工业、国防和日 程生活等各领域的应用极为广泛。
新磁学研究的特点与发展趋势
1.更加注重和其他学科的交叉融合
自旋电子学和半导体物理的交叉融合。以半导体作为自旋输运、操纵的载体， 探索自旋运动规律，实现磁调控与电调控的有机结合。结合了磁性物理与半 导体物理的磁性半导体、稀磁半导体是过去十年中凝聚态物理的重点研究方 向之一
与信息物理、技术的交叉。信息技术的关键是信息的存储、传输与处理。 磁记录在一个时期内将仍然是超高密度信息存储的主要技术。同时，以巨磁 电阻效应为基础的更先进的信息读写技术已得到广泛应用，以隧道磁电阻效 应为基础的磁随机存储器的研制也取得了阶段性成果。已有研究结果表明:非 磁性半导体中各种自旋具有相当长的相干时间长度，且可受光、电控制,利用 自旋的量子相干过程可能实现固态量子计算和量子通讯，引领新一代信息技 术
磁学研究现状与发展趋势
孙继荣 广 西 . 北海 2019.12.16
报告内容
现代磁学发展简史 新磁学研究的特点与发展趋势 新磁学研究方向 举例
现代磁学发展简史
• 1894年 居里确定了顺磁磁化率与温度成反比的实验定律 （居里定律） • 1905年朗之万将经典统计学应用到原子磁矩系统上，推导出 居里定律 • 1907年外斯（Weiss）假设分子场，解释了自发磁化。 • 经典磁学的困难：无法解释原子磁矩的大小；不能说明分子 场的起源。
3.更加注重自旋态的多场调控研究
自旋电子学利用自旋自由度作为信息传输的载体,其关键是要达到对固态系 统中自旋自由度的有效操控。通过自旋--轨道耦合、自旋--电荷耦合及自旋 转移力矩效应，利用电场、光场结合磁场实现自旋态的调控，而传统磁学 则主要利用磁场。一个典型的例子是自旋霍尔效应的研究。对非磁性半导 体施加外电场,自旋--轨道耦合会导致在与电场垂直的方向上产生自旋流,同 时在样品的两个边界处形成取向相反的自旋积累，利用这一物理效应可能 实现自旋累积，产生自旋流。另外一个例子是自旋极化电流对固态磁矩的 调控。当自旋极化电流通过纳米尺寸的铁磁薄膜时,与多层膜磁矩的散射会 导致自旋角动量由传导电子到薄膜磁矩的转移,引起薄膜磁矩的不平衡,发 生转动、进动甚至磁化方向翻转。椭圆偏振光对电子的选择性激发也是产 生自旋极化电流一种方式。
子相态。探索体系在不同相之间的电子结构的演化规律，研究关联电子系统
中各种自由度随参数改பைடு நூலகம்而导致的电子结构的改变，对于庞探磁电索阻相效关应量子效应
的起源，研究更有效的量子调控机理尤为重要。
多铁性现象
奇异表面/界面关联效应
磁学研究的特点与发展趋势
2.更加注重自旋个体运动规律的探索
传统磁学关注磁矩之间的相互作用导致的集体激发行为，注重宏观统计行 为的研究。统计平均往往抹平了自旋的量子特性。与此不同，现代磁学更 关心自旋的运动学与动力学行为，自旋个体的输运规律、自旋弛豫行为以 及自旋相干性的演变等，更加关注自旋的量子特性。
磁学研究的特点与发展趋势
和表面/界面物理的交叉。由于表面、界面的对称破缺、独特的层间耦合以 及增强的量子涨落效应，自旋相关问题例如自旋-轨道耦合、自旋相干性在这 里得到更突出的体现。一个典型的例子是对二维电子气系统（例如石墨稀） 自旋流的产生与输运规律研究以及通过 Rashba 效应对二维电子自旋输运行 为的调控。另外一个例子是低维磁性问题的研究。当维度降低到可以与特征 关联长度相比时的特殊磁性、特殊界面问题、交换偏置问题。
与关联电子问题的交叉。关联量子现象的一个共同特征，是存在电荷、自
旋、轨道、晶格等多种自由度或超导有序、磁性有序、电荷有序、轨道有序
等多种有序相的共存和竞争。关联量子材料发现的各种新颖的量子现象正是
来源于这些自由度或有序相的相互作用。在不同的材料或不同的外界环境中，
不同自由度扮演的角色和重要性是不同的，这导致了关联量子材料丰富的量
现代磁学>>新磁学过渡
经过近一个世纪的探索，对传统磁性基本问题的认识逐渐趋于成熟 尽管还存在一些有待于进一步澄清的问题，整体来讲基本磁学理论已经 建立，对磁相关现象的认识不断深化，从表面到本质、从宏观到微观，解 释也逐渐趋于完善。 对非强电子关联磁系统，已经可以从理论上准确预言体系的基态磁结构、 磁化强度、电子自旋极化率。 有关传统固体软磁和硬磁性的研究，已逐渐成为材料科学问题，而较少 在凝聚态物理领域讨论了，磁学研究的重心逐渐从传统磁学转向以自旋电 子学为标志的新磁学研究。