磁性物理学课程2004913
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第01章 磁性物理学
第一章磁性物理学（Lisa Tauxe著，刘青松译）建议补充读物关于基础知识，可以参考Butler (1992)，1－4页；以及大学物理教科书中关于磁学基础的有关章节。
更多信息可参看：Jiles (1992) 和Cullity (1972) 的第一章。
本章中，我们将了解磁学的基本物理基础，我们主要使用基于“米－千克－秒”制的国际单位（SI）系统。
在磁学中，还有另外一些单位系统也是很重要的，其中，最常用的基于cgs系统的电磁单位系统页也将在本章后面介绍。
1.1 什么是磁场？和重力场一样，磁场既看不见也摸不着。
对于地球重力场来说，我们可以通过引力直接感知其存在。
而对于磁场，只有它作用于一些磁性物体时（例如某些被磁化的金属，天然磁石，或者通电的线圈），我们才能确定其存在。
例如，如果我们把一个磁化的针头放在漂于水面的软木塞上，它会缓慢地指向其周围的磁场方向。
再比如，通电的线圈会产生磁场，从而引起其附近的磁针转动。
磁场的概念正是根据这些现象建立起来的。
电流能够产生磁场，因此我们可以借助于电场来定义由其产生的磁场。
图1.1a展示了当导线通以电流i时，其四周铁屑分布的情形。
根据右手法则，右手的大拇指指向电流方向（即正方向，与电子流动方向相反），其它成环状的四指则指示了相应的磁场方向（图1.1b）。
磁场H同时垂直于电流方向和径向单位矢量r（图1.1b），其强度与电流强度i成正比。
如图1.1所示，磁场强度H可以由安培定律给出：因此，磁场强度H的单位为Am-1。
安培定律的最普遍形式服从麦克斯韦电磁方程。
在稳定电场情况下，∇⨯H = J f, 其中J f 是电流密度。
也就是说，磁场的旋度等效于电流场的密度。
1.2 磁矩我们已知电流在其四周产生环绕的磁场。
如果把通电导线圈成一个面积为πr2的圆环（图1.2a），其周围的铁屑则展示了其产生的磁场的形态。
这个磁场等效于一个磁矩为m的磁铁产生的磁场（图1.2b）。
由电流i产生的磁场，其强度和圆环的面积相关（圆环越大，磁矩就越大），即m = iπr2。
磁性物理学实验教案
四、描述磁性材料的基本参数
（一）磁化强度（M）
我们定义单位体积磁体内磁偶极子具有的磁偶极矩（jm）矢量和称为磁极化强度(J)；单位体积磁体内具有的磁矩（μm）矢量和称为磁化强度(M)，即
磁极化强度①
磁化强度②
二者都是与磁体体积有关的矢量，在数值上相差真空磁导率μ0，物理意义上，都是用来描述磁体被磁化的方向与强度。
或MHC
。BHC表示使B＝0的矫顽力。MHC
表示使M＝0的矫顽力，称为内禀矫顽力。一般地，|BHC| < |MHC|。
如图2所示，当H从正的最大变到负的最大，再回到正的最大时。B-H或M-H形成一条闭合曲线，称为磁滞回线。出现磁滞现象的根本原因在于磁性材料内不可逆磁化过程的存在。磁滞回线包围的面积就是磁化一周材料所损耗的能量。这种磁损耗的大小与材料内的磁化阻力密切相关。
(四)剩磁（Mr、Br）和矫顽力（Hc）
磁性材料作为强磁性物质，对外磁场有明显的响应特性，这种响应特性可以用磁化曲线和磁滞回线来表征。两曲线表征了磁感应强度B或磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系，而这种非线性关系的物理根源是在磁性材料内存在自发磁化。
如图1，图2所示，将磁性材料磁化饱和后，从Bs或Ms状态开始，使磁化场单
图5材料的磁致伸缩系数λ~磁场H关系曲线
磁致伸缩的大小又与外磁场强度大小有关。图5是磁致伸缩 ＝ l/l（即伸长或缩短的大小 l与原长度l之比）与外磁场强度H的关系示意图。在外磁场达到饱和磁化场时，磁致伸缩为一确定值，以 表示，称为磁性材料饱和磁致伸缩系数。不同材料的磁致伸缩系数 也是不同的。 >0称为正磁致伸缩，是指沿磁场方向的长度变化是伸长的。例如Fe的磁致伸缩。 <0称为负磁致伸缩，是指沿着磁场方向上的长度变化是缩短的。例如Ni的磁致伸缩。
（一）磁化强度（M）
我们定义单位体积磁体内磁偶极子具有的磁偶极矩（jm）矢量和称为磁极化强度(J)；单位体积磁体内具有的磁矩（μm）矢量和称为磁化强度(M)，即
磁极化强度①
磁化强度②
二者都是与磁体体积有关的矢量，在数值上相差真空磁导率μ0，物理意义上，都是用来描述磁体被磁化的方向与强度。
或MHC
。BHC表示使B＝0的矫顽力。MHC
表示使M＝0的矫顽力，称为内禀矫顽力。一般地，|BHC| < |MHC|。
如图2所示，当H从正的最大变到负的最大，再回到正的最大时。B-H或M-H形成一条闭合曲线，称为磁滞回线。出现磁滞现象的根本原因在于磁性材料内不可逆磁化过程的存在。磁滞回线包围的面积就是磁化一周材料所损耗的能量。这种磁损耗的大小与材料内的磁化阻力密切相关。
(四)剩磁（Mr、Br）和矫顽力（Hc）
磁性材料作为强磁性物质，对外磁场有明显的响应特性，这种响应特性可以用磁化曲线和磁滞回线来表征。两曲线表征了磁感应强度B或磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系，而这种非线性关系的物理根源是在磁性材料内存在自发磁化。
如图1，图2所示，将磁性材料磁化饱和后，从Bs或Ms状态开始，使磁化场单
图5材料的磁致伸缩系数λ~磁场H关系曲线
磁致伸缩的大小又与外磁场强度大小有关。图5是磁致伸缩 ＝ l/l（即伸长或缩短的大小 l与原长度l之比）与外磁场强度H的关系示意图。在外磁场达到饱和磁化场时，磁致伸缩为一确定值，以 表示，称为磁性材料饱和磁致伸缩系数。不同材料的磁致伸缩系数 也是不同的。 >0称为正磁致伸缩，是指沿磁场方向的长度变化是伸长的。例如Fe的磁致伸缩。 <0称为负磁致伸缩，是指沿着磁场方向上的长度变化是缩短的。例如Ni的磁致伸缩。
课件1,第二章磁性起源
2020/8/8
3
一、原子磁矩的组成
e Ze
核外电子壳层：
电子轨道磁矩 l
e 2m
Pl
e 2m
l(l 1)
电子自旋磁矩 核磁矩
s
e m
Ps
e 2m
=9.27x10-24( Am2)
N=5.27x10-27 ( Am2)
2020/8/8
4
二、电子的轨道磁矩
原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原 子核做园周运动，原子磁矩耒源于电子的 轨道运动和电子的自旋。
2020/8/8
21
三、洪德规则
S、L、J=?
在一个未填满的电子壳层中，电子的轨道和自旋磁矩如 何形成一个原子的磁矩。
(1)未满壳层的电子自旋si排列，要使总自旋S取最大值。
S si
(2)大每值个。电子的轨道矢量li的排列，使总的轨道角动量L取 最
L=∑li
2020/8/8
22
(3)由于L和S间的耦合，电子数n小于半满时 J=L-S， 电子 数n大于半满时 J=L+S。
1)
L
J
(J
1) B
(1
J
(J
1)
S(S 1) 2J (J 1)
L(L
1) )
S
J g J (J 1)B
g 1 J (J 1) S(S 1) L(L 1)
2020/8/8
2J (J 1)
J S +L
20
当S=0，J=L，则g=1(电子轨道磁矩)；当L=0， J=S，则g=2(电子自旋磁矩)。
ml=-l, -l+1,……, 0, ……, l-1, l 计有2l+1个值
ml +2 +1
2019年最新-磁性物理学课程简介-精选文档
没有磁的应用，现代文明是不可想像的。
了解物质磁性，已经成为我们从事现代生产， 熟悉现代生活的必要准备，更是我们可以选择的 研究方向。
全球市场： 300亿美元
Global market for magnetic materials the total in 2019 was about 30b$.
20 世纪80～90年代磁学的重大发展
磁 冰 箱 原 型 机
%
B
10
8
6
4
2
0 1975
1980
1985
1990
Äê·Ý
1995
2000
2005
磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱
June 23, 2019
Modern Magnetic Materials: Principles and Applications
O’Handley 2000年在他的书中写道：美国 来自硅谷的磁性元件产值，已经大于在那里制造 的半导体元件产值，这是磁性元件在信息工业中 地位迅速提高的最好说明。
自旋电子学，其目标是利用电子的自旋属性，而不仅是电 荷属性，带来电子技术领域的革命。 先决条件
自旋极化：
自旋相关散射：
Co
Ni80Fe20
Fe
↑(nm)
5.5
4.6
1.5
↓(nm)
0.6
0.6
2.1
自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级。
（1975－2019）年“Magnetic materials” SCI论文百分数
磁记录密度的提高，磁头灵敏度的提高，大大减小了磁 硬盘的体积，直接推动了计算机体积的减小，计算速度的提 高以及容量的加大。
了解物质磁性，已经成为我们从事现代生产， 熟悉现代生活的必要准备，更是我们可以选择的 研究方向。
全球市场： 300亿美元
Global market for magnetic materials the total in 2019 was about 30b$.
20 世纪80～90年代磁学的重大发展
磁 冰 箱 原 型 机
%
B
10
8
6
4
2
0 1975
1980
1985
1990
Äê·Ý
1995
2000
2005
磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱
June 23, 2019
Modern Magnetic Materials: Principles and Applications
O’Handley 2000年在他的书中写道：美国 来自硅谷的磁性元件产值，已经大于在那里制造 的半导体元件产值，这是磁性元件在信息工业中 地位迅速提高的最好说明。
自旋电子学，其目标是利用电子的自旋属性，而不仅是电 荷属性，带来电子技术领域的革命。 先决条件
自旋极化：
自旋相关散射：
Co
Ni80Fe20
Fe
↑(nm)
5.5
4.6
1.5
↓(nm)
0.6
0.6
2.1
自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级。
（1975－2019）年“Magnetic materials” SCI论文百分数
磁记录密度的提高，磁头灵敏度的提高，大大减小了磁 硬盘的体积，直接推动了计算机体积的减小，计算速度的提 高以及容量的加大。
磁性物理学(第二章讲稿)PPT课件
原子的总动量由电子的轨道角动量和自旋 角动量以矢量叠加方式合成，主要由：L－ S，jj和LS+jj 耦合三种
L－S耦合：各电子的轨道运动间有较强的相
互作用∑li → L，∑si →S , J＝S+L
发生与原子序数较小的原子中（Z<32）。 j－j耦合：各电子轨道运动与本身的自旋相互
作用较强，∑(li+si) → ji，∑ji →J ，Z>82 LS+jj耦合： 32<Z<82 铁磁体中，原子的总角动量大都属于L-S耦合
3.洪特规则（Hund’s Rule） （适合于L－S耦合） 目的：确定基态的电子组态和动量矩。 I. 在Pauli原则允许下，S取最大值，
S= ∑ms Ⅱ.总轨道量子数L在上述条件下可能的最
大值， L= ∑ml III.次壳层未半满时， J=|L-S|； IV. 次壳层半满或超过一半时，J＝L＋
3s2
3p6
3d10
b.原子中电子基态分布服从规则：
泡利不相容原理
能量最低原理
c.电子填充方式（依电子组态能量高低）
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s
结论：满壳层电子的总动量矩和总磁矩为零，只有未
成对的电子磁矩对原子的总磁矩作贡献，未满壳层——
磁性电子壳层
2.角动量耦合
(μS)┴在一个进动周期中平均值为零。
∴ 原子的有效磁矩等于μL与μS 平行于PJ的
分量和，即：
PJ
PS
J
L
s
PJ
PL
PL L(L 1), PS S(S 1), μL
μS
L L(L 1)B , s S(S 1)B μJ
μL-S
L－S耦合：各电子的轨道运动间有较强的相
互作用∑li → L，∑si →S , J＝S+L
发生与原子序数较小的原子中（Z<32）。 j－j耦合：各电子轨道运动与本身的自旋相互
作用较强，∑(li+si) → ji，∑ji →J ，Z>82 LS+jj耦合： 32<Z<82 铁磁体中，原子的总角动量大都属于L-S耦合
3.洪特规则（Hund’s Rule） （适合于L－S耦合） 目的：确定基态的电子组态和动量矩。 I. 在Pauli原则允许下，S取最大值，
S= ∑ms Ⅱ.总轨道量子数L在上述条件下可能的最
大值， L= ∑ml III.次壳层未半满时， J=|L-S|； IV. 次壳层半满或超过一半时，J＝L＋
3s2
3p6
3d10
b.原子中电子基态分布服从规则：
泡利不相容原理
能量最低原理
c.电子填充方式（依电子组态能量高低）
1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s
结论：满壳层电子的总动量矩和总磁矩为零，只有未
成对的电子磁矩对原子的总磁矩作贡献，未满壳层——
磁性电子壳层
2.角动量耦合
(μS)┴在一个进动周期中平均值为零。
∴ 原子的有效磁矩等于μL与μS 平行于PJ的
分量和，即：
PJ
PS
J
L
s
PJ
PL
PL L(L 1), PS S(S 1), μL
μS
L L(L 1)B , s S(S 1)B μJ
μL-S
磁性物理学课程简介-文档资料
纳米晶磁性材料；磁电子材料等横空出世， 1988年由非晶态 FeSiB退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒成为新型的 开创了磁性材料新纪元。
纳米晶软磁材料 1986年 Grunberg 发现Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生 反铁磁耦合。 1988年 Baibich、Fert等发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应。 1994年 Jin等在LaCaMnO3中发现了庞磁电阻（CMR）效应。 2019年 T.Miyazaki发现隧道磁电阻（TMR）效应 1993年 理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁 Ms 高，硬磁 Hc 高的优点获得磁能级比现有最好NdFeB高一倍的新型 纳米硬磁材料。
自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级。
370篇
（1975－2019）年“Magnetic materials” SCI论文百分数
据Web of Science检索（1975－2019）年间，共发表”Magnetic materials”论文3874篇， 分布如图，“Magnetism” 论文12813篇。
磁性的应用
几乎遍及人类生产、 生活的各个领域。
磁性在家用电器中的应用
扬声器；小型电机； 磁带；磁头；磁密 封圈；天线；偏转 磁芯等。
见章综书P154
现代汽车需要使用几十 个小型永磁电动机和其 它磁控机械元件。
No Image
The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950's to over thirty today.
《磁性物理学》课程简介
什么是磁性？物质在非均匀磁场中受到作用。
磁性是物质的基本属性之一。 磁性的应用，特别在近一百多年中，已经深入到人类生活、 生产等各个方面。 在科学研究中，磁性不仅作为内容，也作为手段。自旋电 子学是二十一世纪初最为科技界关注和最有前途的研究方向之 一。 磁性物理课主要介绍凝聚态物质各种磁性的形成机理及宏 观表现，磁有序的各种理论，外磁场作用下磁性物质内部的相 互作用过程以及磁性应用的相关问题。 该课程为本科生应用物理专业固体物理课之后的选修专业 课，授课52学时，计3个学分。
纳米晶软磁材料 1986年 Grunberg 发现Fe/Cr/Fe 三明治结构中Cr适当厚度产生 反铁磁耦合。 1988年 Baibich、Fert等发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应。 1994年 Jin等在LaCaMnO3中发现了庞磁电阻（CMR）效应。 2019年 T.Miyazaki发现隧道磁电阻（TMR）效应 1993年 理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁 Ms 高，硬磁 Hc 高的优点获得磁能级比现有最好NdFeB高一倍的新型 纳米硬磁材料。
自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级。
370篇
（1975－2019）年“Magnetic materials” SCI论文百分数
据Web of Science检索（1975－2019）年间，共发表”Magnetic materials”论文3874篇， 分布如图，“Magnetism” 论文12813篇。
磁性的应用
几乎遍及人类生产、 生活的各个领域。
磁性在家用电器中的应用
扬声器；小型电机； 磁带；磁头；磁密 封圈；天线；偏转 磁芯等。
见章综书P154
现代汽车需要使用几十 个小型永磁电动机和其 它磁控机械元件。
No Image
The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950's to over thirty today.
《磁性物理学》课程简介
什么是磁性？物质在非均匀磁场中受到作用。
磁性是物质的基本属性之一。 磁性的应用，特别在近一百多年中，已经深入到人类生活、 生产等各个方面。 在科学研究中，磁性不仅作为内容，也作为手段。自旋电 子学是二十一世纪初最为科技界关注和最有前途的研究方向之 一。 磁性物理课主要介绍凝聚态物质各种磁性的形成机理及宏 观表现，磁有序的各种理论，外磁场作用下磁性物质内部的相 互作用过程以及磁性应用的相关问题。 该课程为本科生应用物理专业固体物理课之后的选修专业 课，授课52学时，计3个学分。
磁性物理第一章磁学基础知识
1
2
1
k ln (k
k 21
k
2
1)
1
k
长 短
半 半
径 径
28
球形体：Fd 1/60M2 细长圆柱体：Fd 1/ 40M2 薄圆板片：Fd 1/ 20Mz2
适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。 形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种因形 状不同而引起的能量各向异性的特征——形状各向异性。
+m l
磁偶极矩： jmml
方向：-m指向+m
-m
单位：Wb∙m
/gnwkjdt/200909/t20090909_72692.htm
Dirac Strings and Magnetic Monopoles in the Spin Ice Dy2Ti2O7 2009, Science, 326(5951): 411-414.
H I 2r
r为环形圆圈半径，方向由右 手螺旋法则确定。
(3) 无限长直流螺线管：
HnI n：单位长度的线圈匝数，
方向沿螺线管的轴线方向。
13
H只是一个辅助量，通常用来计算电流的磁效应，涉及磁场 与其它物理量的相互作用时，一般需要使用磁感应强度B。
2、磁感应强度B
SI制中，令 B B 0 i ( H J M ) 0M 0 H 0 M
1 4 0
jm r3
3
jm r r5
r
H沿r 方向及使θ 角增加方向的分量计算：
在球坐标系中： e r re 1 r e rs1in
10
H
er
r
jm cos 40r2
e
1 r
jm cos 40r2
磁性物理学课件一讲义
40 r d cos / 2 r d cos / 2
md
40r2
cos
jm
40r2
cos
H (电场强度 E)
Hr H r410 2jm rc3 os
H 1 r H 410 jmr s3in
特例： =0， H =0, H rjm/2 0r3H =/2， H r =0, H jm/4 0r3H
磁性物理学 综述，绪论
王登京
极 地 光
一、磁学与磁性材料的发展史
蚩示是兵蚩於帝指 尤四作士尤涿。南 。方指皆作鹿與車
，南迷大之蚩起 遂車，霧野尤於 擒以於，，戰黃
也南人鬼 。，取谷 」為玉子
其，云 不必： 惑載「
司鄭
‧ ‧
晋 《 古 今 注 》
（《
梁宋
沈書
約禮
撰 ）
志 》
其之余常缀新坠可水南
3. 交换作用模型：
4. 局域电子模型和巡游电子模型：
5. 自旋涨落理论：
当前磁学发展的一些方向：
1、新一代永磁材料研究； 2、新型磁记录材料研究； 3、生物磁性研究； 4、超微结构领域磁性研究 5、磁电子学
二、学习内容和研究方法
目的：初步掌握磁学的基本知识；理解各类
物质磁性的起源和微观机理；理解强磁性物质 有关的永磁现象，磁结构及其相关理论；了解 磁性在现代技术中的应用，提高物质磁性的途 径。为开发新型磁性材料打下良好的基础。
需要基础和相关领域知识： 电磁学，原子物理学，量子力学，热力学和统计物理，固体物理
参考书： 磁性物理 宛德福 编
铁磁学（上、中册）戴道声等 编 铁磁性物理 近角聪信 编 Modern magnetic materials Robert C. O’Handley
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发的竞争
四、磁有序的基本相互作用
1、经典偶极子相互作用 2、交换相互作用 3、超交换相互作用 4、RKKY相互作用 5、双交换相互作用 6、库仑相互作用
五、磁各向异性与磁致伸缩
一、磁各向异性 二、磁各向异性常数的测量方法 三、磁各向异性的机理 四、磁致伸缩 五、磁致伸缩的机理 六、磁致伸缩的测量方法 七、感生磁各向异性
参考书
1、《铁磁性物理》
近角聪信
2、《现代磁性材料原理和应用》 R.C.O’Handley( 奥汉德利 )
3、《铁磁学》
郭贻诚
4、《铁磁学》
戴道生，钟文定( 北京大学 )
考核方法 1、每一部分结束出3-5个练习题。(50％) 2、课程结束出考题。(50％)
A、磁性物理的基础
一、序言 二、晶场中的原子磁矩 三、物质的各种磁性 四、磁有序的基本相互作用 五、磁各向异性与磁致伸缩 六、磁畴与技术磁化过程
二、晶场中的原子磁矩
1、原子的磁矩 2、晶场中的原子磁矩 3、轨道角动量冻结 4、高自旋态与低自旋态 5、Jahn-Teller效应
三、物质的各种磁性
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亜铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：六、磁畴与技术磁化
一、退磁场 二、磁畴的形成 三、磁畴的覌察 四、技术磁化
四、磁有序的基本相互作用
1、经典偶极子相互作用 2、交换相互作用 3、超交换相互作用 4、RKKY相互作用 5、双交换相互作用 6、库仑相互作用
五、磁各向异性与磁致伸缩
一、磁各向异性 二、磁各向异性常数的测量方法 三、磁各向异性的机理 四、磁致伸缩 五、磁致伸缩的机理 六、磁致伸缩的测量方法 七、感生磁各向异性
参考书
1、《铁磁性物理》
近角聪信
2、《现代磁性材料原理和应用》 R.C.O’Handley( 奥汉德利 )
3、《铁磁学》
郭贻诚
4、《铁磁学》
戴道生，钟文定( 北京大学 )
考核方法 1、每一部分结束出3-5个练习题。(50％) 2、课程结束出考题。(50％)
A、磁性物理的基础
一、序言 二、晶场中的原子磁矩 三、物质的各种磁性 四、磁有序的基本相互作用 五、磁各向异性与磁致伸缩 六、磁畴与技术磁化过程
二、晶场中的原子磁矩
1、原子的磁矩 2、晶场中的原子磁矩 3、轨道角动量冻结 4、高自旋态与低自旋态 5、Jahn-Teller效应
三、物质的各种磁性
1. 抗磁性：没有固有原子磁矩 2. 顺磁性：有固有磁矩，没有相互作用 3. 铁磁性：有固有磁矩，直接交换相互作用 4. 反铁磁性：有磁矩，直接交换相互作用 5. 亜铁磁性：有磁矩，间接交换相互作用 6. 自旋玻璃和混磁性：六、磁畴与技术磁化
一、退磁场 二、磁畴的形成 三、磁畴的覌察 四、技术磁化