《磁性物理学》教学大纲(68)doc-关于组织修(制)定
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）,其强度与电流强度咸正比。
如图1.1所磁场强度H可以由安培定律给出：示，H =亦因此，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nr勺圆环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（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 ）。
《磁性材料与器件》课程教学大纲
《磁性材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：磁性材料与器件英文名称：Magnetic Materials and devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程《大学物理》、《材料科学基础》、《固体物理》、《量子力学》五、授课对象本课程面向功能材料专业学生开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握了用于解决功能材料领域复杂问题的磁学基础知识。
并能够应用相关基本原理，识别、表达、结合文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。
2、掌握磁性功能材料的合成与制备技术的原理及特点，能够采用科学方法，具备合理设计制备功能材料的复杂实验、开展科学研究的能力。
3、了解磁性材料的技术前沿和发展趋势，正确认识该技术领域在社会经济发展中所起的作用。
了解磁性材料与器件问题的特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。
4、掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
七、教学重点与难点：课程重点：（1）本课程首先重点介绍磁性的起源，并针对铁磁性材料，介绍其技术磁化手段。
（2）在了解磁性及技术磁化相关物理理论知识的基础上，重点学习不同磁性材料（包括软磁材料，永磁材料，磁记录材料及其他功能磁性材料等）的制备方法，性能调控（饱和磁化，剩余磁化及矫顽力等）及相关应用。
（3）重点学习的章节内容包括：第2章“物质的磁性”（6学时）第3章“技术磁化”（6学时）、第4章“软磁材料”（3学时）、第5章“永磁材料”（3学时）。
第5章“磁记录材料”（4学时）课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解顺磁性，抗磁性，铁磁性，亚铁磁性，反铁磁性的差异。
系统掌握铁磁性产生的相关基本理论。
（2）充分理解磁畴的形成过程及磁畴对材料磁性性能的影响，系统掌握对磁畴的调控各种方法的主要特点、影响因素和适用范围。
《磁性物理学》教学大纲关于组织修制定
《磁性物理学》教学大纲Magnetism in Physics课程代码：M102105总学时：（理论+实验）56+12 学分： 4课程性质：专业方向课课程类别：必修先修课程：普通物理、理论物理、固体物理面向专业：应用物理学开课学科：凝聚态物理学开课二级学院：理学院执笔：崔玉建审校：焦志伟一、课程的地位与任务本课程是应用物理专业的专业方向基础课。
主要介绍磁现象和规律、磁性起源及自发磁化理论、铁磁体内的能量、磁畴和技术磁化、铁磁物质在交变场作用下的磁化特性、各种磁物理效应和磁性材料的应用。
以此作为学习其它专业方向课的基础。
二、课程主要内容与基本要求第一章1、熟练掌握各基本磁学量的物理概念及其相互关系；理解磁化曲线和磁滞回线。
2、掌握磁体中静磁能的概念，理解退磁场的概念，理解简单几何形状磁体退磁因子的计算方法；会进行磁滞回线的退磁修正。
3、了解磁路的简单概念。
实践环节：了解磁场、磁感应强度的测量方法。
第二章1、理解洪特定则，会计算原子或离子的磁矩。
2、了解轨道角动量淬灭的条件。
3、了解晶体的能带理论对金属磁矩的解释。
第三章1、掌握顺磁物质的基本物理特性，理解朗之万的经典和量子理论顺磁性理论；2、掌握铁磁物质的基本物理特性，理解奈尔的铁磁学理论，理解居里温度与分子场系数的关系；理解海森堡铁磁学理论的基本概念；分子场系数、居里温度与交换积分常数的关系；物质出现铁磁与反铁磁的条件。
了解贝斯统计理论和自旋波理论。
3、掌握反铁磁性和亚铁磁性的基本物理特性；理解分子场理论对反铁磁和亚铁磁性的唯象理论处理；理解超交换作用的基本概念。
4、掌握铁氧体的结构、磁矩和磁特性。
实践环节：了解铁氧体的制备方法和磁性的测量方法。
第四章1、掌握常见的磁性材料的磁晶各向异性，掌握单轴晶体和立方晶体的各向异性能的计算；了解磁晶各向异性场的概念；了解产生磁晶各向异性的机理；了解磁性材料的其它几种各向异性；了解磁晶各向异性性能的测量方法。
磁性物理学实验教案
（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。
第一章1 磁学的基础知识
Wb A1
Wb m2 H m1 A m1
有些文献中两个量的名称不加区别，但我们可以从它 使用的单位中加以区分。
磁性物质在外磁场中磁化，磁化强度 M 和外磁场 强度 H 之间的关系是：
M H
该关系中，磁化强度和磁场强度是同量纲的，所以这 里的磁化率是无量纲的，是一个纯粹的数字，但应注意到 由于磁化强度定义为单位体积的磁矩，所以公式中的磁化 率 暗含着单位体积磁化率的意义。 在理论推导和测量中，还常常使用另外两种定义： 质量磁化率： m
一.电子轨道运动产生的轨道磁矩：
从经典观点看：一个绕原子核运动的电子，相当于一 个环形电流，根据定义，它的轨道磁矩为：
e l i A A T
A 是环形轨道面积，
1 在圆形轨道近似下 pl m r , l e r 2 2 所以： e l p l l p l 2m
1.2 原子的磁性：
关于物质磁性起源曾有过分子电流学说 和磁偶极矩学说，现代科学认为物质的磁性 来源于组成物质中原子的磁性： 1. 原子中外层电子的轨道磁矩 2. 电子的自旋磁矩 3. 原子核的核磁矩 宏观物质由原子组成，原子由原子核及核外电子组成， 由于电子及组成原子核的质子和中子都具有一定的磁矩， 所以宏观物质毫无例外的都具有一定的磁性，宏观物质磁 性是构成物质原子磁矩的集体反映。电子质量比质子和中 子质量小 3 个量级，电子磁矩比原子核磁矩大 3 个量级， 因此宏观物质的磁性主要由电子磁矩所决定。本节考虑孤 立原子的磁矩。凝聚态物质中构成原子的磁矩第2章中介绍。
二. 电子的自旋磁矩：
电子磁矩的第二个来源是电子具有自旋磁矩，它是电子
1 s 的本征性质，电子的自旋角动量取决于自旋量子数， 2 3 p s ( s 1) 自旋角动量的绝对值： s 2 1 m 而自旋角动量在外场中的分量只取决于自旋量子数 s 2 1 ps z ms 2
2019年最新-磁性物理学课程简介-精选文档
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。
磁性物理学课程简介-文档资料
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。
《磁性材料》课程教学大纲
磁性材料Magnetic Materials一、课程基本情况课程类别：专业任选课课程学分：2学分课程总学时：32学时，其中讲课：32学时，实验（含上机）：0学时，课外0学时课程性质：选修开课学期：第7学期先修课程：材料结构与物性、材料科学基础适用专业：材料物理、材料学教材：严密，《磁学基础与磁性材料》，浙江大学出版社，2006年。
开课单位：物理与光电工程学院材料物理系二、课程性质、教学目标和任务本课程是我系本科学生一门必修专业主干课。
主要从电子结构及晶体结构两个层次探讨磁学基础理论和磁性材料的制备、性能和检测。
第一部分阐述磁学和材料磁性的基础理论和主要概念，包括原子磁矩和各种磁性、磁性材料中的基本现象、磁畴结构、技术磁化和动态磁化理论等。
第二部分阐述主要门类的磁性材料，包括软磁材料、永磁材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁致伸缩材料和磁性液体等，既有已广泛应用的材料，也有已成为科学研究的热点、有望在将来获得重要应用的磁性材料。
通过对本课的学习，使学生获得大纲所规定的基本概念，基本理论，基本知识，培养学生解决实际材料问题的能力以及怎样从事磁性材料研制、生产和应用等方法。
三、教学内容和要求第1章磁学基础知识（4学时）1.1静磁现象（2学时）（1）了解静磁现象定义；（2）理解磁矩、磁化强度M、磁场强度H和磁感应强度B、磁化率和磁导率、退磁场、静磁能的基本概念；（3）掌握静磁现象的原理；重点：对静磁现象有基本的认识。
难点：理解静磁现象的原理。
1.2材料的磁化（1学时）（1）了解磁性材料对外磁场的响应特性；（2）理解磁化曲线和磁滞回线的定义；（3）掌握磁化曲线和磁滞回线的影响因素；重点：了解磁化曲线和磁滞回线的定义；1.3磁性和磁性材料的分类（1学时）（1）了解物质磁性和各种磁性材料的分类；（2）理解常见磁性材料的磁性能；（3）掌握磁性材料的应用领域和特点；重点：理解常见磁性材料的磁性能。
第2章物质的磁性（4学时）2.1原子磁矩（1学时）（1）了解原子磁矩的来源；（2）理解原子核外电子的排布规律；（3）掌握电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子磁矩的原理；重点：理解原子核外电子的排布规律。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《磁性物理学》教学大纲
Magｎeｔｉsm iｎＰhyｓics
课程代码：M102105
总学时：（理论+实验）５６+12学分：4
课程性质: 专业方向课课程类别：必修
先修课程：普通物理、理论物理、固体物理面向专业: 应用物理学
开课学科:凝聚态物理学开课二级学院: 理学院
执笔:崔玉建审校:焦志伟
一、课程的地位与任务
本课程是应用物理专业的专业方向基础课。
主要介绍磁现象和规律、磁性起源及自发磁化理论、铁磁体内的能量、磁畴和技术磁化、铁磁物质在交变场作用下的磁化特性、各种磁物理效应和磁性材料的应用。
以此作为学习其它专业方向课的基础。
二、课程主要内容与基本要求
第一章
1、熟练掌握各基本磁学量的物理概念及其相互关系；理解磁化曲线和磁滞回线。
2、掌握磁体中静磁能的概念，理解退磁场的概念,理解简单几何形状磁体退磁因子的计算方法；会进行磁滞回线的退磁修正。
3、了解磁路的简单概念。
实践环节:了解磁场、磁感应强度的测量方法。
第二章
１、理解洪特定则，会计算原子或离子的磁矩。
２、了解轨道角动量淬灭的条件。
3、了解晶体的能带理论对金属磁矩的解释。
第三章
1、掌握顺磁物质的基本物理特性,理解朗之万的经典和量子理论顺磁性理论；
２、掌握铁磁物质的基本物理特性,理解奈尔的铁磁学理论,理解居里温度与分子场系数的关系;理解海森堡铁磁学理论的基本概念;分子场系数、居里温度与交换积分常数的关系；物质出现铁磁与反铁磁的条件。
了解贝斯统计理论和自旋波理论。
３、掌握反铁磁性和亚铁磁性的基本物理特性；理解分子场理论对反铁磁和亚铁磁性的
唯象理论处理；理解超交换作用的基本概念。
4、掌握铁氧体的结构、磁矩和磁特性。
实践环节:了解铁氧体的制备方法和磁性的测量方法。
第四章
1、掌握常见的磁性材料的磁晶各向异性，掌握单轴晶体和立方晶体的各向异性能的计算;了解磁晶各向异性场的概念；了解产生磁晶各向异性的机理；了解磁性材料的其它几种各向异性；了解磁晶各向异性性能的测量方法。
2、掌握磁致伸缩的基本概念；掌握立方晶体的磁致伸缩公式；了解单轴晶体的磁致伸缩的公式;了解磁致伸缩的物理根源。
3、掌握磁弹性能的物理概念及几种简单情况下的计算方法；理解磁弹性能的物理意义。
第五章
１、理解铁磁体中的退磁能是形成磁畴的原动力;对磁畴、畴壁有清晰的物理概念。
2、理解畴壁形成原理，壁内原子磁矩取向规律以及畴壁的厚度和能量的简单计算。
3、了解各种类型的磁畴结构,掌握运用平衡条件求解磁畴结构的方法。
4、了解微粒、薄膜磁体的磁畴结构及其应用。
实践环节：磁畴的观察
第六章
1、理解磁化、反磁化过程,理解畴壁位移起始磁导率,转动磁化起始磁导率和矫顽力的
计算。
2、理解不可逆磁化过程的分析和反磁化过程的计算。
第七章
1、了解铁磁物质在交流磁场作用下的动态特性，掌握各种损耗的计算方法。
２、了解畴壁的动态方程和畴壁的自然共振，掌握μ', μ''随频率f变化的关系曲线。
第八章
1、掌握软磁铁氧体磁性材料的制备方法和测量方法。
2、掌握永磁铁氧体磁性材料的制备方法和测量方法。
实践环节:磁性材料的制备方法和测量。
第九章
1、了解铁磁体中磁阻效应、磁热效应、霍尔效应、磁光效应及其起源;
2、理解解磁性材料的使用范围和基本特点。
实践环节：了解磁阻效应、磁热效应、霍尔效应、磁光效应。
本课程要求完成课外习题２0－30道。