固體磁性與磁測量基本原理

1、固體磁性與磁測量基本原理磁學(xué)是一門研究物質(zhì)磁性的學(xué)科固體磁性與磁測量基本原理磁學(xué)是一門即古老又年輕的學(xué)科。磁學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的需求相互促進，在國防和國民經(jīng)濟中起著重要作用。磁學(xué)與其它學(xué)科交叉：信息、電氣、交通、生物、藥物、天文、地質(zhì)、能源、選礦等。磁學(xué)運用到納米學(xué)科-納米磁學(xué)，MEMS的發(fā)展不可避免的會使用各種類型的磁性材料。引言固體磁性與磁測量基本原理1. 中國古代的磁性 書名 作者 描述 管子 管仲 慈(磁)石 (645BC) 鬼谷子 鬼谷 磁石吸針 (400BC) 呂氏春秋 呂不韋 (239BC) 韓非子 韓非 司南 (3rd century BC) 論衡 王充 司南勺 (82/83 A

2、D) (東漢) 武經(jīng)總要 曾公亮 指南魚：在地 (1044 AD,南宋) 磁場下熱處理固體磁性與磁測量基本原理 書名 作者 描述 夢溪筆談 沈括 指南針 (1086 AD,南宋) 通過摩擦磁石磁化 事林廣記 陳元靚 針置于尖銳的竹尖上 (1100-1250AD,宋) 的a)木魚，b)木龜上 萍州可談 朱域 航船夜觀星星；日觀 (1119 AD,南宋) 太陽；多云之日使用 指南針1.中國古代的磁性 參考文獻: 李國棟, 中國磁學(xué)的歷史 宋德生，李國棟，電磁學(xué)發(fā)展史固體磁性與磁測量基本原理 直接浮在水面上； 置于指甲上； 置于碗的邊緣上； 懸于繩子上。中國古代制備指南針的方法 固體磁性與磁測量基本

3、原理司 南 漢（公元前206公元220年）。盤厘米,勺長，口徑厘米。司南由青銅地盤與磁勺組成。地盤內(nèi)圓外方；中心圓面下凹；圓外盤面分層次鑄有10天干，十二地支、四卦，標示二十四個方位。磁勺是用天然磁體磨成，置于地盤中心圓內(nèi)，勺頭為N，勺尾為S，靜止時，因地磁作用，勺尾指向南方。此模型是王振鐸先生據(jù)論衡等書記載并參照出土漢代地盤的研究復(fù)制。 固體磁性與磁測量基本原理西方的傳說牧羊人發(fā)現(xiàn)他的木棍的鐵端，被一塊石頭牢牢吸住。這種石頭在小亞細亞（Asia Minor）、馬其頓的Magnesia地區(qū)以及愛奧尼亞的Magnesia城都被發(fā)現(xiàn)過。人們相信“Magnetism”一字來源于這些地名。固體磁性與磁

4、測量基本原理磁學(xué)是一門即古老又年輕的學(xué)科磁石：最早的著作18世紀 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場； 法拉弟效應(yīng) 在磁場中運動導(dǎo)體產(chǎn)生電流； 安培定律 構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ)。 電動機、發(fā)電機 開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)。固體磁性與磁測量基本原理1907年 的磁疇和分子場假說 1919年 巴克豪森效應(yīng)1928年 海森堡模型：用量子力學(xué)解釋分子場起源1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇 1933年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁 鐵氧體1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場, 理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)1946年 Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)1948年 Nee

5、l建立亜鐵磁理論1954-1957年 RKKY相互作用的建立固體磁性與磁測量基本原理1958年 Mssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1960年 非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1982年 掃描隧道顯微鏡,Brining和Rohrer, ( 1986 年,AFM )1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) Sagawa 1986年 高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn), M.N.Baibich 2007諾貝爾獎和P.Grnberg 1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaC

6、aMnO31995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn)固體磁性與磁測量基本原理Development and branches of magnetism 固體磁性與磁測量基本原理磁學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的需求相互促進，在國防和國民經(jīng)濟中起著重要作用。磁學(xué)與其它學(xué)科交叉，如：信息、電氣、交通、生物、藥物、天文、地質(zhì)、能源、選礦等固體磁性與磁測量基本原理磁懸浮列車固體磁性與磁測量基本原理硬磁驅(qū)動片永磁馬達 磁記錄介質(zhì)磁頭 1TB(1000GB)存儲的文件可打印1億令紙(500張為1令)，耗費5萬多棵樹；可存儲播發(fā)16天的DVD品質(zhì)的影音文件；可存儲100萬張圖片；可連續(xù)播發(fā)2年的音樂。計算機硬盤固體磁性與磁測量基

7、本原理永磁在汽車上的應(yīng)用起動馬達速度傳感器風(fēng)扇馬達水泵馬達窗戶升降CD馬達安全帶馬達油泵馬達雨刷馬達位置調(diào)整馬達太陽頂馬達前洗刷泵功率操縱馬達前燈門馬達固體磁性與磁測量基本原理CompassingGlobal Position SystemsVehicle DetectionNavigationRotational DisplacementPosition SensingCurrent SensingCommunication ProductsThe World of Magnetic Sensors固體磁性與磁測量基本原理磁學(xué)運用到納米學(xué)科-納米磁學(xué)固體磁性與磁測量基本原理100 m1 mm

8、10 m1 m100 nm10 nm納米是多長？Lorke/CeNS固體磁性與磁測量基本原理下一代磁硬盤的新材料Z.B. Magnetic colloidsSpin coating固體磁性與磁測量基本原理43 3 % Fe3.6 0.1 nm48 2 % Fe3.6 0.1 nm58 3 % Fe3.6 0.1 nm70 3 % Fe2.6 0.1 nm25 nmFe70 Pt30自組織尺寸高分辨透射電鏡FePt 納米顆粒6 nm10 Tb / inch2 !固體磁性與磁測量基本原理M. Hanzlik et al. / J. Magn. Magn. Mat. 248 (2002) 25826

9、7Magnetic vibroid 細菌，具有磁體構(gòu)成的鏈 ，磁體稍長并且之間有約8 nm 寬的間隙。標尺為 0.5 m.磁性細菌束BNahrungLake Chiemsee (Bavaria)磁細菌束 (a) 一單元含有3-5捆磁體鏈，近圓小珠含有聚硫體。標尺為 1 m (b) 鏈捆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，標尺為 0.1 m。Transmission electron micrograph of Magnetobacterium bavaricum, a rod-shaped magnetotactic bacterium from Lake Chiemsee (Upper Bavaria) with

10、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 bod

11、ies inside the cell consist of sulphur, the magnetosomes are made of magnetite and measure, on average, 100 nm. 固體磁性與磁測量基本原理學(xué)習(xí)傳統(tǒng)的磁學(xué)基本理論為今后有可能的進一步研究和應(yīng)用做好準備，打好基礎(chǔ)！固體磁性與磁測量基本原理參考書馮端等著，金屬物理學(xué)，凝聚態(tài)物理叢書，第四卷，超導(dǎo)電性和磁性。科學(xué)出版社（1998)宛得福，磁性物理， 電子科技出版社CHIKAZUMI, Physics of Ferromagnetsm. 2nd Edition，Oxford University

12、 Press廖紹彬，鐘文定鐵磁學(xué)（上，中，下），科學(xué)出版社固體磁性與磁測量基本原理第一章 固體磁性基礎(chǔ)17世紀早期William Gilbert研究過的內(nèi)容吉爾伯特（1544-1603）是英國著名的醫(yī)生、物理學(xué)家。他于1544年5月24日生在英國科爾切斯特市一個大法官家里。年輕時就讀于劍橋大學(xué)圣約翰 學(xué)院，攻讀醫(yī)學(xué)，獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后已成為英國名醫(yī)。由于他醫(yī)術(shù)高明，1601年擔任英國女王伊麗莎白一世的御醫(yī)，直到1603年11月30日逝世。吉爾伯特在科學(xué)方面的興趣，遠遠超出了醫(yī)學(xué)范圍。在化學(xué)和天文學(xué)方面有淵博的初識，但他研究的主要領(lǐng)域還是在物理學(xué)中。他用觀察、實驗方法科學(xué)地研究了磁與電的現(xiàn)象

13、，并把多年的研究成果，寫成名著論磁，于1600年在倫敦出版。固體磁性與磁測量基本原理主要內(nèi)容：引言-世上萬物都有磁性磁矩磁化強度和退磁場磁化曲線和磁滯回線磁路磁學(xué)中的單位固體磁性與磁測量基本原理實驗：磁場約為16 Tesla，置于一強磁體的 32mm 孔中 (320.000 倍 地磁場) Nijmegen High Field Magnet Laboratory草莓是磁性的嗎？固體磁性與磁測量基本原理懸浮的西紅柿Nijmegen High Field Magnet Laboratory固體磁性與磁測量基本原理無重力的水珠Nijmegen High Field Magnet Laboratory

14、 固體磁性與磁測量基本原理結(jié)論 世上萬物都有磁性 分類為強磁性和弱磁性 應(yīng)用于科技和工程上的磁性材料意為強磁性物質(zhì)最早的磁鐵礦主要為固體磁性與磁測量基本原理1-1. 磁矩1-1-1 磁偶極子1、 磁極，磁荷指北端: 正磁極，N指南端: 負磁極，S相似于正, 負電荷固體磁性與磁測量基本原理、磁偶極矩吸引排斥磁學(xué)的最直觀的表現(xiàn)形式同號磁極相斥，異號磁極相吸極上的正磁荷：；極上的負磁荷：點磁荷：磁極尺寸 l，忽略l2項固體磁性與磁測量基本原理為r和l之間的夾角固體磁性與磁測量基本原理2、磁偶極子在空間某點的磁場強度固體磁性與磁測量基本原理1.1.4. 磁體在外磁場中的磁位能1、磁體在均勻磁場中受到力

15、矩的作用固體磁性與磁測量基本原理均勻磁場中在磁場剃度中固體磁性與磁測量基本原理當0時，磁體受的力矩最小，處于穩(wěn)定狀態(tài)從不等于0到等于0，表明磁體在力矩L作用下轉(zhuǎn)到和磁場一致的方向轉(zhuǎn)矩所做的功使磁體在磁場中的位能降低。放置m2與r成2角度m1、m2在同一平面2、 磁體在外磁場中的磁位能固體磁性與磁測量基本原理If 1=2, 1 = 2; 固體磁性與磁測量基本原理3、地磁場地磁場可以描述為位于地球中心的一根條形磁鐵。地磁軸和地軸之間的夾角為 11。地磁場的大小隨地球的位置而不同根據(jù)1970年的數(shù)據(jù): 北極位于加拿大的 Bathurst 島, 南極位于 Antarctic 海岸.固體磁性與磁測量基本

16、原理1.1.5. B和H極其關(guān)系靜磁學(xué)中，空間任一點的磁場可用B和H來描寫。B和H都是矢量。在自由空間，B和H方向始終平行，數(shù)值上成比例，即：在磁介質(zhì)內(nèi)部，B和H關(guān)系復(fù)雜，二者不一定平行。相互表達的關(guān)系式為：B的單位是“特斯拉（T）或者Wb/m2，J為磁極化強度，是磁介質(zhì)內(nèi)磁偶極矩被H極化的貢獻。固體磁性與磁測量基本原理寫入磁性數(shù)據(jù)的“Bit”態(tài) “0” 和 “1”“0”“1”1-2 磁化強度和退磁場固體磁性與磁測量基本原理、磁性材料和磁化強度磁性材料可分為強磁性和弱磁性材料，前者能被永磁體吸引，后者的磁性只有用靈敏的儀器才能檢測。當磁性材料被均勻磁化時，單位體積的磁矩稱作為磁化強度，表示為：

17、單位: Wb m -2 = T(tesla), 1 T = 10 4/4 gauss = 7.910 2 gauss比磁化強度，單位為Am2/kg，表示為： = m / Vd1.磁化強度的定義固體磁性與磁測量基本原理分子電流說中閉合電流環(huán)和磁化強度的關(guān)系：假定磁性材料內(nèi)部由很多基本的閉合電流環(huán)充滿，而相鄰方向相抵消，只有表面一層上的電流未抵消。當所有的磁矩大小都相等時，磁化強度：為磁極密度； 為單位橫截面位移的磁極數(shù)。定義磁化強度為單位橫截面位移的磁極數(shù)磁化強度的不同概念：基本磁矩集合，磁極位移和內(nèi)部電流-相同結(jié)果固體磁性與磁測量基本原理2. 電磁感應(yīng)測量磁化強度插入磁芯感應(yīng)電壓增加施加磁場垂

18、直于線圈截面磁感應(yīng)強度可以看作為：材料中的磁感應(yīng)強度和真空中的磁感應(yīng)強度之和固體磁性與磁測量基本原理-磁導(dǎo)率 (magnetic permeability)；單位都是：H/m3. 磁化率和磁導(dǎo)率磁化率(magnetic susceptibility)，表明磁化程度；固體磁性與磁測量基本原理4. 邊界條件：B的法向分量是連續(xù)的。運用高斯定理：固體磁性與磁測量基本原理(2) H的切向分量是連續(xù)的。運用安培環(huán)路定律固體磁性與磁測量基本原理、鐵磁材料的磁化和退磁場退磁狀態(tài)(M=H=0): H 增加，M 沿OABC增加，并最終達到飽和磁化強度，記為Ms1. 磁化曲線可逆磁化在OA段為可逆磁化，超過這段，

19、磁化過程不再可逆。如果將磁場從B點的值減小，磁化強度不是沿BAO，而是沿一個小回線BB下降。固體磁性與磁測量基本原理曲線OA的斜率稱作起始磁化率a。BB的斜率稱作為可逆磁化率或增量磁化率rev。在起始磁化曲線OABC上任意一點的斜率稱為微分磁化率。diff rev irr連接原點O和起始磁化曲線上任一點的直線的斜率稱作為總磁化率tot?？偞呕实淖畲笾担磸脑cO畫直線與起始磁化曲線相切的直線的斜率，為最大磁化率max。固體磁性與磁測量基本原理3. 磁滯回線H 從飽和狀態(tài)減小，M 不沿原來的路徑減小，并在H 0時達到非零值，稱為剩余磁化強度Mr； H沿負方向進一步增加時，M進一步減小，最終降到

20、 0。這時的磁場絕對值稱為矯頑力Hc。H改變一周得到的M閉合回線稱磁滯回線。Ms不超過；Hc（）。固體磁性與磁測量基本原理4. 退磁場材料的磁化曲線，不僅僅依賴于磁化率，還依賴于磁體的形狀。當有限大的樣品被磁化時，兩端出現(xiàn)磁極，產(chǎn)生一個反向磁場。稱為退磁場。N為退磁因子，僅與樣品形狀有關(guān)。如沿長軸磁化的細長樣品，N=0；粗短樣品，N就很大。固體磁性與磁測量基本原理沿垂直表面方向磁化的半無限大的平板的退磁因子：設(shè)磁化強度為M，則平板兩面的自由磁極的面密度為 M (Wb/m2)，使用高斯定理：沿表面方向磁化的半無限大的平板的退磁因子N0固體磁性與磁測量基本原理如果樣品是不規(guī)則的，退磁場將是不均勻的

21、，隨樣品中位置不同而變化。無法定義簡單的退磁因子。能嚴格計算退磁因子的樣品形狀橢球體。橢球中，退磁場是均勻的，可以證明沿三個主軸方向的退磁因子：Nx+Ny+Nz =1長軸細化的細長橢球：k為縱橫比，k1abcXYZ固體磁性與磁測量基本原理對于近于圓盤形狀的扁圓形橢球?qū)τ谇蜓亻L軸磁化的圓柱體固體磁性與磁測量基本原理沿長軸磁化的圓柱體和橢球體的退磁因子固體磁性與磁測量基本原理往往實驗所得的磁滯回線和真實的磁滯回線由于退磁場存在不同二者相比猶如受一切變。作用在材料上的真實的外磁場小于實際所加的外磁場。實驗所得的磁滯回線需要校正為真實的磁滯回線。或樣品做成一定的形狀。要注意飽和磁滯回線。固體磁性與磁測

22、量基本原理磁化強度為M的空腔內(nèi)的磁場空腔表面上自由磁極的分布與一個和空腔形狀相同的實體表面上的自由磁極分布相同?？涨槐砻嫔献杂纱艠O產(chǎn)生的場與一個和空腔形狀相同的實體內(nèi)部產(chǎn)生的退磁場大小相等，方向相反。因此空腔內(nèi)磁場方向和周圍磁體的M同向固體磁性與磁測量基本原理1-3 磁路1-3-1磁路對于介電材料，在沒有真實電荷時，總有對于磁性材料，總有固體磁性與磁測量基本原理對于導(dǎo)電介質(zhì)中，也有如果導(dǎo)體由絕緣體包圍，情況就簡單了。如：導(dǎo)線，電導(dǎo)率高，空氣中電導(dǎo)率低，因此電流總是沿導(dǎo)線流動。類比電解質(zhì)，08.8510-12 F/m，對于介電常數(shù)為 的介質(zhì)，總有電力線漏到真空中去。類比磁介質(zhì)，情況介于電導(dǎo)率和電

23、解質(zhì)之間。 0410-7，磁通密度基本完全限制在磁性材料之中。固體磁性與磁測量基本原理安培環(huán)路定律介質(zhì)中的安培環(huán)路定律電路處理磁路固體磁性與磁測量基本原理平均半徑為 R, 匝數(shù)為N, 磁導(dǎo)率為 的螺繞環(huán), 當電流 i0 通過其線圈時，計算 H, B and M無磁芯有磁芯固體磁性與磁測量基本原理磁路定律磁路中的磁通密度B對應(yīng)于電路中的電流密度i，磁路中的總磁通量：對比電路中的電動勢，定義磁路中的磁通勢固體磁性與磁測量基本原理兩個不同磁路：軟磁永磁如果一個磁路有一個或幾個分路，我們用克?；舴虻谝欢桑汗腆w磁性與磁測量基本原理Exercise 1：1、Calculate the magnetic

24、moment of a sphere of radius R made from a magnetic material with magnetic susceptibility , when it is magnetized by an external magnetic field H. How is the value of the moment changed in the limit of ？2、Calculate the intensity of magnetic field in the air gap of the magnetic circuit shown in the f

25、igure. Use the values N=200，i5A，S1=2.510-3m2， S2=510-4m2，l11m，l2，500。固體磁性與磁測量基本原理1-3-2 靜磁能1、永磁體組成的系統(tǒng)磁極強度m1、m2mimn，相應(yīng)每個磁極位置的磁勢1、 2 i n，則系統(tǒng)總磁勢能是：如果自由磁極分布在密度為m的空間里，則能量由體積積分：固體磁性與磁測量基本原理 也可以在給定的邊界條件下解Poisson方程或解沒有磁極處的Laplace方程在鐵磁介質(zhì)中，感應(yīng)的自由磁極密度可用磁化強度表示：如果材料是均勻的，Ms大小應(yīng)該是常數(shù)，固體磁性與磁測量基本原理舉例：沿徑向磁化的球：解以上方程得：由泊松方

26、程：靜磁能：固體磁性與磁測量基本原理靜磁能 也可以用M和H來表示，設(shè)第k個磁體的長度是lk，則磁矩為：固體磁性與磁測量基本原理靜磁能 也可以用B和H來表示，在真空中，在軟磁材料中，固體磁性與磁測量基本原理1-4 磁學(xué)中的單位制1-4-1 國際單位制（SI）各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域各種量的計量單位都統(tǒng)一在一個單位制中，叫國際單位制。主要來自于MKSA有理制：基本量是：長度：米（m）；重量：千克（kg）；時間：秒（s）；電流：安培（A）其他電磁學(xué)量可以根據(jù)一定的物理關(guān)系式導(dǎo)出固體磁性與磁測量基本原理1-4-2 高斯單位制是一種混合單位制，在電磁學(xué)的絕對靜電單位制和絕對電磁單位制的基礎(chǔ)上建立起來。1、絕對靜電單位制（CGSE或）取長度、質(zhì)量和時間三個量為基本量，基本單位為厘米（cm）、克（g）、秒（s）。電量的單位是第一導(dǎo)出單位，由庫侖定理中r為厘米、力為1達因，k1導(dǎo)出。所有的電磁學(xué)量的單位無特別的名稱，都以CGSE或來標記。雖