02 磁学发展历史.pptx

第1页：磁学发展历程开篇

磁学理论与应用的发展历程

一、早期记载与应用（公元前～17世纪）

• 泰勒斯（古希腊，公元前7～6世纪）：Magnetism 磁学；Magnesia 为发现磁石的地方
• 《论衡》－王充（东汉）：“顿牟掇芥，磁石引针”，发现电与磁在现象上的相似性
• 《鬼谷子》－公元前4世纪：“其察言也，不失若磁石之取针，舌之取燔骨”

第2页：指南针与早期磁学论著

应用

• 指南针用于航海，开拓世界市场：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”－《萍洲可谈》（北宋朱彧）
• 罗盘：中国是否是最早发明国存在争议，中美洲奥尔梅克文明可能早 100 年
• 系统论著：《磁石书》－法国皮埃·德马立克，1269 年；《论磁石》－英国威廉·吉尔伯特，1600 年

概括而言，这一阶段的主要发现是：磁体可以对轻质铁材料产生超距作用（力或力矩）。

第3页：电力时代（19世纪）

二、电力时代（19世纪）

• 发现电流的磁效应（奥斯特，安培，比奥，沙伐尔）
• 交变磁场的电磁感应现象（法拉第）
• 总结与推广：麦克斯韦方程组（电、磁、光）
• 应用：发电机与电动机（电力革命）

第4页：微观与量子时代导引

三、承上启下：微观与量子时代（18～20世纪）

磁石和电流具有相似的性质，比如通电螺线管可以吸引铁钉。两者之间有何联系？磁石中是否也“暗藏”电流？

• 安培：磁石中有以磁化矢量为轴的宏观环形电流（明显不靠谱，why?）
• 菲涅耳：磁石中存在“分子电流”，是从微观角度解释铁磁体宏观磁现象的伟大尝试

存在问题：分子电流的本质是什么？分子电流是如何产生的？18 世纪尚无原子结构的相关知识，这些问题得不到解决。

第5页：从分子电流到电子轨道磁矩

19 世纪末电子被发现后，原子内部结构开始被关注：玻尔行星模型、量子力学。

电子运动的经典轨道图像被放弃，但电流仍可用量子力学几率流描述，从而推出轨道磁矩。电子绕原子核做匀速圆周运动给出电流与磁矩。

结论：所谓“分子电流”实质是电子的量子力学几率流，磁矩源于电子量子化的轨道运动。但问题又出来了……

第6页：自旋发现与Stern-Gerlach实验

以基态氢原子为例

• 经典：有磁矩
• 量子：无磁矩（s 态的 l＝0，μ_l 与 μ_m 均为零）
• 实验：1925 年 Stern、Gerlach——既不经典，量子得也很另类

引入自旋（不是电子自转）：角动量 s＝1/2，m_s＝－1/2、1/2（Dirac 通过相对论量子力学方程也可预测其存在）。

自旋发现的意义：①即使没有轨道磁矩、没有“分子电流”，依然可通过调控自旋状态使物质表现出明显磁性，这是自旋电子学的重要思想；②分裂后的每一束电子都可看成最早的自旋极化电流，其产生方法也是自旋电子学的关键问题。

第7页：物质磁性的微观起源

综上所述：电子量子化的轨道运动和自旋是物质磁性的一个微观起源。

多电子原子磁矩的确定：Pauli 不相容原理；Hund 规则；L-S 耦合；J-J 耦合。

在此基础上，20 世纪对物质的各种特殊磁性开展了系统研究。

第8页：物质磁性的两大来源

归纳起来，物质磁性的来源主要分为两类

• 局域的电子磁矩（量子化的轨道运动和自旋）
• 传导电子的自旋极化

量子力学是研究基于局域磁矩磁性的基础：抗磁性；离子顺磁性；van Vleck 顺磁性（微扰理论）；局域磁矩的铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性（交换作用理论）；自旋波（二次量子化理论）。

固体物理的能带理论是研究基于传导电子磁性的基础：Pauli 顺磁性；过渡金属的巡游电子铁磁性。

还有一个问题：以上两种磁性理论可否统一？

第9页：磁性材料的发展谱系

19 世纪磁场理论和 20 世纪铁磁理论的结合

• 磁化理论：静磁学（原因→结果，磁滞回线）
• 磁化动力学：原因→结果
• 交流磁化：微波铁氧体；不同频段的各种共振吸收

应用：各种磁性材料和功能器件的研发（20 世纪）

• 硅钢（1900）；坡莫合金（1920）；AlNiCo（1932）
• 软磁铁氧体（30 年代）；磁铅石永磁铁氧体（1952）；石榴石微波铁氧体（1956）
• Sm-Co 合金（六、七十年代）；Nd₂Fe₁₄B 永磁合金（1982）

第10页：纳米时代的磁学

四、纳米时代（20 世纪中叶至今）

“There is plenty of room at the bottom.”－Richard P. Feynman (1959)

“Indeed plenty in nano-sized magnetism.”－Yue Zhang (2012)

第11页：纳米磁性材料理论与应用

纳米磁性材料：颗粒；薄膜；纳米线

相关理论与应用（前景）

• 单磁畴理论（S-W 模型）：生物检测、航空航天（超顺磁性纳米颗粒或磁性液体）；信息存储（BPM、自旋逻辑器件）
• RKKY 间接交换作用：信息存储（GMR 硬盘读头）、稀磁半导体
• 自旋极化电子的注入与输运：信息存储（磁性半导体、GMR 与 TMR、MRAM、STT-RAM、STO）；传感器（GMR 与 TMR）
• 超导纳米环的量子磁通：SQUID

第12页：磁学单位制与常见磁场大小

磁学单位制及常见磁场大小，载自 “Magnetic Sensors and Magnetometers”－by Pavel Ripka。

本页主体为对照图表（单位制换算与各类磁场强度量级），文字版仅保留标题，建议对照原图查看。

第13页：课程思考：敬畏还是改造自然

思考：敬畏自然 or 理解和积极改造自然？