《磁學與磁性材料》教材筆記目錄第一章：磁學基礎 1第二章：物質的磁性 3第三章：電磁感應與法拉第定律 5第四章：磁疇動力學與磁化過程 7第五章：磁性材料的分類與性質 9第六章：磁性材料的發展與應用前景 10第七章：磁記錄材料 12第八章：超導與磁性 15第九章：磁光學效應 16第十章：磁性液體 17第十一章：磁傳感器的原理與應用 19第十二章：磁屏蔽技術 20第一章：磁學基礎1.1磁現象的歷史回顧1.1.1古代磁學認知古代文明中，磁石被用于導航和占卜。中國《韓非子》中記載了“司南”的發明，是世界上最早的磁性指南針。1.1.2近代磁學發展吉爾伯特（WilliamGilbert）在1600年發表《論磁》，標志著近代磁學的開端。法拉第、麥克斯韋等科學家的貢獻，奠定了電磁理論的基礎。1.2磁的基本概念1.2.1磁極與磁場磁極：磁體上存在兩個磁性最強的區域，稱為磁北極（N極）和磁南極（S極）。磁場：磁體周圍存在的一種物質形態，能使放入其中的磁針發生偏轉。1.2.2磁力線與磁感應強度磁力線：用來形象地描述磁場分布和方向的曲線，磁力線總是從N極出發，進入S極。磁感應強度B：描述磁場強弱和方向的物理量，單位為特斯拉（T）。1.3磁場的描述1.3.1磁通量與磁通密度磁通量Φ：表示穿過某一面積的磁感線條數，單位為韋伯（Wb）。磁通密度：即磁感應強度B，表示單位面積上的磁通量。1.3.2磁場的方向與右手螺旋定則磁場方向規定為小磁針靜止時N極所指的方向。右手螺旋定則：用于判斷電流產生的磁場方向或磁場中電流的方向。1.4磁力的計算1.4.1洛倫茲力定義：運動電荷在磁場中受到的力，大小為F=qvBsinθ，其中q為電荷量，v為電荷速度，B為磁感應強度，θ為電荷運動方向與磁場方向的夾角。方向：由左手定則確定。1.4.2安培力定義：通電導線在磁場中受到的力，大小為F=BILsinθ，其中I為電流強度，L為導線長度，θ為電流方向與磁場方向的夾角。方向：同樣由左手定則確定。1.5磁場的測量方法簡介1.5.1磁強計利用磁針在磁場中的偏轉來測量磁感應強度。1.5.2霍爾元件基于霍爾效應，通過測量電流和電壓差來間接測量磁場強度。1.5.3核磁共振法利用原子核在磁場中的共振現象來測量磁場，具有高精度。第二章：物質的磁性2.1磁矩與磁化強度2.1.1磁矩定義：描述磁體磁性強弱的物理量，大小為m=IS，其中I為電流強度，S為電流所圍成的面積。方向：由右手螺旋定則確定。2.1.2磁化強度定義：單位體積內所有磁矩的矢量和，描述物質磁化程度的物理量。與磁場的關系：磁化強度M與磁場強度H成正比，即M=χH，其中χ為磁化率。2.2抗磁性、順磁性與鐵磁性2.2.1抗磁性特點：磁化率為負值，磁化方向與磁場方向相反，磁化強度較弱。實例：Bi、Cu、Ag等金屬。2.2.2順磁性特點：磁化率為正值但很小，磁化方向與磁場方向相同，磁化強度隨溫度升高而減弱。實例：O?、Al?O?、稀土元素等。2.2.3鐵磁性特點：磁化率很大且為正值，磁化強度隨磁場增強而迅速增大，存在磁滯現象。實例：Fe、Ni、Co及其合金。2.3居里定律與居里點2.3.1居里定律內容：對于順磁性物質，磁化率χ與絕對溫度T成反比，即χ=C/T，其中C為居里常數。2.3.2居里點定義：鐵磁性物質轉變為順磁性物質的臨界溫度。特性：當溫度高于居里點時，鐵磁性物質失去鐵磁性，轉變為順磁性物質。2.4磁疇理論簡介2.4.1磁疇的概念定義：在鐵磁性物質內部，磁矩自發排列成許多微小區域，每個區域內的磁矩方向一致，稱為磁疇。2.4.2磁疇壁定義：相鄰磁疇之間磁矩方向逐漸過渡的區域。類型：根據磁疇壁內磁矩的過渡方式，可分為180°疇壁和90°疇壁等。2.5磁化過程與磁滯回線2.5.1磁化過程描述磁場從無到有、從弱到強再減弱到零的過程中，物質磁化強度的變化。2.5.2磁滯回線定義：在磁場周期性變化的過程中，磁化強度M與磁場強度H之間的關系曲線。特性：磁滯回線反映了鐵磁性物質的磁滯現象，包括剩磁、矯頑力等參數。第三章：電磁感應與法拉第定律3.1電磁感應現象3.1.1定義當穿過閉合電路的磁通量發生變化時，電路中會產生電動勢，這種現象稱為電磁感應。3.1.2實例發電機的工作原理就是基于電磁感應現象。3.2法拉第電磁感應定律3.2.1內容閉合電路中產生的感應電動勢E與穿過該電路的磁通量的變化率成正比，即E=-dΦ/dt。3.2.2符號意義E為感應電動勢，Φ為磁通量，dΦ/dt為磁通量的變化率，負號表示感應電動勢的方向與磁通量變化的方向相反。3.3楞次定律與感應電流方向3.3.1楞次定律感應電流的方向總是試圖阻止引起感應電流的原因的變化。3.3.2應用用于判斷感應電流的方向，與法拉第電磁感應定律結合使用。3.4自感與互感現象3.4.1自感定義：當電流通過線圈時，線圈本身會產生磁場，這個磁場又會反過來影響線圈中的電流，這種現象稱為自感。自感電動勢：由自感現象產生的電動勢，大小為E=-LdI/dt，其中L為自感系數，dI/dt為電流的變化率。3.4.2互感定義：當兩個線圈靠近時，一個線圈中的電流變化會在另一個線圈中產生感應電動勢，這種現象稱為互感。互感電動勢：由互感現象產生的電動勢，大小為E=-MdI/dt，其中M為互感系數。3.5電磁感應的應用實例3.5.1發電機利用電磁感應原理將機械能轉換為電能。3.5.2變壓器利用互感原理改變交流電的電壓。3.5.3電磁鐵利用通電導線在磁場中受力的原理制成，具有可控性強、磁力大等特點。第四章：磁疇動力學與磁化過程4.1磁疇動力學的基本概念4.1.1磁疇的形成與穩定在鐵磁性材料中，磁矩會自發排列成微小區域，即磁疇，這些磁疇的形成是為了降低系統的靜磁能。磁疇的穩定存在依賴于疇壁能、退磁場能以及外磁場能之間的平衡。4.1.2磁疇的類型與結構單疇粒子：尺寸足夠小，使得整個粒子內的磁矩都能整齊排列，形成一個單一的磁疇。多疇結構：在較大的鐵磁性材料中，磁疇會分成多個小區域，每個區域內的磁矩方向一致，但不同區域間的磁矩方向可能不同。4.2磁疇的運動與變化4.2.1磁疇壁的移動在外磁場的作用下，磁疇壁會發生移動，導致磁疇的擴大或縮小，這是磁化過程中的一個重要環節。4.2.2磁疇的翻轉當外磁場足夠強時，磁疇內的磁矩方向會發生翻轉，使磁疇與外磁場方向一致，這是磁化達到飽和狀態的關鍵步驟。4.3磁化過程的描述4.3.1初始磁化曲線描述在逐漸增加的外磁場作用下，磁化強度M隨磁場強度H的變化關系。初始磁化曲線反映了磁疇從無序到有序的轉變過程。表4-1磁化過程的參數參數符號描述初始磁化率χ?初始階段磁化強度M與磁場強度H的比值飽和磁化強度M?磁化達到飽和時磁化強度的最大值矯頑力H?使磁化強度M降低到零所需的最小反向磁場強度4.3.2磁滯回線在周期性變化的外磁場作用下，磁化強度M與磁場強度H之間的關系形成一條閉合曲線，稱為磁滯回線。磁滯回線反映了磁疇翻轉過程中的不可逆性。4.4磁疇動力學的應用4.4.1磁記錄材料利用磁疇的翻轉和穩定特性，磁記錄材料可以存儲大量的信息。4.4.2磁傳感器通過檢測磁疇狀態的變化，磁傳感器可以實現對磁場、電流等物理量的測量。第五章：磁性材料的分類與性質5.1磁性材料的分類5.1.1硬磁材料（永磁材料）具有高矯頑力和高剩磁，磁化后不易退磁，常用于制造永磁體。5.1.2軟磁材料矯頑力低，易于磁化和退磁，常用于變壓器、電感器等電器元件中。5.1.3矩磁材料具有矩形磁滯回線，磁化后能保持穩定的磁化狀態，常用于磁開關、磁存儲器等。5.2磁性材料的基本性質5.2.1磁導率描述材料對磁場的響應能力，磁導率越高，材料越容易被磁化。5.2.2居里溫度磁性材料失去磁性的臨界溫度，高于居里溫度時，材料變為非磁性。5.2.3磁損耗在交變磁場中，磁性材料會吸收能量并轉化為熱能，這部分能量損失稱為磁損耗。5.3磁性材料的微觀結構5.3.1晶格結構磁性材料的晶格結構對其磁性有重要影響，如鐵的α-Fe和γ-Fe具有不同的磁性。5.3.2缺陷與雜質材料中的缺陷和雜質會改變其磁性，如位錯、空位等缺陷會影響磁疇壁的移動和磁疇的翻轉。5.4磁性材料的應用5.4.1電機與發電機利用軟磁材料的磁導率高、磁損耗小的特點，制造電機和發電機的鐵芯。5.4.2磁存儲技術利用矩磁材料的矩形磁滯回線特性，制造磁盤、磁帶等磁存儲設備。5.4.3磁傳感器與磁開關利用磁性材料的磁導率、矯頑力等特性，制造磁傳感器和磁開關等元件。第六章：磁性材料的發展與應用前景6.1磁性材料的發展趨勢6.1.1高性能化提高磁性材料的磁性能，如提高飽和磁化強度、降低矯頑力等，以滿足高性能器件的需求。6.1.2功能化開發具有特殊功能的磁性材料，如磁制冷材料、磁光材料等，以拓展磁性材料的應用領域。6.1.3微型化與集成化隨著納米技術和微電子技術的發展，磁性材料的微型化和集成化成為重要趨勢。6.2磁性材料在信息技術中的應用6.2.1磁記錄技術磁性材料是磁記錄技術的核心，隨著硬盤、磁帶等存儲設備的不斷發展，對磁性材料的要求也越來越高。6.2.2磁傳感器技術磁性材料在磁傳感器中發揮著重要作用，如霍爾傳感器、磁阻傳感器等，廣泛應用于汽車、航空航天等領域。6.3磁性材料在新能源技術中的應用6.3.1磁制冷技術利用磁性材料的磁熱效應實現制冷，具有高效、環保等優點，是未來制冷技術的重要發展方向。6.3.2磁懸浮技術利用磁性材料的磁懸浮效應，實現物體的無接觸懸浮和高速運動，廣泛應用于交通、能源等領域。6.4磁性材料的其他應用6.4.1生物醫學磁性材料在生物醫學領域有著廣泛的應用，如磁性靶向藥物輸送、磁性細胞分離等。6.4.2環境保護利用磁性材料的吸附、分離等特性，處理廢水、廢氣等污染物，實現環境保護的目的。6.5磁性材料的發展挑戰與機遇6.5.1發展挑戰磁性材料的制備工藝復雜，成本較高；磁性材料的性能提升面臨物理極限；磁性材料的應用領域受限等。6.5.2發展機遇隨著信息技術的不斷發展，對高性能磁性材料的需求不斷增加；新能源技術的快速發展為磁性材料提供了新的應用領域；跨學科研究為磁性材料的發展提供了新的思路和方法。第七章：磁記錄材料7.1磁記錄原理與技術磁記錄是一種利用磁性材料的磁化狀態來記錄信息的技術。其基本原理是，當磁性材料受到外部磁場的作用時，其內部的磁疇會發生定向排列，形成特定的磁化模式，從而記錄下信息。這種磁化模式可以通過磁頭讀取，并轉換為電信號進行傳輸和處理。磁記錄技術廣泛應用于硬盤、磁帶、軟盤等存儲設備中。7.2磁記錄材料的類型與特性磁記錄材料根據其成分和性質的不同，可以分為多種類型，如金屬磁粉、金屬薄膜、鐵氧體等。這些材料具有不同的磁學特性，如磁導率、矯頑力、剩磁等，這些特性決定了磁記錄材料的性能和適用范圍。例如，金屬磁粉具有較高的磁導率和矯頑力，適用于高密度磁記錄；而鐵氧體則具有較好的穩定性和耐腐蝕性，適用于長期存儲。表7-1磁記錄材料的主要類型與特性磁記錄材料主要成分磁導率矯頑力剩磁應用領域金屬磁粉Fe、Co、Ni等金屬高中等至高高高密度磁記錄金屬薄膜Fe、Ni等金屬及其合金高高高硬盤、磁卡鐵氧體Fe2O3、BaFe12O19等中等低至中等中等磁帶、軟盤7.3硬盤驅動器(HDD)中的磁記錄材料硬盤驅動器是計算機中最重要的存儲設備之一，其內部采用了先進的磁記錄技術。硬盤中的磁記錄材料通常采用金屬薄膜或玻璃基片上沉積的磁性薄膜。這些材料具有極高的磁導率和矯頑力，能夠在微小的空間內記錄大量的信息。隨著技術的不斷發展，硬盤的存儲容量不斷提高，磁記錄材料的性能也在不斷優化。7.4磁帶與軟盤的磁記錄技術磁帶和軟盤是傳統的磁記錄存儲設備，它們采用了鐵氧體等磁性材料作為記錄介質。磁帶和軟盤具有存儲容量大、成本低、易于攜帶等優點，因此在過去得到了廣泛的應用。然而，隨著硬盤等新型存儲設備的出現和發展，磁帶和軟盤的市場份額逐漸減小。盡管如此，它們在某些特定領域仍然具有不可替代的地位。7.5新興磁記錄技術展望隨著科技的不斷發展，新興磁記錄技術不斷涌現。例如，垂直磁記錄技術通過改變磁疇的排列方向來提高存儲密度；熱輔助磁記錄技術則利用激光加熱來降低磁疇的矯頑力，從而實現更高的存儲密度。這些新興技術為磁記錄材料的發展提供了新的機遇和挑戰。第八章：超導與磁性8.1超導現象與邁斯納效應超導現象是指在一定條件下，某些物質的電阻突然變為零的現象。這種現象的發現對于物理學和材料科學的發展具有重要意義。邁斯納效應是超導現象的另一個重要特征，它表現為超導體在磁場中排斥磁通線的現象。這兩個現象共同揭示了超導體的獨特磁學性質。8.2超導體的磁學性質超導體的磁學性質是其獨特性質的重要組成部分。在超導狀態下，超導體內部的磁通線被完全排斥在外，形成所謂的“邁斯納態”。此外，超導體還具有完全抗磁性、磁通量子化等獨特性質。這些性質使得超導體在磁學領域具有廣泛的應用前景。8.3高溫超導材料簡介高溫超導材料是指在相對較高的溫度下（通常高于液氮溫度）表現出超導性質的材料。這類材料的發現對于超導技術的發展具有重要意義。高溫超導材料具有更高的臨界溫度和更強的抗磁性，因此在實際應用中具有更大的潛力。目前，高溫超導材料已經在電力輸送、磁懸浮列車等領域得到了廣泛的應用。8.4超導磁體及其應用超導磁體是利用超導體的磁學性質制成的強磁場裝置。它具有體積小、重量輕、磁場強度高等優點。超導磁體在醫學、物理學、化學等領域具有廣泛的應用，如核磁共振成像（MRI）、粒子加速器、磁分離等。此外，超導磁體還可以用于制造超導儲能裝置和超導變壓器等電力設備。8.5超導技術在磁懸浮列車中的應用超導技術在磁懸浮列車中的應用是其重要應用領域之一。磁懸浮列車利用超導體的抗磁性原理，通過磁力的相互作用實現列車的懸浮和推進。這種技術具有速度快、噪音低、能耗小等優點，是未來高速交通的重要發展方向之一。目前，已經有多個國家和地區開展了磁懸浮列車的研究和試驗工作。第九章：磁光學效應9.1磁光效應的基本原理磁光效應是指磁場對光波的傳播和偏振狀態產生影響的現象。這種效應的發現為光學和磁學的交叉研究提供了新的思路和方法。磁光效應的基本原理是，當光波在磁場中傳播時，其傳播方向和偏振狀態會受到磁場的影響而發生改變。9.2法拉第旋轉與克爾效應法拉第旋轉和克爾效應是磁光效應中的兩種重要現象。法拉第旋轉是指光波在磁場中傳播時，其偏振面會發生旋轉的現象。這種現象在光學通信和光學測量等領域具有廣泛的應用?？藸栃獎t是指光波在磁性材料表面反射時，其反射光的偏振狀態會發生改變的現象。這種現象在磁性材料的研究和檢測中具有重要價值。9.3磁光記錄與存儲技術磁光記錄與存儲技術是一種利用磁光效應進行信息記錄和存儲的技術。這種技術結合了磁記錄和光學記錄的優點，具有高密度、高速度、長壽命等優點。磁光記錄與存儲技術在光盤、磁光盤等存儲設備中得到了廣泛的應用。隨著技術的不斷發展，磁光記錄與存儲技術的性能和容量也在不斷提高。9.4磁光傳感器及其應用磁光傳感器是利用磁光效應進行測量的傳感器。它具有靈敏度高、響應速度快、抗干擾能力強等優點。磁光傳感器在磁場測量、電流測量、位移測量等領域具有廣泛的應用。例如，在電力系統中，磁光傳感器可以用于測量電流的大小和方向；在機械系統中，磁光傳感器可以用于測量位移和速度等參數。9.5磁光材料的發展趨勢隨著科技的不斷發展，磁光材料的研究和應用也在不斷深入。未來，磁光材料的發展趨勢將包括高性能化、多功能化、微型化等方面。例如，通過改進材料的制備工藝和性能調控方法，可以制備出具有更高靈敏度和更快響應速度的磁光材料；通過引入新的物理機制和效應，可以開發出具有多種功能的磁光復合材料；通過微型化和集成化技術，可以制備出更小、更輕便的磁光傳感器和器件。這些發展趨勢將為磁光技術的應用和發展提供新的機遇和挑戰。第十章：磁性液體10.1磁性液體的組成與特性磁性液體是一種由納米級磁性顆粒、表面活性劑以及載液組成的穩定膠體溶液。這些微小的磁性顆粒在載液中均勻分散，并在表面活性劑的作用下保持長期穩定。磁性液體的特性包括超順磁性、高磁化強度、低粘度以及良好的流動性和穩定性。這些特性使得磁性液體在多個領域具有廣泛的應用潛力。表10-1磁性液體的主要組成組成部分描述磁性顆粒納米級鐵氧體或金屬顆粒，提供磁性能表面活性劑包覆在磁性顆粒表面，防止顆粒團聚載液通常為有機溶劑或水，提供流動性10.2磁性液體的制備與應用磁性液體的制備過程涉及多個步驟，包括磁性顆粒的合成、表面修飾以及膠體溶液的配制。在制備過程中，需要嚴格控制顆粒的大小、形狀和分散性，以確保磁性液體的性能。磁性液體在多個領域具有廣泛的應用，如密封、潤滑、生物醫學、傳感器以及環保等。例如，在密封領域，磁性液體可以用于旋轉軸的密封，實現無泄漏的密封效果；在生物醫學領域，磁性液體可以用于藥物輸送和細胞分離等。10.3磁性液體的密封與潤滑磁性液體在密封和潤滑方面具有獨特的優勢。由于磁性液體的流動性和磁性能，它可以用于填充密封間隙，形成有效的密封屏障。同時，磁性液體還可以提供潤滑作用，減少摩擦和磨損。在真空泵、壓縮機等旋轉設備的密封中，磁性液體密封具有高效、可靠和長壽命等優點。此外，磁性液體還可以用于磁性液體的潤滑，提高機械設備的運行效率和穩定性。10.4磁性液體在生物醫學中的應用磁性液體在生物醫學領域的應用日益廣泛。由于磁性液體具有良好的生物相容性和可操控性，它可以用于藥物輸送、細胞分離、腫瘤治療等。例如，通過將磁性液體與藥物結合，可以實現藥物的靶向輸送，提高治療效果并減少副作用。此外，磁性液體還可以用于細胞分離和純化，為生物醫學研究提供有力的工具。10.5磁性液體的未來研究方向隨著科技的不斷發展，磁性液體的應用前景越來越廣闊。未來，磁性液體的研究方向將包括高性能磁性顆粒的合成、新型表面活性劑的開發、磁性液體性能的優化以及新應用領域的探索。通過不斷的研究和創新，將推動磁性液體在更多領域的應用和發展。第十一章：磁傳感器的原理與應用11.1磁傳感器的工作原理磁傳感器是一種利用磁場變化來檢測物理量的傳感器。它通過將磁場變化轉換為電信號或光信號等可測量的物理量，實現對磁場、電流、位置等參數的測量。磁傳感器的工作原理涉及磁效應、電磁感應等物理原理，具體取決于傳感器的類型和結構。11.2霍爾傳感器與磁阻傳感器霍爾傳感器和磁阻傳感器是兩種常見的磁傳感器類型。霍爾傳感器利用霍爾效應來檢測磁場的變化，具有高精度、高靈敏度和穩定性好等優點。磁阻傳感器則利用磁阻效應來檢測磁場的變化，具有結構簡單、體積小、功耗低等特點。這兩種傳感器在多個領域具有廣泛的應用，如電流測量、位置檢測、磁場測量等。11.3巨磁阻(GMR)與隧穿磁阻(TMR)傳感器巨磁阻(GMR)和隧穿磁阻(TMR)傳感器是兩種高性能的磁傳感器類型。它們利用磁性多層膜中的巨磁阻效應和隧穿磁阻效應來檢測磁場的變化，具有極高的靈敏度和分辨率。這兩種傳感器在硬盤驅動器讀取頭、磁場傳感器以及生物醫學等領域具有廣泛的應用前景。11.4磁傳感器的應用領域磁傳感器在多個領域具有廣泛的應用，如汽車電子、工業自動化、航空航天、生物醫學以及消費電子等。在汽車電子領域，磁傳感器可以用于車速測量、轉向角度測量以及ABS防抱死制動系統等。在工業自動化領域，磁傳感器可以用于位置檢測、電流測量以及物料檢測等。在航空航天領域，磁傳感器可以用于導航系統的姿態測量和磁場測量。在生物醫學領域，磁傳感器可以用于生物磁場測量、細胞分離以及藥物輸送等。11.5磁傳感器的發展趨勢與挑戰隨著科技的不斷發展，磁傳感器正朝著高性能、微型化、智能化以及低功耗等方向發展。然而，磁傳感器的發展也面臨著一些挑戰，如提高傳感器的靈敏度、分辨率和穩定性，降低功耗和成本，以及開發