磁性物理课程教学大纲
课程编号：55033235 适用专业：电子科学与技术
学时数：56（实验8）学分数：3.5
先修课程：《高等数学与特殊函数》、《大学物理》、《电磁场与波》、《量子力学与统计物理》、《固体电子学》
考核方式：闭卷
执笔者：兰中文、余忠编写日期：2008年8月
一、课程性质和任务
本课程为电子科学技术（固体电子工程）专业的一门重要专业基础理论课，属必修。

强调基本磁学理论和磁性物理知识的理解，基本公式的推导，磁性物理及相关领域的新进展，给出磁现象的内在规律及用以解释的物理模型，为今后进一步学习磁性材料与器件、磁测量和磁信息存储等课程打下基础。

二、课程教学内容和要求
1.理论教学（48学时）
教学内容主要由五部分组成：
物质磁性起源及其随温度的变化关系、自发磁化以及铁磁性和亚铁磁性等磁现象和本质；磁晶各向异性与磁致伸缩；磁畴理论和静态技术磁化与反磁化过程的理论与规律；磁化过程动力学、交流磁化理论；铁磁共振理论以及磁与电、光、热、应力的耦合效应。

其中第五部分内容可根据教学进度适当取舍。

2.课程安排：
①磁性起源及自发磁化理论 20学时
②磁晶各向异性及磁致伸缩 6学时
③磁畴理论 7学时
④技术磁化 10学时
⑤动态磁化 5学时
3.实验教学（8学时）
实验内容：
饱和磁化强度的测试研究，强磁性材料磁致伸缩系数的研究，磁性材料高频损耗特性研究，以及磁性材料电阻率特性测试研究。

要求：掌握磁天平法测试饱和磁化强度基本工作原理及应变电阻法测量磁致伸缩系数的测试原理，掌握倍乘电压法测磁性材料高频损耗特性的测试原理，利用四探针法测试磁性材料电阻率，熟悉测试系统构成，测试基本方法与过程，以及结果计算与分析。

各章附有习题，另外结合其它参考资料再出一些习题要求学生必作。

结合答疑和习题中发现的问题，各章结束时统一讲解。

三、建议教材及参考资料
1.教材：《磁性物理学》（修订本）。

宛德福，马兴隆，电子工业出版社，1999
年4月
2.参考资料：
①姜寿亭，《凝聚态磁性物理》，科学出版社，2006年
②戴道生，《铁磁学》（上），科学出版社，2000年
③钟文定，《铁磁学》（中），科学出版社，2000年
④廖绍彬，《铁磁学》（下），科学出版社，2000年
⑤都有为，《铁氧体》，江苏科学技术出版社，1996年
⑥姜寿亭，《铁磁性理论》，科学出版社，1993年
⑦The Quantum Theory of Magnetism, Norberto Majlis, World sci. Publising
Co. Pte. Lfd. 2000
四、对各章节的基本要求
第一章磁学基础知识
要求：深刻理解各基本磁学量的物理意义，以及相互间的区别和联系；掌握外磁场能F H和退磁场能F d的概念、表达式及物理意义；理解五种磁性各自的基本磁结构及其磁化率与温度的关系。

第二章磁性起源
物质磁性的起源，来自原子的磁矩。

而原子的磁矩又主要来自于电子的轨道磁矩和自旋磁矩。

但值得注意的是：在不同的情况下，轨道磁矩和自旋磁矩对原子磁矩的贡献是不一样的。

要求：能够分别计算同一种元素在孤立原子状态、离子状态以及合金中的原子状态时的磁矩，并能说明产生差别的原因。

要注意3d过渡族元素在离子化合
物中需要考虑晶体场效应所导致的轨道角动量冻结，这和稀土元素有区别。

第三章自发磁化
本章是在朗之万顺磁性理论基础上，先引入“分子场”的概念来唯象地解释自发磁化，但是分子场理论并没有指出“分子场”的来源。

这个缺陷是由海森堡利用直接交换作用模型加以解决的，指出分子场的来源（即自发磁化的本质）就是磁性原子（离子）电子与电子间的静电交换相互作用。

但是这种直接交换作用模型不能用于解释铁氧体、3d过渡金属合金以及稀土的磁性，这三种物质的磁性和自发磁化应分别用超交换作用、能带理论以及RKKY 交换作用加以解释。

要求：在理解各种磁性基本磁结构的基础上，掌握各理论的基本思想、重要结论、成功与不足之处；掌握亚铁磁性代表物—铁氧体的种类、各自的晶体结构、分子式及离子分布式的书写、分子磁矩的计算、饱和磁化强度的计算；掌握交换能F ex的概念、表达式及物理意义；理解自发磁化和居里温度的本质，本能利用交换积分常数A来区分五种磁性；理解超交换作用的原理；能够用能带理论计算3d过渡金属原子磁矩（为分数）；理解RKKY交换作用及RKKY理论的基本思想。

第四章磁各向异性与磁致伸缩
本章介绍了磁晶各向异性与磁致伸缩两种现象，相应地导出了两种能量：磁晶各向异性能F k和磁弹性应力能Fσ。

至此，全部介绍了磁体内需要考虑的五种能量。

要求：掌握磁晶各向异性与磁致伸缩的概念、物理意义及其来源；理解磁晶各向异性常数K与磁致伸缩系数λ的物理意义，掌握磁晶各向异性能F k和磁弹性应力能Fσ的表达式及物理意义；能够利用阿库洛夫公式推导立方多晶材料的磁致伸缩系数与单晶体的磁致伸缩系数之间的关系；掌握应力对自发磁化强度矢量取向的影响；要能准确分析出在不同的条件下系统所需要考虑的最主要的能量。

第五章磁畴结构
“磁畴”的概念，最早是在1907年法国科学家Weiss在“分子场”理论中以假设的方式提出的，后来被实验所证实。

从能量的角度来说，形成磁畴的最根本原因是退磁场能量。

磁畴有一定的大小，同一个磁畴内，所有磁矩取向一致，但各磁畴的自发磁化方向有一定分布。

相邻磁畴之间，磁矩按照一定规律逐渐改变方向，这一过渡层即是畴壁。

畴壁有一定的厚度，在畴壁中，一般需要考虑磁
晶各向异性能和交换能。

一般说来，大块材料为多畴结构，但当铁磁晶体尺寸足够小时，可以成为单畴颗粒，整个颗粒就是一个磁畴。

要求：理解磁畴形成的原因；掌握畴壁的分类以及畴壁中磁晶各向异性能和交换能之间的关系，并能正确描述畴壁中能量的变化情况；运用能量极小值原理，计算均匀铁磁体的磁畴宽度和能量；理解杂质（空隙）和应力对磁畴结构和畴壁位置的影响；能计算磁晶各向异性较强的铁磁体单畴颗粒的临界尺寸。

第六章技术磁化
实际中使用的磁性材料，其共同点是材料内部存在磁畴，不同处是磁畴结构及其运动的变化方式不同，相应地其磁化曲线与磁滞回线的形状也就不同。

技术磁化是在缓慢变化或低频交变磁场中进行磁化，所考虑的是磁化已经达到稳定状态的问题。

要求：了解磁化过程及磁化机制；掌握畴壁位移磁化和畴转磁化的机制；掌握推导可逆磁化时的起始磁导率的解题方法；理解不可逆磁化过程，掌握巴克豪森跳跃的概念及过程；对于反磁化过程，理解三种产生磁滞的机制，掌握推导不可逆畴转过程中的矫顽力Hc的解题方法，并理解材料缺陷对Hc影响的两重性；理解剩磁Br的物理概念，并掌握易磁化轴数目与剩磁比之间的关系；掌握在不同磁化状态下自发磁化强度矢量在空间的分布。

第七章动态磁化
在交变磁场作用下，各向同性的铁磁体的磁性能与在静磁场作用下的磁性能有很大的不同，要考虑磁化的时间效应。

要求：理解动态磁化的时间效应及其表现形式；推导复数磁导率；掌握损耗的物理意义；对磁损耗进行分类和分离，分析各种损耗产生的机理及相应的降低途径；掌握在磁谱上确定截止频率f r的方法。