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1、信息物理基础 磁性物理,韩志达Email address：Phone:15051775925,飞速发展的现代信息技术,信息存储技术 光盘、磁盘、闪存等信息处理技术 计算机信息传输技术 光纤、电磁波等,信息技术的物理基础,半导体物理磁性物理量子物理光学声学,磁学是一门即古老又年轻的学科,司南（战国时期）司南利用天然磁石琢磨而成,样子像一把勺，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻有二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，停下后长柄就指向南方。,磁性与磁性材料发展史,指南针 司马迁史记描述黄帝作战用 1086年 宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等 1119年 宋朝朱或萍洲可谈 罗盘用于航海的记载
2、磁石 最早的著作De Magnete W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 安培定律构成电磁学的基础,电动机、发电机等开创现代电气工业 1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假设 1919年 巴克豪森效应 1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源 1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体,1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场，理论上预言 了磁畴结构 1946年 Bioembergen发现NMR效应 1948年 Neel建立亚
3、铁磁理论 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效应的发现 1964年 Kondo effect 近藤效应 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川)1986年 高温超导体，Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等La1-xCaxMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki,磁学内容是不断与诺贝尔奖得主结缘的学科,从190
4、2 年度的塞曼(P.Zeeman)洛论茨(H.A.Lorentz)到后来的居里夫妇(P.Curie and M.Curie)，爱因斯坦(A.Einstein)，玻尔(N.H.D.Bohr)，海森堡(W.K.Heisenberg)，斯特恩(O.Stern)，拉比(I.I.Rabi)，泡利(W.Pauli)，布洛赫(F.Bloch)，铂塞尔(E.M.Purcell)，库什(P.Kusch)，穆斯堡尔(R.L.Mssbauer)，朗道(L.D.Landau)，阿尔芬(H.O.G.Alfven)，奈尔(L.E.F.Neel)，范费莱克(J.H.Van Vleck)，莫特(Sir.N.F.Mott)，菲
5、利浦.安德逊(P.W.Anderson)，克里福德.沙尔(C.G.Shull)，伯特伦.N.布洛克豪斯(B.N.Brouhouse)，崔琦（Daniel CheeTsui），罗伯特.劳克林（RobetLauclin），霍斯特.施特默（HosterStermou），直到2003年度关于核磁共振成像成就的得主劳特伯（Paul C.Lauterbur），曼施费尔德(Peter Mansfield)，阿尔贝费尔，彼得格林贝格尔,现代磁学与其他学科的交叉,磁性是从宇宙天体到基本粒子普存的学科,地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近.,磁性的来源,1、早期观点1）
6、安培分子电流在磁介质中分子、原子存在着一种环形电流分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体在没有被磁化时，分子电流杂乱无章排列，不显磁性；加入磁场，分子电流沿磁场方向规则排列，显磁性2）磁荷磁介质的最小单元是磁偶极子介质没有被磁化，磁偶极子的取向无规，不显磁性；处于磁场中，产生一个力矩，磁偶极矩转向磁场的方向，各磁偶极子在一定程度上沿着磁场的方向排列，显示磁性,2、现代观点：物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性,1)带电的粒子漂移或运动产生磁场2)电子的自旋电子的轨道运动：核外电子的运动相当于一个闭合电流，具有一定的轨道磁矩4)原子核的磁矩,材料的磁性主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩
7、。原子核的磁矩很小，只有电子的几千分之一，通常可以略去不计,磁性材料的应用,电磁炉,电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。,特点：直接发热，热效率高达90%炉面无明火，无烟无废气 电磁火力强劲，安全可靠,电饭锅,日常使用的电饭锅利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105的磁性材
8、料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。,磁悬浮列车,上海磁悬浮列车 平均时速300公里/小时，最高时速430公里/小时,传统轮轨技术：速度低、噪音大,磁悬浮技术：采用磁力悬浮的方式，使列车悬浮在轨道上方行驶，具有如下优点：减少摩擦力，大幅度提高车辆的行驶速度；不会造成噪音或空气污染，并可提高能源的使用效率；,磁悬浮列车是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成
9、为“无轮”列车。磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是电磁型，也称吸力型、常导型。另一种是电动型，也称斥力型、超导型。,磁悬浮列车原理,两种磁悬浮列车系统的结构示意图：(a)电磁型；(b)电动型,电磁炮,舰载概念电磁炮及其原理图,原理：传统的火炮都是利用弹药爆炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮弹迅速加速，推出炮膛。而电磁炮则是把炮弹放在螺线管中，给螺线管通电，那么螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力，将炮弹射出。,第一个提出电磁炮这一概念并进行实验的是挪威伯克兰教授，1901年就获得了专利。,l978年，澳大利亚科学家在5米长的轨道炮上(5.9千米秒)；现在弹丸初速1.51.7千米秒。,隐身飞机,
10、F117隐形战斗机 为了躲避敌方雷达的监测，在飞机表面涂一层特殊的磁性材料吸波材料，它可以吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电磁波很少发生反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，不能发现飞机，这就使飞机达到了隐身的目的。,磁性功能材料,制冷就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程。,1 利用气体膨胀产生冷效应制冷。2 利用物质相变(如融化、液化、升华、磁相变)的吸热效应实现制冷。3 利用半导体的温差电效应实现制冷。,制冷,磁热效应与磁制冷,磁制冷是利用自旋系统磁熵变的制冷方式，是一种以磁性材料为工质的全新的制冷技术。其基本原理是借助磁制冷材料的磁卡效应，即磁制冷材料等温
11、磁化时向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取热量，达到制冷目的。,磁制冷的优点,磁制冷机外型图,优点:效率高噪音低体积小环保,磁电阻效应,用途：磁传感，磁盘读出头,IBM硬盘的发展,磁致伸缩效应,磁致伸缩效应：材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能；压磁效应：将微变形或声能转化为电磁能。应用：在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛，如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统），噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域。它具有磁致伸缩值大，机械响应速度快和功率密度高特点。,MTS磁致伸缩位移传感器：,
12、高精度、多种规格、长行程、非接触式测量模块组装、坚固耐用敏感元件平均无故障时间（MTBF）长达23年真正的绝对位置输出、无需重新标定或定期维,适用于高温、高压、高振荡及空间狭小环境 安装方便、快捷，不需定期标定和维护冶金工业连铸、冷热轧、AGC控制、模件成型等,磁性纳米材料,纳米材料：1-100nm纳米磁性材料可以分成三类：1.零维的磁性纳米粒子；2.一维的磁性纳米丝；3.二维的磁性纳米膜；,零维磁性材料：磁性液体,1963年，美国国家航空与航天局的SPapell采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的四氧化三铁微颗粒上(直径约为10nm)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系
13、。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为磁性液体。,主要特点：1.在磁场作用下，可以被磁化；2.具有液体的流动性，可以运动。3.在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。,磁性液体的应用,磁密封、磁液扬声器、磁记录等 还可作为光快门、光调节器、激光磁爱滋病毒检测仪等仪器仪表材料；抗瘤药物磁性载体、细胞磁分离介质、复印机墨粉、磁性墨水等材料。,宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体,磁性液体广泛用于扬声器,起散热，润滑等作用，极大缩小了扬声器体积，增加了功率，改
14、善了音质。磁性液体广泛用于扬声器,生物中的纳米磁性粒子,许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如磁性细菌，鸽子，海豚，石鳖，蜜蜂，人的大脑等,1975年即发现向磁性细菌-体内有一排磁性纳米粒子,人类大脑中平均含有20微克（约500万粒）的磁性纳米粒子,蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G代表磁性颗粒。,一维纳米线,NiFe纳米线,Co单晶纳米线,一维磁性纳米丝是近年来发展很快的研究内容，材料可以是单一金属，合金，化合物，复合物，多层膜。利用一维纳米丝制备纳米量子存储介质，是高密度，低噪音硬盘介质的发展方向之一。用于细胞分离，纯度达80%，产率达85%,二维磁性纳米薄膜,二维磁性纳米薄膜是几十年来研究得最多的内容之一。60年代是研究NiFe薄膜的热潮，用于磁性内存，后来被半导体所取代；70年代是研究磁泡薄膜的热潮，用于磁存储，后来因各种原因被淘汰；80年代是研究磁光薄膜的高潮，目前市场的可擦写光盘即基于此项研究成果；90年代对磁性多层膜的研究导致巨磁电阻效应的发现，并发展成新型学科-自旋电子学。,
