磁性物理（簡體書）

《磁性物理》扼要介紹一般磁性，重點介紹強磁性，特別是磁性材料磁性的基本現象和基本理論，並扼要介紹其應用和磁性材料以及它們的近期發展。全書分磁性基礎，原子磁性，自發磁化，強磁性介質的能量，磁疇結構，靜態技術磁化過程，強磁性介質的電光性質、磁與生物、超精細相互作用，動態磁化過程，磁性材料、微波磁性器件等九章。詳細的數學過程放在相關章節的附注裡。書末附有物理常數、主要磁學量的單位及其換算、矢量分析公式、群論摘選、二次量子化、微擾論等六個附錄。《磁性物理》適合作為磁學、磁性材料、磁性器件、凝聚態物理等領域的研究生教材，也可以作為教學、科研、工程技術人員以及研究生、高年級本科生的參考書。在小部分章節中用到高等量子力學和群論，沒有學過這些課程的讀者可以參考附錄四～六，或跳過數學過程，掌握理論的思路和主要結果。

金漢民編著的這本《磁性物理》是現代物理基礎叢書之一。全書共分9章，內容包括：磁性基礎，原子磁性，自發磁化，強磁性介質的能量，磁疇結構，靜態技術磁化過程，強磁性介質的電光性質、磁與生物、超精細相互作用，動態磁化過程，磁性材料、微波磁性器件等。適合作為磁學、磁性材料、磁性器件、凝聚態物理等領域的研究生教材，也可以作為教學、科研、工程技術人員以及研究生、高年級本科生的參考書。

符號凡例
第1章磁性基礎
第2章原子磁性
第3章自發磁化
第4章強磁性介質的能量
第5章磁疇結構
第6章靜態技術磁化過程
第7章強磁性介質的電光性質，磁與生物，超精細相互作用
第8章動態磁化過程
第9章磁性材料，微波磁性器件
附錄

第1章磁性基礎
本章的重點是歸納磁學的宏觀基本規律和磁學量。內容包括磁學的基本定律和基本量、物質磁性的分類、磁Coulomb定律和靜磁場、靜磁能、磁性介質的熱力
學、帶電粒子在靜電磁場中的哈密頓。除特別說明，本書中溫度都指絕對溫度。
1.1磁學的基本定律和基本量
1.1.1磁力定律，磁感應強度矢量，磁矩
帶電荷q的粒子以速度v在磁場空間運動時受到Lorentz力f＝qv×B（1.1.1）這個關系式同時定義磁感應強度矢量（簡稱磁感應強度）B（T）。例如：地球磁場向太空伸出幾萬公里，形成地球磁圈（magnetosphere），在地面，B大約是3×10-5T。地球磁圈把所有生物從致命的太陽風中（由電子、氫和氦離子等帶電粒子組成）保護起來。后者受地磁場的Lorentz力作用劃過太空［1］。任意粒子即使是在靜止狀態下，在不均勻磁場中也受力
f＝（pM?Δ）B（B：外加磁感應強度矢量）（1.1.2）這個關系式同時定義磁矩pM（A?m2）。它是表征粒子磁性的矢量。式（1.1.2）的一個應用是磁分離。高梯度磁場（最大B～2T）吸引強磁性（1.2節）顆粒的力遠大于重力，從而把它們吸過去。弱磁性（1.2節）顆粒的磁矩則遠比強磁性的小，重力遠大于磁力，這些顆粒自由通過磁場空隙分離出去。磁選鐵礦石是磁分離的一個典型例子。
1.1.2磁化強度矢量，磁偶極矩，磁極化強度矢量，磁場強度矢量定義磁矩在單位體積的矢量和M＝limv→0ΣvpMv（A/m）（v：體積）（1.1.3）為磁化強度矢量（簡稱磁化強度）。
定義磁偶極矩和磁極化強度矢量（簡稱磁極化強度）分別為pJ＝μ0pM（Wb?m）和J＝μ0M（T）（1.1.4）其中μ0≡4π×10-72為磁性常數。pJ和pM以及J和M分別描寫同一個物理量，只是單位不同。引進兩種單位的量是因為在不同場合選用其中一種單位的量更方便。磁場強度矢量（簡稱磁場強度）H（A/m）由B＝μ0H+J（1.1.5）定義。在真空中J＝0，因此H＝B/μ0描寫的物理量與B相同。
A稱為磁矢勢。它沿一個閉合回路l的線積分等于通過該回路的磁通量。這里eα代表α方向的單位矢。把粒子和磁場看做一個系統，則將磁矩移動dr時，和系統內部的磁場對粒子作用的力f（式（1.1.16））平衡的外力-f所做的功，即系統的能量變化是
dE＝-f?dr＝-pM?dB＝-pJ?dH（1.1.17）
故
pM＝-抄E
抄B，pJ＝-抄E
抄H（1.1.18）
磁秤就是在梯度磁場中測量樣品所受的力，用式（1.1.16）測量樣品磁矩的設備。磁矩的一個例子是閉合電流線圈磁矩。令I和S分別為線圈電流和線圈面積矢量，電流繞S向右旋方向流動（圖1.1.1，式（n1.1.1））。線圈在磁場中受的力等于（見本節附注）
f＝IS?抄B抄r（1.1.19）
比較式（1.1.19）和式（1.1.16）得知，電流線圈具有磁矩，它等于pM＝IS（1.1.20）
磁矩的第二個例子是電子自旋磁矩。把H以及Li、Ag等周期表IA、IB族原子蒸氣穿過前后隔開一定距離的兩個隙縫，變成很細的蒸氣束，注入到梯度磁場空間。磁場和其梯度方向垂直于蒸氣束。落到襯底的蒸氣束會留下痕跡。當沒有磁場時，觀察到的是一個小點，正好位于兩個隙縫的延長線上。加磁場后，原子受到式（1.1.16）的力，而向磁場梯度方向偏移。襯底上觀察到的是互相反方向偏移等距離的兩個小點（圖1.1.2），這就是著名的Stern-Gerlach實驗。氫原子以及IA、IB族的原子都具有一個s價電子，原子軌道磁矩等于零（第2章）。由此確認，電子具有自旋磁矩，其磁場方向的分量只有兩個，磁偶極矩分量是±1.00115965219μB≈±μB，其中，μB≡μ0|e|?2m＝1.165406×10-29Wb?m（m、e（＜0）：電子的質量和電荷）分別稱為磁導率、磁化率、相對磁化率（簡稱磁化率），μ稱為相對磁導率，簡稱磁導率。單位重量的磁矩大小σ（A?m2/kg）稱為比磁化強度（specificmagnetization），簡稱磁化強度。
1.1.6磁學量的單位
目前在科學雜志中雖然多數采用國際單位（SI），一些文獻依舊采用CGS單位。附錄二給出這兩類單位的換算關系。
1.2物質磁性的分類
物質磁性大體可以分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性、亞鐵磁性、磁性玻璃，下面分別概述。
1.2.1抗磁性
磁化率χ為負，即磁化方向逆著磁場方向。這種材料在不均勻磁場中被排斥（見式（1.1.16））。一般χ非常小，
χ＝-10-6～-10-2（1.2.1）
在一般實驗室條件（μ0H＝0T～2T，溫度T＝0K～1200K）下，χ與H和T無關（第2章）。He、Ne、Ar等惰性氣體，H2、N2、水（H2O）等分子，NaCl、金剛石（C）等晶體，Cu、Ge、Ag、Au、Bi等金屬，Si、P、S等非金屬以及多種有機化合物的磁性屬于這一類。抗磁性介質沒有固有磁矩，負磁矩是被磁場誘導出來的（第2章）。在超導體內部，B＝μ0（H+M）＝0。這個現象稱為Meissner效應。由此得
χ＝-1（1.2.2）
Hg、Ti、Zr等金屬（10K），Nb3Ge（23K）、Cs3RbC60（33K）等化合物，Y-Ba-Cu-O（90K）、Hg-Ba-Cu-O（134K）等氧化物在超導轉變溫度（上述括弧中的數值）以下呈現超導特性。若把一塊超導體放在永磁體磁極上面，它所受的排斥力足夠使它懸浮在空中。
1.2.2順磁性
磁化率為正，被不均勻磁場區吸引。一般磁化率很小，χ＝10-6～100（1.2.3）在一般實驗室的磁場中，χ與H無關。多數滿足Curie定律（第2章）χ＝CT（T：溫度）（1.2.4）或Curie-Weiss定律（第3章）χ＝CT-θC（T＞θC＞0）（1.2.5）這里，C和θC分別稱為Curie常數和順磁Curie溫度。和抗磁性不同，在這些順磁性物質中，部分或全部原子或離子（稱為磁性原子或離子）具有固有磁矩。磁矩間相互作用很弱，沒有外磁場時，各磁矩受熱的騷擾作用，隨時混亂排列，J＝0（圖
1.2.1（a））。在磁場中，磁矩受力矩作用而轉向磁場方向。但由于熱能遠比磁矩在外磁場中的位能（Zeeman能）大，磁化很小。