Magnetism in the Solid State pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Peter Mohn

出品人:

页数:229

译者:

出版时间:2005-12-14

价格:USD 89.95

装帧:Paperback

isbn号码:9783540293842

丛书系列:

图书标签:

• 磁学
• 固体物理
• 材料科学
• 凝聚态物理
• 自旋物理
• 磁性材料
• 电子结构
• 磁记录
• 磁共振
• 磁畴

物质磁性的奥秘：从基本原理到前沿应用 《物质磁性的奥秘》是一部深入探索固体材料中磁性现象的专著，旨在为读者提供一个全面而深刻的理解框架。本书并非简单罗列各种磁性材料的性质，而是从微观粒子层面的相互作用出发，层层递进，揭示磁性产生的根源，并探讨其在现代科学技术中的广泛应用。本书适合物理学、材料科学、化学以及相关工程领域的本科生、研究生以及科研人员阅读。 第一部分：磁性的微观根源——电子的量子力学视角 本书的开篇，我们将从最基础的层面——电子的量子力学性质——开始，建立对磁性起源的直观认识。 电子的电荷与自旋： 任何物质都由原子构成，而原子又由原子核和电子组成。电子作为一种基本粒子，携带电荷，并且拥有一个内在的量子力学属性，称为“自旋”。自旋是电子自身的一种角动量，就如同它在绕轴旋转一样，尽管这种比喻并非完全准确，但它提供了一个理解电子磁矩的有效框架。这种自旋赋予了电子一个微小的磁矩，使其表现得像一个微小的磁铁。 轨道磁矩： 除了自旋磁矩，电子在原子核周围的运动也会产生一个与轨道运动相关的磁矩，这被称为轨道磁矩。虽然在许多固体材料中，由于“去耦”效应，电子的轨道磁矩对宏观磁性的贡献相对较小，但在某些特定的材料和情况下，轨道磁矩仍然扮演着重要的角色。本书将详细阐述这些效应，并解释它们如何影响总体的磁矩。 原子磁矩的形成与相互作用： 当多个电子存在于一个原子中时，它们的自旋和轨道磁矩会以一定的规则进行耦合。泡利不相容原理决定了电子在原子中的排布方式，从而影响了净原子磁矩的大小和方向。未成对电子的存在是产生净原子磁矩的关键。接着，本书将深入探讨原子磁矩在固体材料中的表现形式，以及它们之间如何发生相互作用。 第二部分：宏观磁性的涌现——固体的集体行为 理解了单个电子和原子的磁矩来源，我们便可以进入更宏观的层面，探讨这些微观磁矩如何在固体材料中汇聚，形成宏观上可观测到的磁性现象。 交换相互作用 (Exchange Interaction)： 这是固体磁性的核心机制之一。交换相互作用是一种量子力学效应，它源于电子之间的波函数重叠。当原子间的距离很近时，电子的波函数会相互渗透，导致它们的自旋倾向于平行（铁磁性）或反平行（反铁磁性）排列，以降低系统的总能量。本书将详细介绍交换相互作用的物理本质，包括其与电子密度、原子间距的关系，并探讨其在不同晶体结构中的表现。 晶体场效应 (Crystal Field Effect)： 在晶体中，原子核周围的电场环境并非均匀的，而是由周围的离子所形成的周期性电场，称为晶体场。晶体场会影响原子中未成对电子的能级结构，从而改变电子的排布，进而影响原子的磁矩。本书将分析不同对称性的晶体场如何影响d电子和f电子的能级，以及这种影响如何导致许多稀土和过渡金属化合物表现出独特的磁性。 磁畴的形成与壁： 在铁磁性材料中，即使没有外加磁场，材料内部的磁矩也不会全部沿着同一个方向排列。为了降低交换相互作用的能量，材料会自发地形成具有相同磁矩方向的区域，这些区域被称为磁畴。不同磁畴之间的边界称为磁畴壁。本书将详细阐述磁畴的形成机理，磁畴壁的结构与运动，以及它们对材料宏观磁性的影响。 磁各向异性 (Magnetic Anisotropy)： 磁畴的磁矩在特定方向上比其他方向更容易被磁化，这种特性称为磁各向异性。磁各向异性可以源于晶体结构（晶体磁各向异性）、形状（形状磁各向异性）或应力（应力磁各向异性）。理解磁各向异性对于设计和制造具有特定磁性能的材料至关重要，例如用于硬盘或永磁体的材料。 第三部分：磁性的分类与动力学 基于上述基本原理，本书将系统地介绍各种主要的磁性材料类型，并深入探讨磁性的动力学行为。 抗磁性 (Diamagnetism)： 抗磁性是一种普遍存在但非常弱的磁性，它源于外加磁场对电子轨道运动的感应效应，导致产生与外加磁场方向相反的磁矩。本书将解释抗磁性的微观起源，并说明为什么它在所有材料中都存在，尽管在其他更强的磁性类型下容易被掩盖。 顺磁性 (Paramagnetism)： 顺磁性材料在外加磁场作用下会产生一个与磁场方向相同的弱磁矩，撤去磁场后磁性消失。这主要是由于材料中存在未成对电子，其自旋磁矩在热运动中呈现随机分布，在外场作用下才会产生宏观的净磁矩。本书将讨论顺磁性的温度依赖性（居里定律）以及其在稀土和过渡金属离子中的表现。 铁磁性 (Ferromagnetism)： 铁磁性材料在外加磁场作用下会产生强烈的磁化，并且即使撤去磁场，大部分磁性也会保留下来，形成永磁体。这是由于强烈的交换相互作用导致电子自旋倾向于平行排列。本书将深入探讨铁磁性的起源、饱和磁化强度、居里温度以及不同类型的铁磁性材料，如铁、钴、镍及其合金。 反铁磁性 (Antiferromagnetism)： 在反铁磁性材料中，相邻原子的磁矩倾向于反平行排列，使得宏观上总磁矩接近于零。尽管如此，反铁磁性材料仍然具有丰富的磁结构和行为，并且在自旋电子学领域具有重要应用潜力。本书将介绍反铁磁性的交换相互作用以及其与铁磁性的区别。 亚铁磁性 (Ferrimagnetism)： 亚铁磁性材料的磁矩排列方式类似于反铁磁性，但由于两种不同类型或数量的磁性子晶格的磁矩大小不相等，导致宏观上存在一个净磁矩。铁氧体是典型的亚铁磁性材料，在磁记录和高频应用中扮演重要角色。 磁性的动力学： 除了静态的磁性行为，本书还将关注磁性的动态过程。这包括磁畴壁的移动速度、磁化翻转的动力学、以及材料在外加电磁场下的响应。这些动力学行为对于理解磁性材料在高速数据存储、传感器等领域的应用至关重要。 第四部分：前沿研究与应用 本书的最后部分，我们将目光投向现代磁学研究的前沿，以及磁性材料在各个技术领域的广泛应用。 巨磁电阻效应 (Giant Magnetoresistance, GMR) 与隧道磁电阻效应 (Tunnel Magnetoresistance, TMR)： 这两种效应是自旋电子学领域最重要的发现之一。巨磁电阻效应是指在特定结构的磁性多层膜中，外加磁场可以引起电阻的巨大变化。隧道磁电阻效应则利用了电子隧穿现象，在磁性隧道结中，电阻也与磁场有关。本书将详细阐述这两种效应的物理机制，并介绍它们在硬盘读取磁头、磁性传感器等领域的革命性应用。 磁性纳米材料： 随着纳米技术的发展，磁性纳米材料以其独特的尺寸效应和表面效应，展现出前所未有的性能。本书将探讨超顺磁性纳米颗粒在磁共振成像、药物靶向输送等生物医学领域的应用，以及磁性纳米线、纳米晶体在信息存储和自旋电子器件中的潜力。 稀土永磁材料： 钕铁硼 (NdFeB) 等稀土永磁材料以其极高的磁能积，在电动汽车、风力发电机、消费电子等领域不可或缺。本书将分析稀土永磁体的磁结构、磁各向异性以及提高其性能和稳定性的研究进展。 高温超导与磁性： 许多高温超导材料同时具有复杂的磁性行为，例如铜氧化物中的反铁磁性。本书将探讨超导性与磁性之间的相互作用，以及理解这种相互作用对于开发新型超导材料的重要性。 量子计算中的磁性： 量子计算作为下一代计算技术，其基本单元——量子比特——的实现方式多种多样。其中，基于磁性材料的量子比特（如磁性杂质、磁性纳米结构）是重要的研究方向之一。本书将简要介绍磁性在量子计算中的潜在作用。 磁性传感技术： 磁性传感器因其高灵敏度、非接触式测量等优点，在工业自动化、环境监测、生物检测等领域得到广泛应用。本书将介绍不同类型的磁性传感器，如霍尔传感器、磁阻传感器，以及它们在不同应用场景下的工作原理。 磁性材料的制备与表征： 为了实现对磁性材料性能的精确控制，高效的制备技术和精确的表征手段至关重要。本书将简要介绍薄膜生长技术（如分子束外延、磁控溅射）、粉末冶金技术，以及磁性测量技术（如振动样品磁强计、磁滞回线测量）。 《物质磁性的奥秘》旨在为读者构建一个从基本原理到前沿应用的知识体系，不仅帮助读者理解物质的磁性之美，更激发读者对未来磁性科学与技术发展的探索热情。本书力求内容严谨、深入浅出，逻辑清晰，既注重理论的深度，也强调实际应用的广度，是一部不可多得的磁性科学参考书。

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