The Quantum Theory of Magnetism pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Norberto Majlis

出品人:

页数:392

译者:

出版时间:2007-9

价格:$ 112.00

装帧:HRD

isbn号码:9789812567925

丛书系列:

图书标签:

• 量子磁学
• 磁性
• 量子力学
• 凝聚态物理
• 材料物理
• 自旋
• 磁序
• 电子结构
• 量子材料
• 磁学理论

磁学的非量子视角：经典与唯象理论的深度探析 导言：超越薛定谔方程的宏大图景 本书旨在为读者呈现一幅关于磁现象的宏大图景，但这幅图景的基石并非建立在量子力学的复杂框架之上。相反，我们深入挖掘了在量子理论兴起之前和与其并存的经典物理学、热力学以及唯象（Phenomenological）模型如何成功地描述、预测并指导了对磁性材料的理解和应用。我们聚焦于宏观尺度和平均场理论的强大力量，探索了磁畴、磁滞回线以及磁性相变的内在逻辑，这些理论的优雅性与其实用价值至今仍是材料科学和工程学不可或缺的组成部分。 第一部分：磁学的基石——经典电动力学与麦克斯韦方程组的完备性 在本书的第一部分，我们将回顾磁现象的经典描述，重点阐述麦克斯韦方程组在静态和低频动态磁场下的应用。尽管量子理论提供了微观起源，但宏观电磁场行为的描述，从一开始就依赖于对磁场和磁感应强度的经典场论。 第一章：磁场的几何与动力学基础 本章从毕奥-萨伐尔定律和安培环路定律出发，详述了稳恒电流如何产生磁场。我们详细分析了无限长导线、螺线管以及有限尺寸线圈产生的磁场分布，并引入了磁矢量势 $mathbf{A}$ 作为描述磁场的另一种数学工具，探讨其在处理复杂几何结构时的优势。我们着重讨论了洛伦兹力定律，并将其应用于带电粒子在均匀与非均匀磁场中的运动轨迹分析，这是理解范德格拉夫加速器和质谱仪等经典仪器的基础。 第二章：物质中的磁化现象 本章的核心在于理解磁介质如何响应外部磁场。我们详细区分了磁感应强度 $mathbf{B}$、磁场强度 $mathbf{H}$ 以及磁化强度 $mathbf{M}$ 之间的关系。在经典框架下，物质的磁性被视为宏观响应，与原子尺度的微观结构分离。我们系统地探讨了三种主要的经典响应类型： 抗磁性（Diamagnetism）： 基于法拉第-朗之万（Langevin-Debye）理论，我们解释了电子绕核的轨道运动如何产生一个与外磁场方向相反的感应磁矩。我们计算了纯粹的抗磁化率 $chi_d$，并将其应用于惰性气体和某些金属的分析。 顺磁性（Paramagnetism）： 重点分析了具有永久磁矩的原子在热运动和外磁场作用下的平衡。朗之万顺磁理论精确地描述了磁化强度与温度和磁场强度的关系，导出了 $chi_p propto 1/T$ 的居里定律。我们探讨了朗之万模型在饱和效应下的局限性。 热力学与磁化能： 我们从热力学的角度推导了磁化过程中的功和能量，特别是磁能密度 $u_B = -frac{1}{2}mu_0 mathbf{H} cdot mathbf{B}$，为后续分析磁化过程中的热效应奠定基础。 第二部分：唯象理论与平均场模型——铁磁性的宏观描述 在第二部分，我们将进入复杂磁性现象的核心领域，主要关注铁磁性（Ferromagnetism），它无法仅用简单的朗之万模型解释。我们采用平均场理论和唯象定律来捕捉这些复杂的集体行为。 第三章：畴论与宏观磁滞现象 本章是理解实际磁性材料应用的关键。我们首先引入皮埃尔·居里（Pierre Curie）和艾德蒙·维塔赫（Edmond Weiss）的唯象思想，特别是维塔赫平均场理论。虽然该理论在微观上有所不足，但它成功地引入了“内禀场”的概念，解释了铁磁性自发磁化的存在。 磁畴结构： 我们详细讨论了磁畴（Magnetic Domains）的概念，解释了材料为何在宏观上不表现出磁性。我们探讨了畴壁（Domain Walls）的结构，并从能量平衡的角度（交换能与磁晶各向异性能的权衡）推导出畴壁的宽度和能量密度。 磁滞回线的物理图像： 沿着一个典型的磁滞回线，我们详细分析了畴壁的运动（无磁矩翻转）：磁化强度的不可逆性、矫顽力（Coercivity）和剩磁（Remanence）的物理起源。我们讨论了如何通过退火或加工硬化来控制这些宏观参数，以满足软磁和硬磁材料的不同应用需求。 第四章：温度依赖性与磁相变 本章专注于磁性系统如何随温度变化，特别是描述临界点现象。 居里温度的唯象确定： 基于维塔赫平均场理论，我们推导了铁磁性自发磁化强度 $M_s(T)$ 随温度变化的表达式，并精确确定了居里温度 $T_C$ 的唯象定义——即平均场作用下，磁化强度降至零的温度点。 朗之万-居里-魏斯模型： 我们将朗之万顺磁理论与维塔赫平均场相结合，构建了描述顺磁-铁磁转变的连续模型。该模型（通常被称为居里-魏斯定律的修正形式）成功预测了 $T_C$ 附近磁化率的峰值行为。 反铁磁性与亚铁磁性（唯象描述）： 我们将平均场概念扩展到具有亚点阵结构的材料。对于反铁磁体，我们使用两个平均场来描述两个子晶格的磁化，并定义了奈尔温度 $T_N$。对于亚铁磁体，则通过非零的净磁矩和两个子晶格之间的相互作用来解释其独特的温度依赖性。 第三部分：磁流变学与磁性材料的宏观工程应用 本书的最后一部分将理论模型应用于实际的磁性材料设计和工程挑战中，完全基于宏观热力学和场论。 第五章：磁致伸缩与磁热效应 本章探讨了磁性与形变以及温度之间的耦合效应。 磁致伸缩（Magnetostriction）： 我们分析了磁化方向变化如何导致材料尺寸的宏观变化。我们从能量密度的角度，特别是磁弹耦合项 $lambda_{ij} sigma_{ij} M_i M_j$（其中 $sigma$ 为应力），推导了磁致伸缩系数。这对于设计磁声换能器（如水声换能器）至关重要。 磁热效应（Magnetocaloric Effect）： 虽然该效应与量子涨落有关，但其宏观表现可以通过等温磁化过程中的亥姆霍兹自由能变化来量化。我们使用唯象关系描述了磁熵变 $Delta S_M(T, H)$，并讨论了如何利用高梯度磁场变化来产生显著的温度变化，这在概念上支撑了磁制冷的潜力。 第六章：磁记录与畴壁运动的动力学 本章侧重于磁性在信息存储技术中的应用，分析了磁化翻转的动力学。 磁化翻转的经典模型： 我们使用兰道-利夫席茨（Landau-Lifshitz, LL）方程，这是一个描述磁矩时间演化的经典微分方程组。虽然 LL 方程本身是基于能量最小化原理导出的，但它不涉及量子交换作用或自旋轨道耦合的微观细节。我们分析了阻尼（Damping）在磁化翻转过程中的重要性，以及它如何决定写入和擦除过程的速度限制。 激励场与阈值行为： 我们研究了如何通过施加外部磁场来克服磁晶各向异性（等效为钉扎势垒），以实现磁畴的快速翻转。这直接关系到磁记录介质的写入电流效率和数据保持力。 结论：经典理论在复杂系统中的持久价值 本书展示了经典电动力学、热力学以及唯象平均场理论如何在不依赖微观量子力学细节的情况下，成功地构建了一个功能强大且极具预测能力的磁学框架。这些理论不仅是科学史上的里程碑，更是当代材料工程师在设计永磁体、传感器和记录介质时进行快速迭代和优化的基础工具。对这些宏观物理的深刻理解，是任何深入研究磁性现象的必要前提。

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