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1、扬州大学物理科学与技术学院科学技术概论课题论文我最喜欢的物理学分支论文名称：我们生活在磁的世界里班 级：物理1102班姓 名：朱平学 号：110801217指导老师：张锡娟 苏垣昌我们生活在磁的世界里摘要磁性是物质的基本属性，任何物质，近自我们的身体和我们居住的地球， 远至月球、太阳、各类天体和宇宙空间都有磁性；只是强弱程度有别而已。生活中也有很多磁现象，比如极光，太阳黑子等。磁性材料的应用也极为广泛，比如电力工业中，从电力的产生（发电机）、传输（变压器）到电力的利用（电动机），需大量的磁性材料，其中软磁和永磁材料起能量转换作用。 电子工业中，从通信（滤波器和电感器）、自动控制（继电器、磁放大
2、器和变换器）、广播、电视电影（天线、扬声器、声音和图像的录、放、抹，磁头、磁带、磁盘等）、电子计算机技术和信息处理技术（各种磁存储器、读写磁头等）到微波技术（各种磁性微波器件），可以说，。没有磁性材料就不可能有电子产品。除此以外，磁性材料还在能源、交通（磁悬浮列车）、农业（磁化水）、医疗（核磁共振成像）和人类日常生活消费等领域起着重要作用。本文将对磁的重要现象、磁性分类、各种磁效应和广泛应用进行简明的介绍。关键词：磁现象、磁性分类、磁效应、应用一、中国古代对磁的了解与应用人类对磁性现象的认识源远流长。我国是最早发现和应用这一现象的国家。早在春秋时代的 管子就有关于“慈石”的记载，在大约公元前4
3、世纪又有关 于天然磁铁矿（即Fe3。）的记载。正是因为磁石能吸引在它近旁的强磁物质， 好像慈爱的母亲把自己的子女弄到身旁一样，故把这样的天然磁铁称为慈石。在公元前3世纪，我们的祖先最早用磁石和钢针发明了指南器（司南），并 将它用于航海和海事。北宋杰出的自然科学家沈括在梦溪笔谈一书中总结了 指南针的制作和应用，该书卷二十四杂志一里写道：“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，之抓及碗唇上皆可为之，运转 尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。其法取新纺中独茧缕，以介子许蜡，缀于 针腰，无风处悬之，则针常值南。”可以说，此为磁性应用的最早科学记载。以 后，指南针由中国传到阿拉伯国
4、家，继而传到欧洲，促进了航海事业的发展。中国古代还将磁石等作为药物治病。在各个朝代的一些医药书中，都可以找 到许多应用磁石等药物治病的记载。例如，东汉时的神农本草经（约公元2世纪）中记录到：磁石具有辛寒的味道，主要可以医治风湿病、四肢疼痛和耳聋 等疾病。南北朝的医药和化学家陶弘景所著名医别录（510年）中对磁石药物功能和所治疾病作了讲诉，说磁石可以养肾，增强骨气和精神，疏通关节，消 除痈肿和小儿惊痫，还可用来炼水治病等。磁石作为药物，其应用已有两千多年， 而且现代的一些中药中也还有应用。例如，中国医药大辞典以及中华人民共和国药典中，便列举了以磁石作为成分之一的多种中药，如耳聋左磁丸、紫 雪散和
5、磁朱丸等。二、生活中的磁现象众所周知，指南针是一种由地球磁场产生的作用， 除此以外生活中还有很多 其他有趣的磁现象。比如极光、太阳黑子等。北极光北极光是发生在北极地区高空的发光现象。人们经过长期对北极光的观测研 究，认识到北极光的发生原因。原来它是从地球以外如太阳发射来的能量高又带 电的粒子如质子和电子等进入地球高空时， 一方面受到地球磁场的作用，有的沿 着地球磁场的磁力线方向飞向地球的北极或南极， 地球磁场也使这些带电粒子加 速；另一方面在飞行途中又不断同高空中的大气分子、原子和粒子碰撞，使一些受碰撞的分子、原子和离子产生激发和电离作用，被激发或被电离的分子、原子 和离子在不同的激发和电离情
6、况下会发射出跟它们种类和状态有关的不同颜色 的特征光，形成极光。由此可见，北极光现象同地球磁场有着密切的关系。太阳黑子太阳黑子是太阳表面出现的一些较暗的黑点， 其大小、数目、位置和分布随 时间呈一定的规律变化。近代科学研究表明，太阳整个表面都存在跟地球磁场强 度相近的普遍磁场，但在其中的黑子区域却存在比普遍磁场强度高约几百到几万 倍的黑子磁场。由于黑子磁场很强，太阳表面温度很高（约6000K）,普遍磁场又很弱，为了使整个太阳表面的高温等离子体保持热平衡，磁场强的区域就必须 降温。这就是太阳黑子区域因磁场强度高使温度降低而出现暗斑的原因。三、磁性的分类及应用磁性现象，从根本上说是一种量子效应，磁
7、性的根源，来自原子磁矩，即为 电子轨道运动和自旋效应而产生的轨道磁矩和自旋磁矩。原子核也具有核磁矩， 但其值很小，几乎对原子磁矩无贡献。磁体在磁性质上有很大的不同，不同磁性的磁体也有着不同的运用， 因此有 必要把各种磁性进行分类。从实用的观点，可根据磁体的磁化率大小和符号将物 质磁性分为五类。1）抗磁性物质在外磁场作用下，感应出与外磁场反向的磁化强度，其磁化率X d Mg等）、非金属（如Si、P、S等）。抗磁性有一种很广泛的应用，是通过对抗磁物质的抗磁性测量来研究其结构 和其他性质，一般称之为磁化学。这种方法在有机物和生物材料的研究中应用更 多。2）顺磁性物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化磁
8、场同方向的磁化强度， 其磁化率 XP很小（10-310-6）,显示弱磁性。典型有稀土金属和铁族元素的盐类等。部分顺磁性物质服从居里定律，即Xp=C/T更多服从居里一外斯定律，即p T -Tp式中，C为居里常数，T为绝对温度，Tp为顺磁店里温度。顺磁性的一种重要的高新技术应用是微波顺磁量子放大器。 这种微波量子放大器是利用顺磁物质的顺磁性、顺磁共振和量子电子学原理及微波电子学技术制成的一类工作于微波频率的放大器经过适当的改装和增加附件，还可制成产生微波的微波振荡器。其最显著优点是工作频率非常稳定和电磁噪声非常低，灵敏 度非常高，极适合接受很微弱的微波信号，例如从遥远的宇宙天体和宇宙空间发 射到地
9、球的微弱信号。3）反铁磁性一类物质，当温度达到某个临界值 Tn （奈耳温度）以上，其顺磁居里温度常 小于0,当TTN时，磁化率降低，并逐渐趋于定值。故磁化率在温度等于TN处有最大值。典型有过渡族元素的盐类及化合物（如 MnO CrQ CoO?）。反铁磁性的一种应用是利用反铁磁物质中产生反铁磁性的强交换作用来制造毫 米波和亚毫米波的需要强工作磁场的磁性器件。又如，利用电磁波在传输方向和反射方向的损耗相差很大制造的磁性微波隔离器，使电磁波只能在器件中沿一个 方向传输的磁性微波环形器等。4）铁磁性在很小的磁场作用小就能被磁化到饱和， 磁化率在101106数量级。具有铁 磁性的合金和化合物较多，具有铁
10、磁性的纯元素晶体，目前为止，只发现11个, 它们是3d金属铁、钻、锲，4f金属车L、钺、钛、饵、悠和面心立方（fcc）的 错和钺。稀土元素在低温下具有铁磁性。5）亚铁磁性宏观磁性与铁磁性相同，磁化率大约为100103数量级，内部磁结构与反铁 磁性相同，但相反排列的磁矩不等量。相当于未抵消反铁磁性结构的铁磁性。 典 型为铁氧体。物质的磁性并非固定不变的，如果环境条件发生变化，有些物质的磁性就会 发生变化。例如，铁磁性物质在店里点温度以下是铁磁性的， 到店里点温度则转 变成顺磁性；重稀土金属在低温下是强磁性，到室温或高温则变成顺磁性。分类 原子童矩表1磁性分类关照F3 Co, Gd这建 皴蜃用范它
11、元素的皆费.少裁 敬陵元素化合物（如CQ，少取幡土元素的化合锹加民0）名神类型的帙血体材料I）尖晶石S1帙气体，SOFejOiW 2）班福石超陕H体,如国际iQ,等 司石槽石小帙M体，如心FtJ。”， 崎钦石整族体，SOUFflO修某桂松线金腰（如前.TikCt） 某些输土金配如ACeFr,由5W 某些过渡元素化含锹期MiSQrd田。 青藤PiPPt以及某接气体知5用5筑照件电子那I龊在11场中受希仑技力碉道”子化过度金就的以化物、施化物骑据化的 （30 NfoOpF90RCoOkHDRCnOt.MhFi, F，FhGMMMnS 明情性体 OkN与Ar,KtXe）、 某些金属闻氏久加腱）、 某
12、些车金康（如久P53 水以及炸膏机优合物四、磁化状态下磁体中的能量（一）磁偶极相互作用能偶极相互作用是一种长程相互作用。一个格点由于电子的运动会产生磁场，并会对其它处在其磁场中的原子有作用。即 B在A的磁场中，B会受到A的磁场 的作用。反过来，A也会受到B的磁场的作用，这就是偶极相互作用，是一种长 程作用。因为磁场是无边界的。磁偶极相互作用能表现为两种形式1）静磁能任何磁体置于外加磁场中将处于磁化状态， 处于磁化状态下的磁体具有静磁台匕 目匕。2）退磁能处于磁化状态的磁体，在磁化强度的法向分量发生变化或磁化不均匀，将产生磁极。表面磁极使磁体内部存在与磁化强度方向相反的一种磁场 一/一Hd,起着
13、减i Si 。备-frij9H退磁化的作用，称为退磁场。能关小卸成体的形状及磁极的强度有关rrij磁体在其自身产生的退磁场中所具有的位能即为退磁能。 退磁能与磁体的几 何形状有关，是一种形状各向异性能。磁偶极相互作用能H =-J % si sjij（二）交换能全同粒子的不可分辨性导致的交换作用所产生的能量。交换能Si Sjsi SjSiSj由于能量越低系统越稳定，网使S,稳定，则必岬能巧，（负的能量0,若使能量最低，则应为正，所以 和 平行，为铁磁。（三）各向异性能晶体的各向异性即沿品格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相 同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各
14、向异性。实验表明，磁体被磁化，在审些方向容易，而在另一些方向较难。这说明铁 2磁单晶体在磁性上启i向D梅勺。 为了表征这种各向异性特征，把最易磁化的方 向称为易磁化方向，对应晶轴称为易磁化轴，沿易磁化轴施加磁场很容易使磁体 磁化到饱和。各项异性能其中（四）塞曼能在外磁场的作用下，一电子的轨道磁矩和自旋磁矩受到场的作用， 引起町加能 量住另外，电子的自旋不愀肆动之间也有相互阻育肄BhiW外场足够大力 畤和轨道运动相互作用能量和外磁场引起的附加能量比起来可以忽略。塞曼能若使系统稳定，则应最大，此时应平行。才最小，则 与1）起始磁化曲线对磁体外加磁场, 便可描绘出一条曲线，（五）矫顽力用 H磁滞回线
15、声c 4初始磁正曲线 初始磁场强度H为0,即B=H=0i蟋留曾4fli同时测出B 称为磁化曲线。当B几乎不随H增（我用），趋于稳定时,磁化达到饱和，此时的H称为饱和磁化强度，计作2）磁滞回线在达到饱和状态后，若使 H减小，B也将减 小，但B值并不沿原来的曲线（起始磁化曲线）下降，而是沿着另一曲线下降，对应的 B值比原 先的信大。这说明铁磁质磁化过程是不可逆的过 程。在反复磁化的过程中，B值的变化落后于H值变化的现象称为磁滞现象。磁滞现象的一个显图1磁滞回线 著特点是当H降至零时，B并不降至零。这说明铁磁质在没有传导电流时也可以 有磁性，这种磁性叫做剩磁。要使B继续减小，必须加反向磁场，当H从零
16、逐渐变至-Hc时，B才等于零。 使铁磁材料完全退磁所需的反向磁场强度 Hc称为矫顽力。矫顽力的大小反映出 铁磁材料保存剩因刎Z力D 0再增加正向磁场至至正向饱和状态, 线。若再增加反向磁场，又可达到反向饱和状态。再逐渐减小反向磁场，至H=0, 最后形成闭合曲线，这条闭合曲线叫磁滞回五、磁性材料分类及应用顺磁性、抗磁性和反铁磁性均是弱磁性, 铁磁性和反铁磁性都是强磁性, 磁 性材料通常指具有铁磁性或亚铁磁性的强磁性材料。按应用性能，强磁性材料主 要分为永磁、软磁、信磁等三类材料。除此外，还有许多特殊磁性材料，如恒导 磁率材料、磁性半导体、铁电一铁磁材料、磁性液体、超晶格磁性膜、有机铁磁 材料、超
17、导磁有序材料等。（一）永磁材料永磁材料，也称硬磁材料，是各类磁性材料中发展最早和应用最早的一类磁 性材料。永磁材料有四种主要特性：一是高的最大磁能积；二是高的矫顽力；三 是高的剩磁；四是高的店里温度。主要有四大类：一是稀土永磁材料；二是铁氧 体永磁材料；三是金属永磁材料；四是其他永磁材料，例如微粉永磁材料、非晶 和纳米永磁材料等。永磁材料的应用较为广泛。例如，提供人工磁场的永磁铁。（二）软磁材料软磁材料也有四种主要特性：一是低的矫顽力；二是高的磁导率；三是低的 磁损耗；四是高的店里温度。其主要分为四大类：一是大功率低频率应用的高 Bs软磁材料，主要应用于电力工业中的发电机、电动机和变压器等。二
18、是低功 率高灵敏应用的高磁导率软磁材料， 主要应用于自动控制和电子学器件等。 三是 非晶软磁材料，这是一类新发展的软磁材料，具化学成分可在较大范围内改变。 四是其他软磁材料，例如纳米薄膜或纳米晶粒的软磁材料， 由金属磁粉与绝缘树 脂混合制成、可应用于高频的磁粉芯软磁材料。（三）信磁材料信息磁材料，主要有磁记录材料、矩磁材料、磁泡材料、微波磁性材料和磁 光材料等。每一代计算机都离不开磁的应用，目前 ，磁信息存储系统是全世界铁 磁性材料最重要的应用市场，其产值要大于传统的应用于电机等系统的永磁材料 和应用于磁芯的软磁材料.下面简述一下磁记录的发展。磁记录的发展1931年,德国德累斯顿的一位工程师F
19、ritz Pfleumer发明了分发声的纸”实际 上就是第一台录音机.他将粉碎的铁磁颗粒用胶水粘在纸条上，作出了第一条磁带这在当时是一种全新的磁媒体，可以记录20分钟的声音.可惜纸易碎，脆弱的纸条 式磁带无法实用化，这个系统还需要改进。1947 1948年，美国军方在彳惠国的 Magnetophon录音机技术的基础上，研发 了磁鼓数据记录系统(drumrecorder),进行比较快速的数据存储.1951 年,IBM在Univac基础上开发出720磁带机，其中使用了类似于德国 Magnetophon的醋酸纤维素-铁氧体颗粒磁带作为数据记录媒体，另外，一个特殊 设计的数据格式为不回零反转格式(no
20、n-return-to-zero in-verse, 缩写为NRZI),磁头中的电流在+1和-1之间跃变，其中每次反转对应为二进制数1,否则为0)提高了数据存储密度。1957 年,IBM推出了革命性的随机存取计算和控制方法(random accessmethod of accounting and con-trol,RAMAC)IBM 350计算机硬盘.此后,计算机硬盘一直循着内部磁存储比特的尺度及磁头的尺度逐渐按比例 缩小的方式(scaling law) 不断?W进，当然中间为了克服比特很小带来的读取信 息的问题，加入了 MRffi GMRg头.可是，目前计算机硬盘的数据存储面密度已经到 了
21、 100 Gb/in2,原来的按比例缩小的渐进硬盘设计方式，遇到了最后的物理极限， 也就是单磁畴的铁磁晶粒的磁矩热稳定性问题.当颗粒体积太小的时候，铁磁晶 粒的自发磁化能量与热扰动能 kBT的比值小于100以后，单磁畴晶粒的磁矩有可 能随时间发生自发反转，这就叫做铁磁体的超顺磁性.在这个区域内，存在硬盘比 特中的信息就不可靠了 ，时间长了会丢失.2002年，Stuart Parkin开始考虑硬盘驱动器和存储器芯片的基本技术的局限性一并且考虑是否有更好的方式设计一种无需部件移动的磁盘驱动器。他利并且在2004年获得了他试图证明这种新型存储器的用基于自旋电子学的存储器概念设计出了赛道存储器, 的第
22、一项专利。此后，他和他的团队一起继续努力，物理学原理。根据自旋电子学的概念，赛道存储 器收集数据，并以磁域的形式存储这些 数据，以在硅片表面上形成的垂直或水 平纳米导线中形成一个磁图形。所存储 的数据可以使用自旋极化电流的短脉冲 沿着纳米导线上下或前后移动。然后，数据可由每个赛道连接的一个设备读取。赛道存储器依赖电子的自旋每小时图2赛道存储器原理图将数据移动几百英里，沿着纳米导线隧道将数据移动到原子级的精确位置。数据 以磁域形式存储在赛道中。这项新发现允许精确控制这些磁域的布局。通过控制 设备中的电脉冲，科学家能够以每小时几百英里的速度移动域壁， 然后将其放在 所需的准确位置，从而实现在不到十
23、亿分之一秒内访问海量的存储信息。六、物质的各种磁效应1）磁一电效应磁电效应是指外加磁场和物质磁性对于物质电学性质的影响，以及物质电性对物质磁性和磁场的影响，两者可统称为磁一电效应。常见磁电效应有：磁电阻效应，霍尔效应，以及新发现的狭义磁电效应。磁电阻效应：一些金属和半导体的电阻在外加磁场作用下发生变化。霍尔效应：金属和半导体材料在互相垂直的电流与磁场的同时作用下，会产生与电流和磁场都垂直的电势。狭义磁电效应：在一些固体材料，主要是氧化物材料中，磁场可以同时产生一定 的磁化强度和电极化强度。人们把磁化强度跟电场强度的比值，以及电极化强度 跟磁场强度的的比值统称为磁电化率。2）磁一光效应塞曼效应塞
24、曼效应是指原子光谱在外加磁场下发生分裂。 它是由于电子的自旋运动会 产生环电流，进而会产生磁场；在外磁场作用下，同一轨道中自旋不同的电子能 量不同导致了原子光谱的分裂。法拉第磁光效应（法拉第旋转效应）法拉第磁光效应是指光波中的电场矢量在垂直于光传输方向的偏振平面内 一个方向振动的磁偏振光，在透明物质中受到平行于光传输方向的磁场作用时， 电场矢量会转动一个角度。这个角度的大小和方向与外加磁场的强度和方向有 关，所以法拉第磁光效应也常称为法拉第旋转效应。科顿-穆顿磁光效应科顿一穆顿磁光效应指线偏振光在透明物质中传输，并受到垂直于光传输方向的磁场作用时，原来在一个方向传输的光会分裂为两个方向传输的光
25、。这一现象称为光的磁双折射。3）磁一力效应和磁一声效应磁致伸缩效应什么是磁致伸缩？简单说来，就是一种强磁材料在受到外加磁场作用时， 其 长度会发生变化，好像受到外力作用一样。反过来，一种强磁材料在受到外力作 用时，其磁性会发生变化。这是磁致伸缩效应的逆效应。 通常磁致伸缩效应和其 逆效应都称为磁致伸缩效应。类似的效应还有磁致体积效应。另外，对强磁材料施加不同情况的磁场时， 还可使强磁材料发生扭转、弯曲、 弹性变化和刚性变化等力学性质的多种磁效应。声音是一种力学振动现象。磁场和磁性可以影响强磁材料的多种力学性质， 自然也能影响它们的声学性质。这里主要介绍磁致音叉效应和高频磁一声效应。 磁致音叉效
26、应把振荡的音叉放在磁场中时，音叉振动的振幅和频率都会发生变化。高频磁一声效应在高频以至超高频（微波）波段，强磁铁中由原子磁矩集体运动产生的自旋波同 其中原子集体运动产生的弹性波（广义声波）之间的相互作用而使这两种波混合 产生新的磁弹波。4）磁一热效应磁热效应是指磁场和磁性及其变化会使材料的包括温度在内的热学性质改变。磁导率温度峰效应指强磁材料和磁有序的材料的磁导率在从强磁状态因温度变化而转变为弱磁性的顺磁状态，或者在从磁有序（铁磁、亚铁磁和反铁磁）状态因温度变化而 转变为磁无序的顺磁状态的转变温度（居里温度和奈尔温度）附近时，材料的磁 导率会发生剧烈的变化，即磁导率随温度改变的磁导率温度曲线在
27、居里温度或奈 尔温度附近出现即为显著的峰值。从以上的多种磁的效应可以看出，磁场和磁性与物质的其他性质是相互联系和相互影响的，并由此呈现出许多新的磁现象和新的磁应用。 但磁的效应是多方 面的，远不止上面介绍的4类。七、展望在现今高新技术迅速发展形势下，磁学与磁性材料又有了新的发展。这里从 几个主要新新领域做介绍与分析。(1)开拓超微结构领域的磁性研究磁学领域的一些基本理论，如外斯分子场、磁畴等，都只对粒子数为无限大 的体系才能严格适用，对于物质微观结构的性质则难以解释， 而很多传统铁磁材 料在微观结构时往往具有了崭新的磁性质。故要发掘新的性能的磁性材料，需要 磁学工作者设计和控制材料在细微尺度上
28、的微观结构，以从普通材料中发掘并获 得新的性质和用处。如纳米颗粒磁性材料、磁性薄膜及磁性多层膜等。(2)磁学与生命科学相结合磁学与生命科学有着密切的联系。这是由于：生物体本身具有自身的磁场， 表现出许多重要的磁现象。生物磁场的来源，一是由生物电流产生，二是由生物 体中强磁性质的剩磁所致。地磁场的存在。现代磁技术在生物研究中获得应 用。随着现代科学技术的进步，生命科学将会极大地发展，磁学与生命科学的结 合必将达到更高层次。(3)有机铁磁性材料的研究与开发自1987年发现有机铁磁体以来，许多国家从事研究与开发。它的出现，打 破了有机物与铁磁性无缘的传统观念， 具有非常重要的科学意义。目前研究的内
29、容主要包含三方面：不含磁性元素的氮氧自由基铁磁性有机聚合物。 含有磁 性元素的有机络合物。含有磁性元素的有机分子团簇。 有机磁性材料具有很重 要的学术意义和应用价值。例如，因有机物是很好的绝缘体，密度低，能够用做 微波磁性材料和航天磁性材料。(4)新型磁性材料的研究与开发许多新的或高性能的磁性材料，常常是伴随着高新技术和基础磁学研究而出 现的。例如磁记录技术的进步，促使磁记录介质迅速发展。磁记录介质从颗粒型 向连续型、从氧化物向金属型、从平面型记录向垂直型记录、 从纯磁记录向光磁 记录介质的发展，反映出磁记录材料日新月异的进步。 又如自由电子激光器、永磁型磁悬浮列车、核磁共振层析成像仪等高技术
30、的出现，推动了永磁材料的飞跃地发展。(5)磁智能材料的研究和应用 近年来，一类具有特殊性能的新型 磁性材料和含磁性元素的新材料的研 究和应用受到了重视，这类材料所具有 的特殊性能是同时具有对外界环境的 感知性能、反馈性能和执行性能。从某 种意义上说，具有上述几种性能就好像 人的智能一样，所以称为磁智能材料。目前从研究中已经在锲-钛(Ni-Ti )、铁-柏(Fe-Pt)、铁-锲(Fe-Ni )、锲- 铝(Ni-Al )等合金中观图3智能磁性材料测到不同程度的形状记忆智能特性。其中的锲-钛(Ni-Ti )合金已经应用于研究实验中的宇宙飞船的无线电通信天线和喷气式战斗机的输液管道接头。五、参考资料1磁性物理学.宛德福，马兴隆编著.电子工业出版社.2磁信息存储技术的回顾与展望.韦丹.3普通物理学第三分册电磁学.梁少荣，刘昌年，盛正华.高等教育出版社.4我们生活在磁的世界里一一物质的磁性和应用.章综，李国栋.清华大学出版 社.