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磁現象:磁體能夠吸引鋼鐵一類物質的現象。中國是世界上最早發現磁現象的國家,早在戰國末年就有磁鐵的記載,中國古代的四大發明之一的指南針就是其中之一,指南針的發明為世界的航海業做出了巨大的貢獻。人類通過對 磁現象不斷的研究和發現並把其成果不斷的應用到生活、科技、工業等各個領域,對世界產生了巨大的影響。

1 磁現象 -一.簡介

  

磁現象

磁體能夠吸引鋼鐵一類的物質。它的兩端吸引鋼鐵的能力最強,這兩個部位叫做磁極。能夠自有轉動的磁體,例如懸吊著的磁針,靜止時指南的那個磁極叫做南極,又叫S極;指北的那個磁極叫做北極,又叫N極。異名磁極相互吸引,同名磁極相互排斥。

  磁鐵吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質稱為磁性。磁鐵兩端磁性強的區域稱為磁極,一端為北極(N極),一端為南極(S極)。實驗證明,同性磁極相互排斥,異性磁極相互吸引。

  鐵中有許多具有兩個異性磁極的原磁體,在無外磁場作用時,這些原磁體排列紊亂,它們的磁性相互抵消,對外不顯示磁性。當把鐵靠近磁鐵時,這些原磁體在磁鐵的作用下,整齊地排列起來,使靠近磁鐵的一端具有與磁鐵極性相反的極性而相互吸引。這說明鐵中由於原磁體的存在能夠被磁鐵所磁化。而銅、鋁等金屬是沒有原磁體結構的,所以不能被磁鐵所吸引。

  什麼是磁性?簡單說來,磁性是物質放在不均勻的磁場中會受到磁力的作用。在相同的不均勻磁場中,由單位質量的物質所受到的磁力方向和強度,來確定物質磁性的強弱。因為任何物質都具有磁性,所以任何物質在不均勻磁場中都會受到磁力的作用。

  在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線,而是一種場,我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道,物質之間存在萬有引力,它是一種引力場。磁場與之類似,是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示,磁力線密的地方磁場強,磁力線疏的地方磁場弱。單位截面上穿過的磁力線數目稱為磁通量密度。

  運動的帶電粒子在磁場中會受到一種稱為洛侖茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場中所受到洛侖磁力的大小來確定磁場強度的高低。特斯拉是磁通密度的國際單位制單位。磁通密度是描述磁場的基本物理量,而磁場強度是描述磁場的輔助量。特斯拉(Tesla,N)(1886~1943)是克羅埃西亞裔美國電機工程師,曾發明變壓器和交流電動機。

  物質的磁性不但是普遍存在的,而且是多種多樣的,並因此得到廣泛的研究和應用。近自我們的身體和周邊的物質,遠至各種星體和星際中的物質,微觀世界的原子、原子核和基本粒子,宏觀世界的各種材料,都具有這樣或那樣的磁性。

  世界上的物質究竟有多少種磁性呢?一般說來,物質的磁性可以分為弱磁性和強磁性,再根據磁性的不同特點,弱磁性又分為抗磁性、順磁性和反鐵磁性,強磁性又分為鐵磁性和亞鐵磁性。這些都是宏觀物質的原子中的電子產生的磁性,原子中的原子核也具有磁性,稱為核磁性。但是核磁性只有電子磁性的約千分之一或更低,故一般講物質磁性和原子磁性都主要考慮原子中的電子磁性。原子核的磁性很低是由於原子核的質量遠高於電子的質量,而且原子核磁性在一定條件下仍有著重要的應用,例如現在醫學上應用的核磁共振成像(也常稱磁共振CT,CT是計算機化層析成像的英文名詞的縮寫),便是應用氫原子核的磁性。

  磁性材料可分為軟磁性材料如鐵和硬 磁性材料 如鋼。

  磁現象的本質 其實就是核外的電子作繞核運動時,形成了環繞原子核的電流圈,這個電流圈產生了磁場,原子就具有了磁性。組成物質的每個原子都是一個小磁體。一般的物體內部無數個相當於小磁體的原子的排列是雜亂無章的,它們的磁性都互相抵消了,所以整個物體不具有磁性。當物體內部的小磁體(原子)的N、S極首尾相接整齊排列時,物體的兩端就形成了N極和S極,就具有了磁性。物體磁化的過程就是使物質內部的原子按一定方向排列的過程。

  一些物體在磁體或電流的作用下會獲得磁性,這種現象叫做磁化。許多物質容易磁化。機械錶磁化后,走時不準;彩電顯像管磁化后,色彩失真,等等。信用卡,銀行卡也帶有磁性。

2 磁現象 -二、「磁現象」的發現

  中國是世界上最早發現磁現象的國家,早在戰國末年就有磁鐵的記載,中國古代的四大發明之一的指南針就是其中之一,指南針的發明為世界的航海業做出了巨大的貢獻。

  在現在,磁現象與日常生活、科技密切相關。

3 磁現象 -三、物質磁性的起源

  如果磁是電磁以太渦旋,一個磁鐵,沒看到任何電磁以太的渦旋,為什麼會有磁性?我們的回答是:物質的磁性起源於原子中電子的運動,電子的運動會產生一個電磁以太的渦旋。

  早在1820年,丹麥科學家奧斯特就發現了電流的磁效應,第一次揭示了磁與電存在著聯繫,從而把電學和磁學聯繫起來。

  為了解釋永磁和磁化現象,安培提出了分子電流假說。安培認為,任何物質的分子中都存在著環形電流,稱為分子電流,而分子電流相當一個基元磁體。當物質在宏觀上不存在磁性時,這些分子電流做的取向是無規則的,它們對外界所產生的磁效應互相抵消,故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下,等效於基元磁體的各個分子電流將傾向於沿外磁場方向取向,而使物體顯示磁性。

  磁現象和電現象有本質的聯繫。物質的磁性和電子的運動結構有著密切的關係。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念,是把電子看成一個帶電的小球,他們認為,與地球繞太陽的運動相似,電子一方面繞原子核運轉,相應有軌道角動量和軌道磁矩,另一方面又繞本身軸線自轉,具有自旋角動量和相應的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩。(現在人們認為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉動是不正確的。)

  電子繞原子核作圓軌道運轉和繞本身的自旋運動都會產生電磁以太的渦旋而形成磁性,人們常用磁矩來描述磁性。因此電子具有磁矩,電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中,電子的軌道磁矩受晶格的作用,其方向是變化的,不能形成一個聯合磁矩,對外沒有磁性作用。因此,物質的磁性不是由電子的軌道磁矩引起,而是主要由自旋磁矩引起。每個電子自旋磁矩的近似值等於一個波爾磁子 。 是原子磁矩的單位, 。因為原子核比電子重2000倍左右,其運動速度僅為電子速度的幾千分之一,故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾,可以忽略不計。

  孤立原子的磁矩決定於原子的結構。原子中如果有未被填滿的電子殼層,其電子的自旋磁矩未被抵消,原子就具有「永久磁矩」。例如,鐵原子的原子序數為26,共有26個電子,在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個電子(自旋反平行)外,其餘4個軌道均只有一個電子,且這些電子的自旋方向平行,由此總的電子自旋磁矩為4 /

4 磁現象 -四、 物質磁性的分類

1、 抗磁性

  當磁化強度M為負時,固體表現為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質。在外磁場中,這類磁化了的介質內部的磁感應強度小於真空中的磁感應強度M。抗磁性物質的原子(離子)的磁矩應為零,即不存在永久磁矩。當抗磁性物質放入外磁場中,外磁場使電子軌道改變,感生一個與外磁場方向相反的磁矩,表現為抗磁性。所以抗磁性來源於原子中電子軌道狀態的變化。抗磁性物質的抗磁性一般很微弱,磁化率H一般約為-10-5,為負值。

2、 順磁性

  順磁性物質的主要特徵是,不論外加磁場是否存在,原子內部存在永久磁矩。但在無外加磁場時,由於順磁物質的原子做無規則的熱振動,宏觀看來,沒有磁性;在外加磁場作用下,每個原子磁矩比較規則地取向,物質顯示極弱的磁性。磁化強度與外磁場方向一致,

  為正,而且嚴格地與外磁場H成正比。

  順磁性物質的磁性除了與H有關外,還依賴於溫度。其磁化率H與絕對溫度T成反比。

  式中,C稱為居里常數,取決於順磁物質的磁化強度和磁矩大小。

  順磁性物質的磁化率一般也很小,室溫下H約為10-5。一般含有奇數個電子的原子或分子,電子未填滿殼層的原子或離子,如過渡元素、稀土元素、鋼系元素,還有鋁鉑等金屬,都屬於順磁物質。

3、 鐵磁性

  對諸如Fe、Co、Ni等物質,在室溫下磁化率可達10-3數量級,稱這類物質的磁性為鐵磁性。

  鐵磁性物質即使在較弱的磁場內,也可得到極高的磁化強度,而且當外磁場移去后,仍可保留極強的磁性。其磁化率為正值,但當外場增大時,由於磁化強度迅速達到飽和,其H變小。

  鐵磁性物質具有很強的磁性,主要起因於它們具有很強的內部交換場。鐵磁物質的交換能為正值,而且較大,使得相鄰原子的磁矩平行取向(相應於穩定狀態),在物質內部形成許多小區域——磁疇。每個磁疇大約有1015個原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列,假設晶體內部存在很強的稱為「分子場」的內場,「分子場」足以使每個磁疇自動磁化達飽和狀態。這種自生的磁化強度叫自發磁化強度。由於它的存在,鐵磁物質能在弱磁場下強列地磁化。因此自發磁化是鐵磁物質的基本特徵,也是鐵磁物質和順磁物質的區別所在。

  鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現出來,超過這一溫度,由於物質內部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向,因而自發磁化強度變為0,鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點 。在居里點以上,材料表現為強順磁性,其磁化率與溫度的關係服從居里——外斯定律,

  式中C為居里常數。

4、 反鐵磁性

  反鐵磁性是指由於電子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自發磁化強度,電子磁矩是同向排列的;在不同子晶格中,電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發磁化強度大小相同,方向相反,整個晶體 。反鐵磁性物質大都是非金屬化合物,如MnO。

  不論在什麼溫度下,都不能觀察到反鐵磁性物質的任何自發磁化現象,因此其宏觀特性是順磁性的,M與H處於同一方向,磁化率 為正值。溫度很高時, 極小;溫度降低, 逐漸增大。在一定溫度 時, 達最大值 。稱 為反鐵磁性物質的居里點或尼爾點。對尼爾點存在 的解釋是:在極低溫度下,由於相鄰原子的自旋完全反向,其磁矩幾乎完全抵消,故磁化率 幾乎接近於0。當溫度上升時,使自旋反向的作用減弱, 增加。當溫度升至尼爾點以上時,熱騷動的影響較大,此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。

5 磁現象 -四、電子自旋磁矩與自旋角動量的關係

  實驗證明:電子有自旋(內稟)運動,相應有自旋磁矩大小為

  自旋磁矩和自旋角動量 S 的關係:

  在這裡又要特彆強調指出的是:電子自旋磁矩又與自旋角動量成正比。磁矩與角動量成正比不是偶然的。因為電子的角動量越大,它所帶動的電磁以太渦旋的角動量也越大,磁矩當然也就越大了。這也就從另一個側面印證了磁是以太的渦旋。

  磁場

  magnetic field

  如果把磁針拿到一個磁體附近,它會發生偏轉。看來,磁體周圍存在著一種物質,能使磁針偏轉。這種物質看不見,摸不著。我們把它叫做磁場(magnetic field)。在物理學中,許多看不見,摸不著的物質,可以通過它對其他物體的作用來認識。像磁場這種物質,我們可以用實驗感知它,所以它是確確實實存在的。

  電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形態的物質。由於磁體的磁性來源於電流,電流是電荷的運動,因而概括地說,磁場是由運動電荷或變化電場產生的。磁場的基本特徵是能對其中的運動電荷施加作用力,磁場對電流、對磁體的作用力或力矩皆源於此。

  與電場相仿,磁場是在一定空間區域內連續分佈的矢量場,描述磁場的基本物理量是磁感應強度矢量B ,也可以用磁力線形象地圖示。然而,作為一個矢量場,磁場的性質與電場頗為不同。運動電荷或變化電場產生的磁場,或兩者之和的總磁場,都是無源有旋的矢量場,磁力線是閉合的曲線族,不中斷,不交叉。換言之,在磁場中不存在發出磁力線的源頭,也不存在會聚磁力線的尾閭,磁力線閉合表明沿磁力線的環路積分不為零,即磁場是有旋場而不是勢場(保守場),不存在類似於電勢那樣的標量函數。

  電磁場是電磁作用的媒遞物,是統一的整體,電場和磁場是它緊密聯繫、相互依存的兩個側面,變化的電場產生磁場,變化的磁場產生電場,變化的電磁場以波動形式在空間傳播。電磁波以有限的速度傳播,具有可交換的能量和動量,電磁波與實物的相互作用,電磁波與粒子的相互轉化等等,都證明電磁場是客觀存在的物質,它的「特殊」只在於沒有靜質量。

  磁現象是最早被人類認識的物理現象之一,指南針是中國古代一大發明。磁場是廣泛存在的,地球,恆星(如太陽),星系(如銀河系),行星、衛星,以及星際空間和星系際空間,都存在著磁場。為了認識和解釋其中的許多物理現象和過程,必須考慮磁場這一重要因素。在現代科學技術和人類生活中,處處可遇到磁場,發電機、電動機、變壓器、電報、電話、收音機以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測量儀錶等無不與磁現象有關。甚至在人體內,伴隨著生命活動,一些組織和器官內也會產生微弱的磁場。

  電磁場

  electromagnetic field

  有內在聯繫、相互依存的電場和磁場的統一體和總稱 。隨時間變化的電場產生磁場 , 隨時間變化的磁場產生電場,兩者互為因果,形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起,也可由強弱變化的電流引起,不論原因如何,電磁場總是以光速向四周傳播,形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物,具有能量和動量,是物質存在的一種形式。電磁場的性質、特徵及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。

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