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  isshoukennmei 2006-03-31 00:00:00

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  _狂丨人_ 2016-07-10 14:10:01

  我們的生活每時(shí)每刻都和磁性有關(guān)。沒有它，我們就無法看電視、聽收音機(jī)、打電話；沒有它，連夜晚甚至都是一片漆黑。 人類雖然很早就認(rèn)識(shí)到磁現(xiàn)象，但直到了現(xiàn)代，人們對(duì)磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)才逐漸系統(tǒng)化，發(fā)明了不計(jì)其數(shù)的電磁儀器，象電話、無線電、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。如今，磁技術(shù)已經(jīng)滲透到了我們的日常生活和工農(nóng)業(yè)技術(shù)的各個(gè)方面，我們已經(jīng)越來越離不開磁性材料的廣泛應(yīng)用。 由于物質(zhì)的磁性既看不到，也摸不著，我們無法通過自己的五種感官（聽覺、視覺、味覺、嗅覺、觸覺）直接體會(huì)磁性的存在，但人們還是在實(shí)踐中逐步揭開了其神秘面紗。磁鐵總有兩個(gè)磁極，一個(gè)是N極，另一個(gè)是S極。一塊磁鐵，如果從中間鋸開，它就變成了兩塊磁鐵，它們各有一對(duì)磁極。不論把磁鐵分割得多么小，它總是有N極和S極，也就是說N極和S極總是成對(duì)出現(xiàn)，無法讓一塊磁鐵只有N極或只有S極。 磁極之間有相互作用，即同性相斥、異性相吸。也就是說，N極和S極靠近時(shí)回相互吸引，而N極和N極靠近時(shí)回互相排斥。知道了這一點(diǎn)，我們就明白了為什么指南針會(huì)自動(dòng)指示方向。原來，地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近。這樣，如果把一塊長(zhǎng)條形的磁鐵用細(xì)線從中間懸掛起來，讓它自由轉(zhuǎn)動(dòng)，那么，磁鐵的N極就會(huì)和地球的S極互相吸引，磁鐵的S極和地球的N極互相吸引，使得磁鐵方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到磁鐵的N極和S極分別指向地球的S極和N極為止。這時(shí)，磁鐵的N極所指示的方向就是地理的北極附近。 參考資料：http://www.pslsh2f.pudong-edu.sh.cn/xsly/hdtd/efx_blog/more.asp?name=sunjianping&id=2048 一、物質(zhì)磁性的起源 如果磁是電磁以太渦旋，一個(gè)磁鐵，沒看到任何電磁以太的渦旋，為什么會(huì)有磁性？我們的回答是：物質(zhì)的磁性起源于原子中電子的運(yùn)動(dòng)，電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁以太的渦旋。 早在1820年，丹麥科學(xué)家奧斯特就發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，diyi次揭示了磁與電存在著聯(lián)系，從而把電學(xué)和磁學(xué)聯(lián)系起來。 為了解釋永磁和磁化現(xiàn)象，安培提出了分子電流假說。安培認(rèn)為，任何物質(zhì)的分子中都存在著環(huán)形電流，稱為分子電流，而分子電流相當(dāng)一個(gè)基元磁體。當(dāng)物質(zhì)在宏觀上不存在磁性時(shí)，這些分子電流做的取向是無規(guī)則的，它們對(duì)外界所產(chǎn)生的磁效應(yīng)互相抵消，故使整個(gè)物體不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，等效于基元磁體的各個(gè)分子電流將傾向于沿外磁場(chǎng)方向取向，而使物體顯示磁性。 磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有本質(zhì)的聯(lián)系。物質(zhì)的磁性和電子的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。烏倫貝克與哥德斯密特Z先提出的電子自旋概念，是把電子看成一個(gè)帶電的小球，他們認(rèn)為，與地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)相似，電子一方面繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，相應(yīng)有軌道角動(dòng)量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉(zhuǎn)，具有自旋角動(dòng)量和相應(yīng)的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的磁矩正是這自旋磁矩。（現(xiàn)在人們認(rèn)為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)是不正確的。） 電子繞原子核作圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)和繞本身的自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)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(gè)聯(lián)合磁矩，對(duì)外沒有磁性作用。因此，物質(zhì)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(gè)電子自旋磁矩的近似值等于一個(gè)波爾磁子 。 是原子磁矩的單位， 。因?yàn)樵雍吮入娮又?000倍左右，其運(yùn)動(dòng)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(jì)。 孤立原子的磁矩決定于原子的結(jié)構(gòu)。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“磁矩”。例如，鐵原子的原子序數(shù)為26，共有26個(gè)電子，在5個(gè)軌道中除了有一條軌道必須填入2個(gè)電子（自旋反平行）外，其余4個(gè)軌道均只有一個(gè)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 。 二、 物質(zhì)磁性的分類 1、 抗磁性 當(dāng)磁化強(qiáng)度M為負(fù)時(shí)，固體表現(xiàn)為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質(zhì)。在外磁場(chǎng)中，這類磁化了的介質(zhì)內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度M。抗磁性物質(zhì)的原子（離子）的磁矩應(yīng)為零，即不存在磁矩。當(dāng)抗磁性物質(zhì)放入外磁場(chǎng)中，外磁場(chǎng)使電子軌道改變，感生一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反的磁矩，表現(xiàn)為抗磁性。所以抗磁性來源于原子中電子軌道狀態(tài)的變化。抗磁性物質(zhì)的抗磁性一般很微弱，磁化率H一般約為-10-5，為負(fù)值。 2、 順磁性 順磁性物質(zhì)的主要特征是，不論外加磁場(chǎng)是否存在，原子內(nèi)部存在磁矩。但在無外加磁場(chǎng)時(shí)，由于順磁物質(zhì)的原子做無規(guī)則的熱振動(dòng)，宏觀看來，沒有磁性；在外加磁場(chǎng)作用下，每個(gè)原子磁矩比較規(guī)則地取向，物質(zhì)顯示極弱的磁性。磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)方向一致， 為正，而且嚴(yán)格地與外磁場(chǎng)H成正比。 順磁性物質(zhì)的磁性除了與H有關(guān)外，還依賴于溫度。其磁化率H與溫度T成反比。 式中，C稱為居里常數(shù)，取決于順磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度和磁矩大小。 順磁性物質(zhì)的磁化率一般也很小，室溫下H約為10-5。一般含有奇數(shù)個(gè)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，都屬于順磁物質(zhì)。 3、 鐵磁性 對(duì)諸如Fe、Co、Ni等物質(zhì)，在室溫下磁化率可達(dá)10-3數(shù)量級(jí)，稱這類物質(zhì)的磁性為鐵磁性。 鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場(chǎng)內(nèi)，也可得到極高的磁化強(qiáng)度，而且當(dāng)外磁場(chǎng)移去后，仍可保留極強(qiáng)的磁性。其磁化率為正值，但當(dāng)外場(chǎng)增大時(shí)，由于磁化強(qiáng)度迅速達(dá)到飽和，其H變小。 鐵磁性物質(zhì)具有很強(qiáng)的磁性，主要起因于它們具有很強(qiáng)的內(nèi)部交換場(chǎng)。鐵磁物質(zhì)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(yīng)于穩(wěn)定狀態(tài)），在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域——磁疇。每個(gè)磁疇大約有1015個(gè)原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列，假設(shè)晶體內(nèi)部存在很強(qiáng)的稱為“分子場(chǎng)”的內(nèi)場(chǎng)，“分子場(chǎng)”足以使每個(gè)磁疇自動(dòng)磁化達(dá)飽和狀態(tài)。這種自生的磁化強(qiáng)度叫自發(fā)磁化強(qiáng)度。由于它的存在，鐵磁物質(zhì)能在弱磁場(chǎng)下強(qiáng)列地磁化。因此自發(fā)磁化是鐵磁物質(zhì)的基本特征，也是鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的區(qū)別所在。 鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來，超過這一溫度，由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動(dòng)破壞電子自旋磁矩的平行取向，因而自發(fā)磁化強(qiáng)度變?yōu)?，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點(diǎn) 。在居里點(diǎn)以上，材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性，其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里——外斯定律， 式中C為居里常數(shù)。 4、 反鐵磁性 反鐵磁性是指由于電子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自發(fā)磁化強(qiáng)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(gè)子晶格中自發(fā)磁化強(qiáng)度大小相同，方向相反，整個(gè)晶體 。反鐵磁性物質(zhì)大都是非金屬化合物，如MnO。 不論在什么溫度下，都不能觀察到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁化現(xiàn)象，因此其宏觀特性是順磁性的，M與H處于同一方向，磁化率 為正值。溫度很高時(shí)， 極??；溫度降低， 逐漸增大。在一定溫度 時(shí)， 達(dá)Z大值 。稱 為反鐵磁性物質(zhì)的居里點(diǎn)或尼爾點(diǎn)。對(duì)尼爾點(diǎn)存在 的解釋是：在極低溫度下，由于相鄰原子的自旋完全反向，其磁矩幾乎完全抵消，故磁化率 幾乎接近于0。當(dāng)溫度上升時(shí)，使自旋反向的作用減弱， 增加。當(dāng)溫度升至尼爾點(diǎn)以上時(shí)，熱騷動(dòng)的影響較大，此時(shí)反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。 三、電子軌道磁矩與軌道角動(dòng)量的關(guān)系 設(shè)軌道半徑為r (圓軌道)、電子速率為v 則軌道電流I： 電子的軌道磁矩 對(duì)處于氫原子基態(tài)的電子， 電子的軌道角動(dòng)量(圓軌道) L = mvr 式中m 為電子質(zhì)量 由于電子帶負(fù)電，電子軌道磁矩與軌道角動(dòng)量的關(guān)系是： (此式雖由圓軌道得出，但與量子力學(xué)的結(jié)論相同) 在這里要特別強(qiáng)調(diào)指出的是：電子軌道磁矩與軌道角動(dòng)量成正比。 四、電子自旋磁矩與自旋角動(dòng)量的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)證明：電子有自旋(內(nèi)稟)運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)有自旋磁矩大小為 自旋磁矩和自旋角動(dòng)量 S 的關(guān)系： 在這里又要特別強(qiáng)調(diào)指出的是：電子自旋磁矩又與自旋角動(dòng)量成正比。磁矩與角動(dòng)量成正比不是偶然的。因?yàn)殡娮拥慕莿?dòng)量越大，它所帶動(dòng)的電磁以太渦旋的角動(dòng)量也越大，磁矩當(dāng)然也就越大了。這也就從另一個(gè)側(cè)面印證了磁是以太的渦旋。 磁場(chǎng) magnetic field 電流、運(yùn)動(dòng)電荷、磁體或變化電場(chǎng)周圍空間存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運(yùn)動(dòng)，因而概括地說，磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的。磁場(chǎng)的基本特征是能對(duì)其中的運(yùn)動(dòng)電荷施加作用力，磁場(chǎng)對(duì)電流、對(duì)磁體的作用力或力矩皆源于此。 與電場(chǎng)相仿，磁場(chǎng)是在一定空間區(qū)域內(nèi)連續(xù)分布的矢量場(chǎng)，描述磁場(chǎng)的基本物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B ，也可以用磁力線形象地圖示。然而，作為一個(gè)矢量場(chǎng)，磁場(chǎng)的性質(zhì)與電場(chǎng)頗為不同。運(yùn)動(dòng)電荷或變化電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，或兩者之和的總磁場(chǎng)，都是無源有旋的矢量場(chǎng)，磁力線是閉合的曲線族，不中斷，不交叉。換言之，在磁場(chǎng)中不存在發(fā)出磁力線的源頭，也不存在會(huì)聚磁力線的尾閭，磁力線閉合表明沿磁力線的環(huán)路積分不為零，即磁場(chǎng)是有旋場(chǎng)而不是勢(shì)場(chǎng)（保守場(chǎng)），不存在類似于電勢(shì)那樣的標(biāo)量函數(shù)。 電磁場(chǎng)是電磁作用的媒遞物，是統(tǒng)一的整體，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是它緊密聯(lián)系、相互依存的兩個(gè)側(cè)面，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電磁場(chǎng)以波動(dòng)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(dòng)量，電磁波與實(shí)物的相互作用，電磁波與粒子的相互轉(zhuǎn)化等等，都證明電磁場(chǎng)是客觀存在的物質(zhì)，它的“特殊”只在于沒有靜質(zhì)量。 磁現(xiàn)象是Z早被人類認(rèn)識(shí)的物理現(xiàn)象之一，指南針是ZG古代一大發(fā)明。磁場(chǎng)是廣泛存在的，地球，恒星(如太陽)，星系（如銀河系），行星、衛(wèi)星，以及星際空間和星系際空間，都存在著磁場(chǎng)。為了認(rèn)識(shí)和解釋其中的許多物理現(xiàn)象和過程，必須考慮磁場(chǎng)這一重要因素。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和人類生活中，處處可遇到磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電報(bào)、電話、收音機(jī)以至加速器、熱核聚變裝置、電磁測(cè)量?jī)x表等無不與磁現(xiàn)象有關(guān)。甚至在人體內(nèi)，伴隨著生命活動(dòng)，一些組織和器官內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生微弱的磁場(chǎng)。 電磁場(chǎng) electromagnetic field 有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一體和總稱 。隨時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) ， 隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，兩者互為因果，形成電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)可由變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子引起，也可由強(qiáng)弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場(chǎng)總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場(chǎng)是電磁作用的媒遞物，具有能量和動(dòng)量，是物質(zhì)存在的一種形式。電磁場(chǎng)的性質(zhì)、特征及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。 地磁場(chǎng) geomagnetic field 從地心至磁層頂?shù)目臻g范圍內(nèi)的磁場(chǎng)。地磁學(xué)的主要研究對(duì)象。人類對(duì)于地磁場(chǎng)存在的早期認(rèn)識(shí)，來源于天然磁石和磁針的指極性。磁針的指極性是由于地球的北磁極（磁性為S極）吸引著磁針的N極，地球的南磁極（磁性為N極）吸引著磁針的S極。這個(gè)解釋Z初是英國(guó)W.吉伯于1600年提出的。吉伯所作出的地磁場(chǎng)來源于地球本體的假定是正確的。這已為1839年德國(guó)數(shù)學(xué)家C.F.高斯首次運(yùn)用球諧函數(shù)分析法所證實(shí)。 地磁場(chǎng)是一個(gè)向量場(chǎng)。描述空間某一點(diǎn)地磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，需要3個(gè)獨(dú)立的地磁要素。常用的地磁要素有7個(gè)，即地磁場(chǎng)總強(qiáng)度F，水平強(qiáng)度H，垂直強(qiáng)度Z，X和Y分別為H的北向和東向分量，D和I分別為磁偏角和磁傾角。其中以磁偏角的觀測(cè)歷史為Z早。在現(xiàn)代的地磁場(chǎng)觀測(cè)中，地磁臺(tái)一般只記錄H，D，Z或X，Y，Z。 近地空間的地磁場(chǎng)，像一個(gè)均勻磁化球體的磁場(chǎng)，其強(qiáng)度在地面兩極附近還不到1高斯，所以地磁場(chǎng)是非常弱的磁場(chǎng)。地磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位過去通常采用伽馬（γ），即10高斯。1960年決定采用特斯拉作為國(guó)際測(cè)磁單位，1高斯＝10特斯拉（T），1伽馬＝10特斯拉＝1納特斯拉（nT），簡(jiǎn)稱納特。地磁場(chǎng)雖然很弱，但卻延伸到很遠(yuǎn)的空間，保護(hù)著地球上的生物和人類，使之免受宇宙輻射的侵害。 地磁場(chǎng)包括基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩個(gè)部分，它們?cè)诔梢蛏贤耆煌??；敬艌?chǎng)是地磁場(chǎng)的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，變化非常緩慢。變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，主要起源于地球外部，并且很微弱。 地球的基本磁場(chǎng)可分為偶極子磁場(chǎng)、非偶極子磁場(chǎng)和地磁異常幾個(gè)組成部分。偶極子磁場(chǎng)是地磁場(chǎng)的基本成分，其強(qiáng)度約占地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的90％，產(chǎn)生于地球液態(tài)外核內(nèi)的電磁流體力學(xué)過程，即自激發(fā)電機(jī)效應(yīng)。非偶極子磁場(chǎng)主要分布在亞洲東部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等幾個(gè)地域，平均強(qiáng)度約占地磁場(chǎng)的10％。地磁異常又分為區(qū)域異常和局部異常，與巖石和礦體的分布有關(guān)。 地球變化磁場(chǎng)可分為平靜變化和干擾變化兩大類型。平靜變化主要是以一個(gè)太陽日為周期的太陽靜日變化，其場(chǎng)源分布在電離層中。干擾變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動(dòng)等，場(chǎng)源是太陽粒子輻射同地磁場(chǎng)相互作用在磁層和電離層中產(chǎn)生的各種短暫的電流體系。磁暴是同時(shí)發(fā)生的強(qiáng)烈磁擾，持續(xù)時(shí)間約為1～3天，幅度可達(dá)10納特。其他幾種干擾變化主要分布在地球的極光區(qū)內(nèi)。除外源場(chǎng)外，變化磁場(chǎng)還有內(nèi)源場(chǎng)。內(nèi)源場(chǎng)是由外源場(chǎng)在地球內(nèi)部感應(yīng)出來的電流所產(chǎn)生的。將高斯球諧分析用于變化磁場(chǎng)，可將這種內(nèi)、外場(chǎng)區(qū)分開。根據(jù)變化磁場(chǎng)的內(nèi)、外場(chǎng)相互關(guān)系，可以得出地球內(nèi)部電導(dǎo)率的分布。這已成為地磁學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域，叫做地球電磁感應(yīng)。 地球變化磁場(chǎng)既和磁層、電離層的電磁過程相聯(lián)系，又和地殼上地幔的電性結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以在空間物理學(xué)和固體地球物理學(xué)的研究中都具有重要意義。

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