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磁石会吸引铁钉的性质称为磁性。

是一种物理现象,磁学是研究磁现象的一个物理学分支,磁性物质响应磁场作用的性质。磁性表现在顺磁性物质或铁磁性物质(如铁钉)会趋向于朝着磁场较强的区域移动,即被磁场吸引;反磁性物质则会趋向于朝着磁场较弱的区域移动,即被磁场排斥;还有一些物质(如自旋玻璃反铁磁性等)会与磁场有更复杂的关系。

依照温度、压强等参数的不同,物质会显示出不同的磁性。表现出磁性的物质通称为磁体,原来不具有磁性的物质获得磁性的过程称为磁化,反之称为退磁。磁铁本身会产生磁场,但本质磁场是由电荷运动产生,如磁铁内部未配对电子自旋,会产生磁场,当这些磁场的方向一致时,宏观上就表现为磁性。

历史

泰勒斯

公元前六世纪希腊哲学家泰勒斯是最早描述磁石的磁性的几位学者之一。古希腊人认为,泰勒斯最先发现磁石吸引铁物质与其它磁石的性质。磁的英文术语“magnetism”传说是因最早在希腊发现磁石的地方麦格尼西亚Magnesia)而命名。

在中国,磁性最早出现于一本公元前4世纪编写的书《鬼谷子》:“其察言也,不失若磁石之取鍼,舌之取燔骨”。察析这人的言词话语,就好像用磁石吸取铁针,又好像用舌尖探取炙肉中的骨头,绝对不能有所差失。公元一世纪,即东汉时期,王充在古籍《论衡》中亦有关于磁性的记载:“顿牟掇芥,磁石引针”,顿牟即琥珀,摩擦后的琥珀能吸引草芥,而磁石能吸引铁针。

沈括

公元1086-1093年,北宋科学家沈括在著作《梦溪笔谈》里清楚地描述关于指南针的制作与使用方法。由于这方法引入了天文学真北的概念,航行的准确度得以大大改善。

公元1119年,北宋朱彧在著作《萍洲可谈》里详细地记述:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针”。这是航海史最早的关于使用指南针航海的纪录。

美国天文学者约翰·卡森(John Carlson)在中美洲奥尔梅克文明发现的赤铁矿古物,卡森认为,早于公元前1000年,奥尔梅克人有可能已经发明与使用地磁磁石罗盘。假若这建议为正确,则这比中国的类似发现早了1000年以上。卡森推测奥尔梅克可能使用这类古物于占星或推卜用途,或找到寺庙、住家或坟墓的取向。

在欧洲,1187年,亚历山大·内侃英语Alexander Neckam最先写出罗盘的制作与导航用途。1269年,法国学者皮埃·德马立克法语Pierre de Maricourt写成《磁石书》(Epistola de magnete)。这是第一本尚存的描述磁石性质的著作。德马立克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的取向,从这些记号,又描绘出很多条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置,就好像地球的经线相会于南极北极。因此,他称这两位置为“磁极”。1282年,也门物理学者阿-亚希拉英语Al-Ashraf论述磁石与乾罗盘的性质。

1600年,英国医生威廉·吉尔伯特发表了著作《论磁石》(De Magnete)。在这篇著作里,他设计出一种模型,称为“小地球”。他用这模型来描述他的种种实验。从这些实验,他推论地球具有磁性,因此,指南针磁北极会指向北方(在此之前,很多学者认为是北极星或位于北极的一个巨大磁岛吸引著磁北极)。

1820年,由于哥本哈根大学物理教授汉斯·奥斯特的贡献,物理学者开始了解电与磁之间的关系。奥斯特发现载流导线电流会施加作用力于磁针,使磁针偏转指向。这跨时代的实验知名为“奥斯特实验”。稍后,在这新闻抵达法国科学院仅仅一周之后,安德烈-玛丽·安培成功地做实验显示,假若所载电流的流向相同,则两条平行的载流导线会互相吸引;否则,假若流向相反,则会互相排斥。紧接着,法国物理学家让-巴蒂斯特·毕奥菲利克斯·萨伐尔于10月共同发表了毕奥-萨伐尔定律;这定律能够正确地计算出在载流导线四周的磁场。

1825年,安培又发表了安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场。更重要的,这定律帮助建立整个电磁理论的基础。于1831年,麦可·法拉第发现,时变磁场会生成电场。这实验结果展示出电与磁之间更密切的关系。他又发明了发电机电动机

从1861年到1865之间,詹姆斯·麦克斯韦将先前这些杂乱无章的方程加以整合,给出了麦克斯韦方程组。至此,麦克斯韦统一了电学、磁学、光学理论。

1888年,美国机械工程师奥柏林·史密斯英语Oberlin Smith发表文章于杂志 《电世界》(Electric World),首次阐述了磁性记录仪器。不久之后,于1898年,第一个磁性记录仪器真正诞生——这是现代硬盘和其他种磁存储技术的鼻祖。

1895年,皮埃尔·居里在他的博士论文里发表了关于磁性物质的研究。他发现了温度对于顺磁性的效应,今称为居里定律。他又发现铁磁性物质的相变会显示出临界温度,即铁磁性物质失去其铁磁性的温度,今称为居里温度

1905年,阿尔伯特·爱因斯坦在他的论文里表明,电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现象。详尽细节,请参阅条目移动中的磁铁与导体问题

从20世纪至今,磁存储技术迅速发展,巨磁阻现象和垂直写入技术仍是目前磁学领域的最尖端课题。

磁源

追根究柢,磁有两种源头:

  1. 电流是一群移动的电荷。电流或移动的电荷,会在周围产生磁场。
  2. 很多种粒子具有内秉的磁矩──自旋磁矩。这些磁矩,会在四周产生磁场。

对于磁性物质,磁极化的主要源头是以原子核为中心的电子轨域运动,和电子的内秉磁矩(请参阅条目电子磁偶极矩)。与这些源头相比,核子核子磁矩英语nuclear magnetic moment显得很微弱,强度是电子磁矩的几千分之一。当做一般运算时,可以忽略核子磁矩。但是,核子磁矩在某些领域很有用途,例如,核磁共振核磁共振成像

通常而言,在物质内部超多数量的电子,它们各自的磁矩(轨域磁矩和内禀磁矩)会互相抵销。这是因为两种机制:一种机制是遵守泡利不相容原理的后果,匹配成对的电子都具有彼此方向相反的内秉磁矩;另一种机制是电子趋向于填满次壳层,达成净轨域运动为零。对于这两种机制,电子排列会使得每一个电子的磁矩被完全抵销。当然,不是每一种物质都具有这么理想的属性,但甚至当电子组态仍有尚未配对的电子或尚未填满的次壳层,通常,在物质内部的各个电子,会贡献出随机方向的磁矩,结果是这些物质不具有磁性。

但是,有时候,或许是自发性效应,或许是由于外磁场的施加,物质内的电子磁矩会整齐地排列起来。由于这动作,很可能会造成强烈的净磁矩与净磁场。

由于前面表述的原因,物质的磁行为与其结构有关,特别是其电子组态。在高温状况,随机热运动会使得电子磁矩的整齐排列更加困难。

磁学

磁学和电学有着直接的联系,合并称为电磁学电磁学是研究与磁彼此之间相互关系的一门学科。静磁学是电磁学的一个分支,研究稳定磁场下的性质。微磁学是研究介观尺度下铁磁体的磁化过程。磁化学是研究化学物质与电磁场的关系。

磁学的物理量及其单位换算
磁学量名称 SI符号和单位 CGS符号和单位 单位换算
磁通量 Φ 韦伯 Wb Φ 麦克斯韦 Mx 1Mx=10-8 Wb
磁感应强度 B 特斯拉 T B 高斯 Gs 1Gs=10-4 T
磁场强度 H 安/米 A/m H 奥斯特 Oe 1Oe=103/4π A/m
磁化强度 M 安/米 A/m M 高斯 Gs 1Gs=103 A/m
磁极化强度 J 特斯拉 T 4πM 高斯 Gs 1Gs=10-4 T
磁能积 BH 焦/米3 J/m3 BH 高•奥 GOe 1MGOe=102/4π kJ/m3
真空磁导率 μ0 4π•10-7H/m - 1 -

物质的磁性

各种不同磁性的级列。

抗磁性

抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向,因此,会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是,对于具有顺磁性的物质,顺磁性通常比较显著,遮掩了抗磁性。 只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如,惰性气体元素和抗腐蚀金属元素(等等)都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时,抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除,则抗磁性也会遁隐形迹。

在具有抗磁性的物质里,所有电子都已成对,内秉电子磁矩不能集成宏观效应。抗磁性的机制是电子轨域运动,用经典物理理论解释如下:

由于外磁场的作用,环绕着原子核的电子,其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动,从而产生额外电流与伴随的额外磁矩。这额外磁矩与外磁场呈相反方向,抗拒外磁场的作用。由这机制所带来的磁化率与温度无关,以方程表达为
其中,磁常数 是原子数量密度,原子序 是磁场, 是电子质量, 是轨道半径。 的量子力学平均值。

特别注意,这解释只能用来启发思考。正确的解释需要依赖量子力学

顺磁性

对于顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质,磁化率与温度之间的理论关系。

碱金属元素和除了以外的过渡元素都具有顺磁性。在顺磁性物质内部,由于原子轨域或分子轨域只含有奇数个电子,会存在有很多未配对电子。遵守泡利不相容原理,任何配对电子的自旋,其磁矩的方向都必需彼此相反。未配对电子可以自由地将磁矩指向任意方向。当施加外磁场时,这些未配对电子的磁矩趋于与外磁场呈相同方向,从而使磁场更加强烈。假设外磁场被撤除,则顺磁性也会消失无踪。

一般而言,除了金属物质以外,顺磁性与温度相关。由于热骚动(thermal agitation)造成的碰撞会影响磁矩整齐排列,温度越高,顺磁性越微弱;温度越低,顺磁性越强烈。

在低磁场,足够高温的状况,根据居里定律磁化率 与绝对温度 的关系式为

其中, 是依不同物质而定的居里常数

铁磁性

磁化强度(竖轴)与H场(横轴)之间的磁滞回路关系。

在铁磁性物质内部,如同顺磁性物质,有很多未配对电子。由于交换作用英语Exchange interactionexchange interaction),这些电子的自旋趋于与相邻未配对电子的自旋呈相同方向。由于铁磁性物质内部又分为很多磁畴,虽然磁畴内部所有电子的自旋会单向排列,造成“饱合磁矩”,磁畴与磁畴之间,磁矩的方向与大小都不相同。所以,未被磁化的铁磁性物质,其净磁矩与磁化矢量都等于零。

假设施加外磁场,这些磁畴的磁矩还趋于与外磁场呈相同方向,从而形成有可能相当强烈的磁化矢量与其感应磁场。 随着外磁场的增高,磁化强度也会增高,直到“饱和点”,净磁矩等于饱合磁矩。这时,再增高外磁场也不会改变磁化强度。假设,现在减弱外磁场,磁化强度也会跟着减弱。但是不会与先前对于同一外磁场的磁化强度相同。磁化强度与外磁场的关系不是一一对应关系。磁化强度比外磁场的曲线形成了磁滞回线

假设再到达饱和点后,撤除外磁场,则铁磁性物质仍能保存一些磁化的状态,净磁矩与磁化矢量不等于零。所以,经过磁化处理后的铁磁性物质具有“自发磁矩”。

每一种铁磁性物质都具有自己独特的居里温度。假若温度高过居里温度,则铁磁性物质会失去自发磁矩,从有序的“铁磁相”转变为无序的“顺磁相”。这是因为热力学的无序趋向,大大地超过了铁磁性物质降低能量的有序趋向。根据居里-外斯定律,磁化率 与绝对温度 的关系式为

其中,居里温度(采用绝对温度单位)。

假设温度低于居里温度,则根据实验得到的经验公式,

其中, 是磁化强度差, 是物质分别在绝对温度 的磁化强度, 是依物质而定的比例常数。

这与布洛赫温度1.5次方定律(Bloch T3/2 law)的理论结果一致。

与它们的合金化合物等等,这些常见的铁磁性物质很容易做实验显示出其铁磁性。

磁畴

铁磁性物质内部的磁畴。磁化强度以带箭头绿色或黄色直线表示。
不同种类的磁畴:a)单独磁畴。b)两个异向磁畴。c)多个磁畴,最小能量态。磁畴所生成的磁场以带箭头细曲线表示。磁化强度以带箭头粗直线表示。
外磁场作用于磁畴所产生的效应。外磁场以带箭头粗直线表示。磁化强度以带箭头绿色或黄色直线表示。

在铁磁性物质内部,由于原子的磁矩不等于零,每一个原子的表现就好似微小的永久磁铁。假设聚集于一个小区域的原子,其磁矩都均匀地同向平行排列,则称这小区域为磁畴外斯畴Weiss domain)。使用磁力显微镜magnetic force microscope),可以观测到磁畴。

磁畴的存在是能量极小化的后果。这是物理大师列夫·朗道叶津·李佛西兹Evgeny Lifshitz)提出的点子。假设一个铁磁性长方体是单独磁畴(右图a),则会有很多正磁荷与负磁荷分别形成于长方块的顶面与底面,从而拥有较强烈的磁能。假设铁磁性长方块分为两个磁畴(右图b),其中一个磁畴的磁矩朝上,另一个朝下,则会有正磁荷与负磁荷分别形成于顶面的左右边,又有负磁荷与正磁荷相反地分别形成于底面的左右边,所以,磁能较微弱,大约为图a的一半。假设铁磁性长方块是由多个磁畴组成(右图c),则由于磁荷不会形成于顶面与底面,只会形成于斜虚界面,所有的磁场都包含于长方块内部,磁能更微弱。这种组态称为“闭磁畴”(closure domain),是最小能量态。

如左图所示,将铁磁性物质置入外磁场,则磁畴壁会开始移动,假若磁畴的磁矩方向与外磁场方向近似相同,则磁畴会扩大;反之,则会缩小。这时,假若关闭磁场,则磁畴可能不会回到原先的未磁化状态。铁磁性物质已被磁化,形成永久磁铁

假设磁化足够强烈,所有会扩大的磁畴吞并了其它磁畴,结果只剩下单独一个磁畴,则此物质已经达到磁饱和。再增强外磁场,也无法更进一步使物质磁化。

假设外磁场为零,现将已被磁化的铁磁性物质加热至居里温度,则物质内部的分子会被大幅度热骚动,磁畴会开始分裂,每个磁畴变得越来越小,其磁矩也呈随机方向,失去任何可侦测的磁性。假设现在将物质冷却,则磁畴结构会自发地回复,就好像液体凝固成固态晶体一样。

反铁磁性

反铁磁性的有序排列

在反铁磁性物质内部,相邻价电子的自旋趋于相反方向。这种物质的净磁矩为零,不会产生磁场。这种物质比较不常见,大多数反铁磁性物质只存在于低温状况。假设温度超过奈尔温度,则通常会变为具有顺磁性。例如,、轻镧系元素等等,都具有反铁磁性。

当温度高于奈尔温度 时,磁化率 与温度 的理论关系式为

做实验得到的经验关系式为

其中, 是依物质而定的常数,与 差别很大。

理论而言,当温度低于奈尔温度 时,可以分成两种状况:

  • 假设外磁场垂直于自旋,则垂直磁化率近似为常数
  • 假设外磁场平行于自旋,则在绝对温度0K时,平行磁化率为零;在从0K到奈尔温度 之间,平行磁化率会从 平滑地单调递增至

亚铁磁性

亚铁磁性的有序排列

像铁磁性物质一样,当磁场不存在时,亚铁磁性物质仍旧会保持磁化不变;又像反铁磁性物质一样,相邻的电子自旋指向相反方向。这两种性质并不互相矛盾,在亚铁磁性物质内部,分别属于不同次晶格的不同原子,其磁矩的方向相反,数值大小不相等,所以,物质的净磁矩不等于0,磁化强度不等于零,具有较微弱的铁磁性。

由于亚铁磁性物质是绝缘体。处于高频率时变磁场的亚铁磁性物质,由于感应出的涡电流很少,可以允许微波穿过,所以,可以做为像隔离器英语Isolator (microwave)循环器英语Circulator回旋器英语gyrator等等微波器件的材料。

由于组成亚铁磁性物质的成分必需分别具有至少两种不同的磁矩,只有化合物或合金才会表现出亚铁磁性。常见的亚铁磁性物质有磁铁矿(Fe3O4)、铁氧体(ferrite)等等

超顺磁性

当铁磁体或亚铁磁体的尺寸足够小的时候,由于热骚动影响,这些奈米粒子会随机地改变方向。假设没有外磁场,则通常它们不会表现出磁性。但是,假设施加外磁场,则它们会被磁化,就像顺磁性一样,而且磁化率超大于顺磁体的磁化率。

磁现象

磁铁

磁铁能够产生磁场,吸引铁磁性物质如等金属。磁体上磁性最强的部分叫磁极。将条形磁铁的中点用细线悬挂起来,静止的时候,它的两端会各指向地球南方和北方,指向北方的一端称为指北极N极,指向南方的一端为指南极S极。如果将地球想成一块大磁铁,则目前地球的地磁北极是指南极,地磁南极则是指北极。磁铁与磁铁之间,同极相排斥、异极相吸引。所以,指南极与指南极相排斥,指北极与指北极相排斥,而指南极与指北极则相吸引。

磁铁可分为“永久磁铁”与“非永久磁铁”。永久磁铁可以是天然产物,又称天然磁石,也可以由人工制造(最强的磁铁是钕磁铁)。非永久性磁铁,例如电磁铁,只有在某些条件下才会出现磁性。

电磁铁

简单的电磁铁

1820年,丹麦物理学家汉斯·奥斯特发现载流导线会产生磁场。而当直流电通过螺线管(线圈)时,会在螺线管之内制成均匀磁场。如果在螺线管的中心置入铁磁性物质(铁芯),被磁化后的铁磁性物质会大大增强磁场。因此,电磁铁一般由环绕铁芯线圈构成,电磁铁所产生的磁场与电流大小、线圈圈数及中心的铁磁体有关。由于线圈的材料具有电阻,这限制了电磁铁所能产生的磁场大小,但随着超导体的发现与应用,将有机会超越现有的限制。

电磁铁属非永久磁铁,可以通过控制电流将其磁性启动或是消除。不过,由于H场和B场是非线性关系,所以电磁铁断电后仍具有剩磁。电磁铁的应用非常普遍,例如:大型起重机利用电磁铁将废弃车辆抬起,自励式发电机利用剩磁能够自行启动等。

永久磁铁

钕铁硼磁铁立方体。

永磁铁能够长期保持其磁性,可分为天然的磁石(磁铁矿)和人造磁铁(铝镍钴合金等)。永久磁铁必须具有宽广高长的磁滞回线。这样,当外磁场为零时,仍旧能够具有比较强烈的磁化强度;假若要将磁化强度变为零,需要施加比较强烈的外磁场。永磁体按照材料可分为铁氧体铝镍钴合金稀土磁铁

磁单极子

如果我们将带有磁性的金属棒截断为二,新得到的两根磁棒则会“自动地”产生新的磁场,重新编排磁场的北极、南极,原先的北极南极两极在截断磁棒后会转换成四极各磁棒一南一北。如果继续截下去,磁场也同时会继续改变磁场的分布,每段磁棒总是会有相应的南北两极。而磁单极子,如果真的存在的话,则是完全不同的物体。它是一个完全独立的南极,完全没有跟任何北极链接,或者反之亦然。尽管对磁单极子的系统研究从1931年就开始了,但到目前为止,还没有被观察到,而且非常可能并不存在。 然而,有些理论物理学模型则预言了磁单极子的存在。保罗·狄拉克在1931年断言,因为电场磁场表现出某种对称性,就像在量子理论预言的正电荷或者负电荷并不需要相反的电荷存在,独立的南极或者北极应该也能被观测到。应用量子理论,狄拉克预言,如果磁单极子如果存在,就可以解释电荷的量子化 -- 就是为何可以观察到基本粒子带电量是电子带电量的倍数。

一些大统一理论也预言了磁单极子的存在:不同于基本粒子,磁单极子是孤波(局域能量包)。使用这些模型去估计大爆炸中产生的磁单极子的数目,得到的最初结果与对宇宙的观察结果相矛盾--磁单极子是如此的多而巨大,它们甚至可以阻止宇宙的膨胀。然而宇宙暴胀理论(也是这个理论被提出的原因之一)成功地解决了这问题。这个理论建立了一个模型,使得磁单极子在宇宙中存在,但数量极少的能够与实际观测相符合。

参见

注释

  1. ^ 更确切地说,当 时,居里定律成立;其中, 是磁矩,玻尔兹曼常数

参考资料

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  10. ^ 见《梦溪笔谈梦溪笔谈|卷二十四,原文:“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。指爪及碗唇上皆可为之,运转尤速,但坚滑易坠,不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕,以芥子许蜡,缀于针腰,无风处悬之,则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南、北者皆有之。磁石之指南,犹柏之指西,莫可原其理”。
  11. ^ 见《萍洲可谈卷二,原文:“……舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针,或以十丈绳钩,取海底泥嗅之,便知所至。……”
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