磁学现象与物质的磁性

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1、磁学现象与物质的磁性人们很早就发现磁性材料具有特殊的功能特性。公元前3世纪，《吕氏春秋·精通篇》中就出现“石，铁之母也。以有磁石，故能引其子；石之不慈者，亦不能引也”的记载，叙述了磁性材料可以吸引特定的物质，如铁等。在战国末期韩非所著的《有度篇》中已出现“故先王以立司南以端前夕”的记载；而在东汉王充的《论衡·是应篇》中出现了“司南之勺，投之于地，其柢指南”的记载，叙述了磁性材料具有南北极，可以指示南北方向的特性。北宋沈括所著的《梦溪笔谈》中已有制作指南针的详尽描述，明朝《萍洲可谈》中出现船舶在苏门答腊海中航行时应用指南针的详细记载，

2、叙述了磁性材料的应用。在欧洲，人们在小亚细亚的Magnesia地区发现了磁铁矿，因而人们把磁石叫做Magnet。人们虽然很早就发现了磁性的存在，但对磁性现象本质的认识却经历了相当长的时间。1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第发现了电磁感应定律以及楞次发现的楞次定律，人们才逐渐揭开了磁性的奥秘。随着原子结构的被揭露，尤其是量子力学的成就，人们对目前磁性的物理本质才有了一个大体满意的解释。一、磁及磁现象的根源是电荷的运动1.1一些基本的磁现象图1-1一条载流导线的磁场当电流通过一条导线，生成一个方向由右手定则指示的磁场

3、。如果大拇指指示正向电流I的方向，四指就指示磁场B的方向。如果一条载流的长导线被卷成圆筒形，环绕圆筒线圈可观察到一个磁场；磁场的形状具有环环相叠的圆柱对称性，它的方向由右手定则规定。此时，四指指示电流方向，拇指给出线圈内部的磁场方向。外部的磁场具有圆环对称性。而地球磁场源自地球熔融铁核的流动。这种流动才使图中罗盘针的黑端指示出地理北极的方向。图1-2圆筒线圈的磁场假定一根棒状磁体按图1-3从一个线圈内部向外移开，在线圈绕组的两端可检测到一个电压脉冲。电压源自线圈内磁力线的变化。感生电压遵从Lenz定律—如果线圈内的磁力线发生变化，由

4、此在线圈内感生的电压是这样的．由它产生的电流决定的磁场与初始的变化方向相反。图1-3标出了电压，由它的电流生成的磁场由线圈指向外(其方向同棒状磁体运动产生的变化相反)。电压的方向也由右手定则规定。磁力线的变化感生电压，决定了发电机和变压器的运转，以及抗磁性的材料行为。11图1-3线圈内磁力线的变化在线圈内产生感生电压与图1-1和图1-2所示类似的观察是由HansChristianOersted首先报道，并且在19世纪初AndreAmpere已能用数学描述。观察图1-3中所示现象由MichaelFarady首先报道，他据此以数学形式写

5、出了磁感应定律。1.2材料的磁化任何有限尺寸的物体处于磁场中，都会使它占有的空间的磁场发生变化，这是由于磁场的作用使物质表现出一定的磁性，这种现象称为磁化。有关物质磁化的理论可以用两种观点来描述：分子电流观点和等效磁荷观点。1.2.1分子电流观点实验证明，向载流线圈内安放铁心可以增加磁感应通量ф。根据安培分子环流假说的简单模型，铁心中的每个磁分子都相当于一个环形电流。在没有外磁场作用时，各分子环流取向杂乱无章，它们的磁矩相互抵消，不显示宏观磁性。如果线圈通以电流，由1-2可知相当于给铁心施加一个磁化场，则分子电流的磁矩将沿磁化场排列

6、起来，则此时的铁心被磁化了。在铁心内部，相邻环流的效果相互抵消，只有横截面边缘的环流未被抵消，这些未被抵消的分子环流等效为宏观沿横截面边缘的大环流，称为束缚电流。磁化的铁心可以看作是通以电流的螺线管。为了描述材料的磁化状态，通常引入磁化强度的概念。我们把单位体积内的磁矩定义成磁化强度：式中V为试样的某个宏观体积元；∑Pm为体积元内环电流磁矩的总和。材料未磁化时，环电流的磁矩沿空间方向的取向统计分布，∑Pm=0；材料磁化时，环电流磁矩沿外场排列起来，产生一个沿外场的磁化强度。环电流磁矩定向排列的程度越高，磁化强度矢量也越大。磁化强度在

7、数值上的等于单位试样长度上束缚电流的大小，所以磁化强度的单位为A/m。1.2.2等效磁荷观点材料的磁分子是磁偶极子。在介质未磁化时，各磁偶极子取向处于无序状态，其偶极矩的矢量和∑jm=0；试样不显示磁性。施加一个磁化场后，偶极子受外场作用转向外场方向。由于材料内部磁偶极子的整列，其极性在材料内部首尾相接互相抵消，因而磁化的宏观效果11表现为试样两端出现磁极，称为磁性的极化。从磁荷观点描述材料的磁化，通常引入磁极化强度矢量的概念，把单位体积内磁偶极矩的矢量和定义为磁极化强度J根据电流环与磁偶极子的等效原理，磁性材料内一个磁矩为Pm的电

8、流环，可以看成是一个偶极矩为jm=μ0Pm的磁偶极子。所以分子电流中的磁化强度M与等效磁荷观点中的磁极化强度J之间的关系为：式中μ0=4π×10-7亨利/米（H/m）为真空磁导率。1.2.3磁场的基本关系式对外磁场H做出响应的材料，一