磁现象及其应用.ppt

磁现象及其应用 仲慧 磁是什么 一般提起磁 有些人都觉得磁是较为少见的 好象主要就是磁石或磁铁吸引铁 如磁铁吸引铁粉 和指南针指示南北方向 而把一般物质称为无磁性或非磁性 情况真是这样吗 现代科学的发展已经表明这样的看法是不对的 现代科学研究和实际应用已经充分证实 任何物质都具有磁性 只是有的物质磁性强 有的物质磁性弱 任何空间都存在磁场 只是有的空间磁场高 有的空间磁场低 所以说包含物质磁性和空间磁场的磁现象是普遍存在的 我们的生活每时每刻都和磁性有关 没有它 我们就无法看电视 听收音机 打电话 没有它 连夜晚甚至都是一片漆黑 人类虽然很早就认识到磁现象 但直到了现代 人们对磁现象的认识才逐渐系统化 发明了不计其数的电磁仪器 象电话 无线电 发电机 电动机等 如今 磁技术已经渗透到了我们的日常生活和工农业技术的各个方面 我们已经越来越离不开磁性材料的广泛应用 我们的生活每时每刻都和磁性有关 没有它 我们就无法看电视 听收音机 打电话 没有它 连夜晚甚至都是一片漆黑 人类虽然很早就认识到磁现象 但直到了现代 人们对磁现象的认识才逐渐系统化 发明了不计其数的电磁仪器 象电话 无线电 发电机 电动机等 如今 磁技术已经渗透到了我们的日常生活和工农业技术的各个方面 我们已经越来越离不开磁性材料的广泛应用 磁铁的磁极 由于物质的磁性既看不到 也摸不着 我们无法通过自己的五种感官 听觉 视觉 味觉 嗅觉 触觉 直接体会磁性的存在 但人们还是在实践中逐步揭开了其神秘面纱 磁铁总有两个磁极 一个是N极 另一个是S极 一块磁铁 如果从中间锯开 它就变成了两块磁铁 它们各有一对磁极 不论把磁铁分割得多么小 它总是有N极和S极 也就是说N极和S极总是成对出现 无法让一块磁铁只有N极或只有S极 磁极之间有相互作用 即同性相斥 异性相吸 也就是说 N极和S极靠近时回相互吸引 而N极和N极靠近时回互相排斥 知道了这一点 我们就明白了为什么指南针会自动指示方向 原来 地球就是一块巨大的磁铁 它的N极在地理的南极附近 而S极在地理的北极附近 这样 如果把一块长条形的磁铁用细线从中间悬挂起来 让它自由转动 那么 磁铁的N极就会和地球的S极互相吸引 磁铁的S极和地球的N极互相吸引 使得磁铁方向转动 直到磁铁的N极和S极分别指向地球的S极和N极为止 这时 磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近 一 物质磁性的起源 如果磁是电磁以太涡旋 一个磁铁 没看到任何电磁以太的涡旋 为什么会有磁性 我们的回答是 物质的磁性起源于原子中电子的运动 电子的运动会产生一个电磁以太的涡旋 什么是磁性 简单说来 磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用 在相同的不均匀磁场中 由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度 来确定物质磁性的强弱 因为任何物质都具有磁性 所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用 磁天平仪 磁性的来源 物质的磁性来自构成物质的原子 原子的磁性又主要来自原子中的电子 那么电子的磁性又是怎样的呢 从科学研究已经知道 原子中电子的磁性有两个来源 一个来源是电子本身具有自旋 因而能产生自旋磁性 称为自旋磁矩 另一个来源是原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨道磁性 称为轨道磁性 物质是由原子组成的 而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成的 原子核好象太阳 而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星 另外 电子除了绕着原子核公转以外 自己还有自转 叫做自旋 跟地球的情况差不多 一个原子就象一个小小的 太阳系 另外 如果一个原子的核外电子数量多 那么电子会分层 每一层有不同数量的电子 第一层为1s 第二层有两个亚层2s和2p 第三层有三个亚层3s 3p和3d 依此类推 如果不分层 这么多的电子混乱地绕原子核公转 是不是要撞到一起呢 在原子中 核外电子带有负电荷 是一种带电粒子 电子的自转会使电子本身具有磁性 成为一个小小的磁铁 具有N极和S极 也就是说 电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转 这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况 既然电子的自转会使它成为小磁铁 那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢 当然不是 如果是的话 岂不是所有的物质都有磁性了 为什么只有少数物质 象铁 钴 镍等 才具有磁性呢 原来 电子的自转方向总共有上下两种 在一些数物质中 具有向上自转和向下自转的电子数目一样多 它们产生的磁极会互相抵消 整个原子 以至于整个物体对外没有磁性 而对于大多数自转方向不同的电子数目不同的情况来说 虽然这些电子所磁矩不能相互抵消 导致整个原子具有一定的总磁矩 但是这些原子磁矩之间没有相互作用 它们是混乱排列的 所以整个物体没有强磁性 向上与向下自转的电子数相等 只有少数物质 例如铁 钴 镍 它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样 这样 在自转相反的电子磁极互相抵消以后 还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消 这样 整个原子具有总的磁矩 同时 由于一种被称为 交换作用 的机理 这些原子磁矩之间被整齐地排列起来 整个物体也就有了磁性 当剩余的电子数量不同时 物体显示的磁性强弱也不同 例如 铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多 原子的总剩余磁性最强 而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少 所有它的磁性比较弱 向上与向下自转的电子数不相等 早在1820年 丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应 第一次揭示了磁与电存在着联系 从而把电学和磁学联系起来 安培分子电流假说 为了解释永磁和磁化现象 安培提出了分子电流假说 安培认为 任何物质的分子中都存在着环形电流 称为分子电流 而分子电流相当一个基元磁体 当物质在宏观上不存在磁性时 这些分子电流做的取向是无规则的 它们对外界所产生的磁效应互相抵消 故使整个物体不显磁性 在外磁场作用下 等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向 而使物体显示磁性 安培简介 安德烈 玛丽 安培 Andr MarieAmp re 1775年 1836年 法国物理学家 在电磁作用方面的研究成就卓著 对数学和化学也有贡献 电流的国际单位安培即以其姓氏命名 安培最主要的成就是1820 1827年对电磁作用的研究 1820年7月 H C 奥斯特发表关于电流磁效应的论文后 安培报告了他的实验结果 通电的线圈与磁铁相似 9月25日 他报告了两根载流导线存在相互影响 相同方向的平行电流彼此相吸 相反方向的平行电流彼此相斥 对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论 通过一系列经典的和简单的实验 他认识到磁是由运动的电产生的 他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性 他提出分子电流假说 在科学高度发展的今天 安培的分子电流假说有了实在的内容 已成为认识物质磁性的重要依据 为了进一步说明电流之间的相互作用 1821 1825年 安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验 并根据这四个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式 1827年 安培将他的电磁现象的研究综合在 电动力学现象的数学理论 一书中 这是电磁学史上一部重要的经典论著 对以后电磁学的发展起了深远的影响 为了纪念安培在电学上的杰出贡献 电流的单位安培是以他的姓氏命名的 磁电联系 磁现象和电现象有本质的联系 物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系 乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念 是把电子看成一个带电的小球 他们认为 与地球绕太阳的运动相似 电子一方面绕原子核运转 相应有轨道角动量和轨道磁矩 另一方面又绕本身轴线自转 具有自旋角动量和相应的自旋磁矩 施特恩 盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩 现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的 电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性 人们常用磁矩来描述磁性 因此电子具有磁矩 电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成 在晶体中 电子的轨道磁矩受晶格的作用 其方向是变化的 不能形成一个联合磁矩 对外没有磁性作用 因此 物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起 而是主要由自旋磁矩引起 每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子 是原子磁矩的单位 因为原子核比电子重2000倍左右 其运动速度仅为电子速度的几千分之一 故原子核的磁矩仅为电子的千分之几 可以忽略不计 孤立原子的磁矩决定于原子的结构 原子中如果有未被填满的电子壳层 其电子的自旋磁矩未被抵消 原子就具有 永久磁矩 例如 铁原子的原子序数为26 共有26个电子 在5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子 自旋反平行 外 其余4个轨道均只有一个电子 且这些电子的自旋方向平行 由此总的电子自旋磁矩为4 二 物质磁性的分类 1 顺磁性 2 铁磁性 3 反铁磁性 4 抗磁性 世界上的物质究竟有多少种磁性呢 一般说来 物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性 再根据磁性的不同特点 弱磁性又分为抗磁性 顺磁性和反铁磁性 强磁性又分为铁磁性和亚铁磁性 这些都是宏观物质的原子中的电子产生的磁性 原子中的原子核也具有磁性 称为核磁性 但是核磁性只有电子磁性的约千分之一或更低 故一般讲物质磁性和原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性 原子核的磁性很低是由于原子核的质量远高于电子的质量 而且原子核磁性在一定条件下仍有着重要的应用 例如现在医学上应用的核磁共振成像 也常称磁共振CT CT是计算机化层析成像的英文名词的缩写 便是应用氢原子核的磁性 抗磁性 当磁化强度M为负时 固体表现为抗磁性 Bi Cu Ag Au等金属具有这种性质 在外磁场中 这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M 抗磁性物质的原子 离子 的磁矩应为零 即不存在永久磁矩 当抗磁性物质放入外磁场中 外磁场使电子轨道改变 感生一个与外磁场方向相反的磁矩 表现为抗磁性 所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱 磁化率H一般约为 10 5 为负值 顺磁性 顺磁性物质的主要特征是 不论外加磁场是否存在 原子内部存在永久磁矩 但在无外加磁场时 由于顺磁物质的原子做无规则的热振动 宏观看来 没有磁性 在外加磁场作用下 每个原子磁矩比较规则地取向 物质显示极弱的磁性 磁化强度与外磁场方向一致 为正 而且严格地与外磁场H成正比 顺磁性物质的磁性除了与H有关外 还依赖于温度 其磁化率H与绝对温度T成反比 顺磁性物质的磁化率一般也很小 室温下H约为10 5 一般含有奇数个电子的原子或分子 电子未填满壳层的原子或离子 如过渡元素 稀土元素 钢系元素 还有铝铂等金属 都属于顺磁物质 铁磁性 对诸如Fe Co Ni等物质 在室温下磁化率可达10 3数量级 称这类物质的磁性为铁磁性 铁磁性物质即使在较弱的磁场内 也可得到极高的磁化强度 而且当外磁场移去后 仍可保留极强的磁性 其磁化率为正值 但当外场增大时 由于磁化强度迅速达到饱和 其H变小 铁磁性物质具有很强的磁性 主要起因于它们具有很强的内部交换场 铁磁物质的交换能为正值 而且较大 使得相邻原子的磁矩平行取向 相应于稳定状态 在物质内部形成许多小区域 磁畴 每个磁畴大约有1015个原子 这些原子的磁矩沿同一方向排列 假设晶体内部存在很强的称为 分子场 的内场 分子场 足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态 这种自生的磁化强度叫自发磁化强度 由于它的存在 铁磁物质能在弱磁场下强列地磁化 因此自发磁化是铁磁物质的基本特征 也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来 超过这一温度 由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向 因而自发磁化强度变为0 铁磁性消失 这一温度称为居里点 在居里点以上 材料表现为强顺磁性 其磁化率与温度的关系服从居里 外斯定律 反铁磁性 反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列 在同一子晶格中有自发磁化强度 电子磁矩是同向排列的 在不同子晶格中 电子磁矩反向排列 两个子晶格中自发磁化强度大小相同 方向相反 整个晶体 反铁磁性物质大都是非金属化合物 不论在什么温度下 都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象 因此其宏观特性是顺磁性的 M与H处于同一方向 磁化率为正值 温度很高时 极小 温度降低 逐渐增大 在一定温度时 达最大值 称为反铁磁性物质的居里点或尼尔点 对尼尔点存在的解释是 在极低温度下 由于相邻原子的自旋完全反向 其磁矩几乎完全抵消 故磁化率几乎接近于0 当温度上升时 使自旋反向的作用减弱 增加 当温度升至尼尔点以上时 热骚动的影响较大 此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为 怎样表示物质磁性的强弱呢 为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它 在一块硬纸板的下面放两块磁铁 并且让它们的S极相对 纸板上面撒一些细的铁粉末 看会发生什么现象 铁的粉末会自动排列起来 形成一串串曲线的样子 其中 N极和S极之间的曲线是连续的 也就是说曲线从N极直至S极 而S极和S极之间的曲线互相排斥 不能融合和贯穿 这种现象说明 磁铁的磁极之间存在某种联系 因此 我们可以假想 在磁极之间存在着一种曲线 它代表着磁极之间相互作用的强弱 这种假想的曲线称为磁力线 并规定磁力线从N极出发 最终进入S极 这样 只要有磁极存在 它就向空间不断地发出磁力线 而且离磁极近的地方磁力线密 而远处磁力线稀疏 铁粉末的排列形状就是磁力线的走向 有了磁力线 我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用 但是必须明白 磁力线是我们为了理解方便而假想的 实际上并不存在 在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线 而是一种场 我们称之为磁场 磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的 我们知道 物质之间存在万有引力 它是一种引力场 磁场与之类似 是一种布满磁极周围空间的场 磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示 磁力线密的地方磁场强 磁力线疏的地方磁场弱 单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度 运动的带电粒子在磁场中会受到一种称为洛仑兹 Lorentz 力作用 由同样带电粒子在不同磁场中所受到洛仑磁力的大小来确定磁场强度的高低 是测量脉冲强磁场的磁通密度的特斯拉磁强计 简称特斯拉计 特斯拉是磁通密度的国际单位制单位 磁通密度是描述磁场的基本物理量 而磁场强度是描述磁场的辅助量 特斯拉 Tesla N 1886 1943 是克罗地亚裔美国电机工程师 曾发明变压器和交流电动机 物质的磁性不但是普遍存在的 而且是多种多样的 并因此得到广泛的研究和应用 近自我们的身体和周边的物质 远至各种星体和星际中的物质 微观世界的原子 原子核和基本粒子 宏观世界的各种材料 都具有这样或那样的磁性 磁现象的应用 1 生物界和医学界的磁应用 2 天文 地质 考古和采矿等领域的磁应用 3 军事领域的磁应用 4 在传统工业中的应用 传统工业 磁性材料已经在传统工业的各个方面得到了广泛应用 例如 如果没有磁性材料 电气化就成为不可能 因为发电要用到发电机 输电要用到变压器 电力机械要用到电动机 电话机 收音机和电视机中要用到扬声器 众多仪器仪表都要用到磁钢线圈结构 生物界和医学界 信鸽爱好者都知道 如果把鸽子放飞到数百公里以外 它们还会自动归巢 鸽子为什么有这么好的认家本领呢 原来 鸽子对地球的磁场很敏感 它们可以利用地球磁场的变化找到自己的家 如果在鸽子的头部绑上一块磁铁 鸽子就会迷航 如果鸽子飞过无线电发射塔 强大的电磁波干扰也会使它们迷失方向 在医学上 利用核磁共振可以诊断人体异常组织 判断疾病 这就是我们比较熟悉的核磁共振成像技术 其基本原理如下 原子核带有正电 并进行自旋运动 通常情况下 原子核自旋轴的排列是无规律的 但将其置于外加磁场中时 核自旋空间取向从无序向有序过渡 自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长 当系统达到平衡时 磁化强度达到稳定值 如果此时核自旋系统受到外界作用 如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应 在射频脉冲停止后 自旋系统已激化的原子核 不能维持这种状态 将回复到磁场中原来的排列状态 同时释放出微弱的能量 成为射电信号 把这许多信号检出 并使之时进行空间分辨 就得到运动中原子核分布图像 磁共振的特点是流动液体不产生信号称为流动效应或流动空白效应 因此血管是灰白色管状结构 而血液为无信号的黑色 这样使血管很容易软组织分开 正常脊髓周围有脑脊液包围 脑脊液为黑色的 并有白色的硬膜为脂肪所衬托 使脊髓显示为白色的强信号结构 核磁共振已应用于全身各系统的成像诊断 效果最佳的是颅脑 及其脊髓 心脏大血管 关节骨骼 软组织及盆腔等 对心血管疾病不但可以观察各腔室 大血管及瓣膜的解剖变化 而且可作心室分析 进行定性及半定量的诊断 可作多个切面图 空间分辨率高 显示心脏及病变全貌 及其与周围结构的关系 优于其他X线成像 二维超声 核素及CT检查 磁不仅可以诊断 而且能够帮助治疗疾病 磁石是古老中医的一味药材 现在 人们利用血液中不同成分的磁性差别来分离红细胞和白细胞 另外 磁场与人体经络的相互作用可以实现磁疗 在治疗多种疾病方面有独到的作用 已经有磁疗枕 磁疗腰带等应用 用磁铁作成的除铁器可以去除面粉等中可能存在的铁末 磁化水可以防止锅炉结垢 磁化种子可以在一定程度上使农作物增产 天文 地质 考古和采矿等领域 我们已经知道 地球是一块巨大的磁铁 那么 它的磁性来自何处 它是自古就有的吗 它和地质状况有什么联系 宇宙中的磁场又是如何的 我国自古代就有了北极光的记载 北极光实际上是太阳风中的粒子和地磁场相互作用的结果 太阳风是由太阳发出的高能带电粒子流 当它们到达地球时 与地磁场发生相互作用 就好象带电流的导线在磁场中受力一样 使得这些粒子向南北极运动和聚集 并且和地球高空的稀薄气体相碰撞 结果使气体分子受激发 从而发光 太阳黑子是太阳上磁场活动非常剧烈的区域 太阳黑子的爆发对我们的生活会产生影响 例如使得无线电通信暂时中断等 因此 研究太阳黑子对我们有重要意义 地磁的变化可以用来勘探