磁源

磁源

追根究柢,磁有兩種源頭:電流是一群移動的電荷。電流或移動的電荷,會在周圍產生磁場。很多種粒子具有內秉的磁矩──自旋磁矩。這些磁矩,會在四周產生磁場。

對於磁性物質,磁極化的主要源頭是以原子核為中心的電子軌域運動,和電子的內秉磁矩(請參閱條目電子磁偶極矩)。與這些源頭相比,核子的核子磁矩顯得很微弱,強度是電子磁矩的幾千分之一。當做一般運算時,可以忽略核子磁矩。但是,核子磁矩在某些領域很有用途,例如,核磁共振核磁共振成像

基本介紹

  • 中文名:磁源
  • 外文名:Sources of magnetism
  • 類別:物理現象
  • 概述:能對外表現出磁性的物體就是磁源
  • 分類:恆磁磁源 交流磁源
簡介,分類,恆磁磁源,交流磁源,磁學,物質的磁性,抗磁性,順磁性,磁疇,亞鐵磁性,超順磁性,磁現象,參見,

簡介

追根究柢,磁有兩種源頭:
  1. 電流是一群移動的電荷。電流或移動的電荷,會在周圍產生磁場。
  2. 很多種粒子具有內秉的磁矩──自旋磁矩。這些磁矩,會在四周產生磁場。
對於磁性物質,磁極化的主要源頭是以原子核為中心的電子軌域運動,和電子的內秉磁矩(請參閱條目電子磁偶極矩)。與這些源頭相比,核子的核子磁矩顯得很微弱,強度是電子磁矩的幾千分之一。當做一般運算時,可以忽略核子磁矩。但是,核子磁矩在某些領域很有用途,例如,核磁共振核磁共振成像
通常而言,在物質內部超多數量的電子,它們各自的磁矩(軌域磁矩和內稟磁矩)會互相抵銷。這是因為兩種機制:一種機制是遵守泡利不相容原理的後果,匹配成對的電子都具有彼此方向相反的內秉磁矩;另一種機制是電子趨向於填滿次殼層,達成淨軌域運動為零。對於這兩種機制,電子排列會使得每一個電子的磁矩被完全抵銷。當然,不是每一種物質都具有這么理想的屬性,但甚至當電子組態仍有尚未配對的電子或尚未填滿的次殼層,通常,在物質內部的各個電子,會貢獻出隨機方向的磁矩,結果是這些物質不具有磁性。
但是,有時候,或許是自發性效應,或許是由於外磁場的施加,物質內的電子磁矩會整齊地排列起來。由於這動作,很可能會造成強烈的淨磁矩與淨磁場。
由於前面表述的原因,物質的磁行為與其結構有關,特別是其電子組態。在高溫狀況,隨機熱運動會使得電子磁矩的整齊排列更加困難。

分類

恆磁磁源

常見的永磁體如:鐵氧體磁鐵,釹鐵硼磁體,地球磁場,太陽磁場,在相當長的時間內不發生變化,我們可以稱為恆磁磁源。
恆磁磁源做功一般我們只能利用它的磁力勢能。磁力勢能做功表現為磁源對導磁體的引力,磁源與磁源的引力 斥力及扭力(如指南針的指向扭力);磁力常數是個對數(即:S極和N極產生的磁通閉合迴路),因磁路長度有限,因此磁程也有限,所以磁力常數不同於萬有引力常數。

交流磁源

交流電流產生的磁通,交變電場產生的交流磁場屬於交流磁源,是近代人類的輝煌成果,也是人類利用最多的能源,如:電動機,變壓器,電磁波都屬交流磁源的利用。

磁學

磁學和電學有著直接的聯繫,合併稱為電磁學電磁學是研究與磁彼此之間相互關係的一門學科。靜磁學是電磁學的一個分支,研究穩定磁場下的性質。微磁學是研究介觀尺度下鐵磁體的磁化過程。磁化學是研究化學物質與電磁場的關係。

物質的磁性

抗磁性

抗磁性是物質抗拒外磁場的趨向,因此,會被磁場排斥。所有物質都具有抗磁性。可是,對於具有順磁性的物質,順磁性通常比較顯著,遮掩了抗磁性。只有純抗磁性物質才能明顯地被觀測到抗磁性。例如,惰性氣體元素和抗腐蝕金屬元素(等等)都具有顯著的抗磁性。當外磁場存在時,抗磁性才會表現出來。假設外磁場被撤除,則抗磁性也會遁隱形跡。
在具有抗磁性的物質里,所有電子都已成對,內秉電子磁矩不能集成巨觀效應。抗磁性的機制是電子軌域運動,用經典物理理論解釋如下:
由於外磁場的作用,環繞著原子核的電子,其軌域運動產生的磁矩會做拉莫爾進動,從而產生額外電流與伴隨的額外磁矩。這額外磁矩與外磁場呈相反方向,抗拒外磁場的作用。由這機制所帶來的磁化率與溫度無關,以方程表達為
其中,
磁常數
是原子數量密度,
是原子序,
是磁場,
是電子質量,
是軌道半徑。
的量子力學平均值。
特別注意,這解釋只能用來啟發思考。正確的解釋需要依賴量子力學

順磁性

鹼金屬元素和除了以外的過渡元素都具有順磁性。在順磁性物質內部,由於原子軌域或分子軌域只含有奇數個電子,會存在有很多未配對電子。遵守泡利不相容原理,任何配對電子的自旋,其磁矩的方向都必需彼此相反。未配對電子可以自由地將磁矩指向任意方向。當施加外磁場時,這些未配對電子的磁矩趨於與外磁場呈相同方向,從而使磁場更加強烈。假設外磁場被撤除,則順磁性也會消失無蹤。
一般而言,除了金屬物質以外,順磁性與溫度相關。由於熱騷動(thermal agitation)造成的碰撞會影響磁矩整齊排列,溫度越高,順磁性越微弱;溫度越低,順磁性越強烈。
在低磁場,足夠高溫的狀況,根據居里定律磁化率與絕對溫度T的關係式為
其中,C是依不同物質而定的居里常數

磁疇

在鐵磁性物質內部,由於原子的磁矩不等於零,每一個原子的表現就好似微小的永久磁鐵。假設聚集於一個小區域的原子,其磁矩都均勻地同向平行排列,則稱這小區域為磁疇或外斯疇(Weiss domain)。使用磁力顯微鏡(magnetic force microscope),可以觀測到磁疇。
磁疇的存在是能量極小化的後果。這是物理大師列夫·朗道和葉津·李佛西茲(Evgeny Lifshitz)提出的點子。假設一個鐵磁性長方體是單獨磁疇(右圖a),則會有很多正磁荷與負磁荷分別形成於長方塊的頂面與底面,從而擁有較強烈的磁能。假設鐵磁性長方塊分為兩個磁疇(右圖b),其中一個磁疇的磁矩朝上,另一個朝下,則會有正磁荷與負磁荷分別形成於頂面的左右邊,又有負磁荷與正磁荷相反地分別形成於底面的左右邊,所以,磁能較微弱,大約為圖a的一半。假設鐵磁性長方塊是由多個磁疇組成(右圖c),則由於磁荷不會形成於頂面與底面,只會形成於斜虛界面,所有的磁場都包含於長方塊內部,磁能更微弱。這種組態稱為“閉磁疇”(closure domain),是最小能量態。
如左圖所示,將鐵磁性物質置入外磁場,則磁疇壁會開始移動,假若磁疇的磁矩方向與外磁場方向近似相同,則磁疇會擴大;反之,則會縮小。這時,假若關閉磁場,則磁疇可能不會回到原先的未磁化狀態。鐵磁性物質已被磁化,形成永久磁鐵
假設磁化足夠強烈,所有會擴大的磁疇吞併了其它磁疇,結果只剩下單獨一個磁疇,則此物質已經達到磁飽和。再增強外磁場,也無法更進一步使物質磁化。
假設外磁場為零,現將已被磁化的鐵磁性物質加熱至居里溫度,則物質內部的分子會被大幅度熱騷動,磁疇會開始分裂,每個磁疇變得越來越小,其磁矩也呈隨機方向,失去任何可偵測的磁性。假設將物質冷卻,則磁疇結構會自發地回復,就好像液體凝固成固態晶體一樣。

亞鐵磁性

像鐵磁性物質一樣,當磁場不存在時,亞鐵磁性物質仍舊會保持磁化不變;又像反鐵磁性物質一樣,相鄰的電子自旋指向相反方向。這兩種性質並不互相矛盾,在亞鐵磁性物質內部,分別屬於不同次晶格的不同原子,其磁矩的方向相反,數值大小不相等,所以,物質的淨磁矩不等於0,磁化強度不等於零,具有較微弱的鐵磁性。
由於亞鐵磁性物質是絕緣體。處於高頻率時變磁場的亞鐵磁性物質,由於感應出的渦電流很少,可以允許微波穿過,所以,可以做為像隔離器、循環器、迴旋器等等微波器件的材料。
由於組成亞鐵磁性物質的成分必需分別具有至少兩種不同的磁矩,只有化合物或合金才會表現出亞鐵磁性。常見的亞鐵磁性物質有磁鐵礦(Fe3O4)、鐵氧體(ferrite)等等。

超順磁性

當鐵磁體或亞鐵磁體的尺寸足夠小的時候,由於熱騷動影響,這些奈米粒子會隨機地改變方向。假設沒有外磁場,則通常它們不會表現出磁性。但是,假設施加外磁場,則它們會被磁化,就像順磁性一樣,而且磁化率超大於順磁體的磁化率。

磁現象

參見

  • 以“磁”開頭的條目

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