关于物质磁性的经典解释

1、 本本科科毕毕业业论论文文 题目：关于物质磁性的经典解释题目：关于物质磁性的经典解释 目目 录录1.引言.1 12.简短的历史回顾.1 12.1 物质磁性的发现 .12.2 电子的发现 .23.FARADAY 和 WEBER 等对抗磁性的研究.3 34.CURIE 定律.4 45.抗磁体的经典理论.5 55.1 LANGEVIN抗磁性的模型 .55.2 LANGEVIN的顺磁性经典理论 .76.铁磁性与铁磁质.11116.1.铁磁质的磁化性能.117.结论.1 13参考文献.1414致谢.1515关于物质磁性的经典解释关于物质磁性的经典解释 摘要摘要：研究物质的磁性是电磁学的不可分割的很重要的

2、一部分。一般根据物质磁性的强弱和特征，把物质分成抗磁性、顺磁性和强磁体（铁磁体）三类。顺磁性和抗磁性由磁介质的微观结构决定。本文对物质的磁性按经典电子论的基础上进行研究，对物质的顺磁性和抗磁性进行了定量分析。关键词：关键词：磁介质；磁化；抗磁性；顺磁性；本科毕业论文1 11.1.引言引言什么是磁性？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。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

3、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。物质内带电粒子的运动一方面要遵守电磁场规律，Maxwell 的电磁场理论为此提供了重要的理论基础。另一方面，大量带电粒子的无规则热运动又要受统计规律的制约，分子运动论中的统计方法为确定带电粒子的集体行为提供了另一个理论依据。Lo

4、rentz 首先把分子运动论引入到电磁场理论中并创立了电子论，他的理论为物性学的研究提供了最初的，也是最重要的理论基础。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。在本篇论文主要介绍物质电磁性质的经典理论，所采取的方法与研究的领域只限于经典方法和领域。2.2.简短的历史回顾简短的历史回顾2.12.1 物质磁性的发现物质磁性的发现在远古时代，人民人就发现了天然磁石吸引铁的磁现象。我国春秋战国时期的一些著作已有关于磁石的记载和描述。汉朝

5、以后有更多的著作记载磁石吸铁的现象。东汉著名学者王充在论衡一书中描述的“司南勺”已经公认为最早的磁性指南针工具。中国是世界上最先发现物质磁性现象和应用磁性材料的国家。早在战国时期就有关于天然磁性材料（如磁铁矿）的记载。11 世纪就发明了制造人工永磁材料的方法。1086 年梦溪笔谈记载了指南针的制作和使用。10991102 年有指南针用于航海的记述，同时还发现了地磁偏角的现象。本科毕业论文2 2最早对磁现象进行系统研究的西方人是 13 世纪的 P.Peregrinus,比沈括晚了 200 多年。Peregrinus 首先引进了“磁极”的概念，并认为任何磁石都有两个磁极。Peregrinus 从磁

6、的普遍现象中总结出“异性相吸，同性排斥”的特点，这比电对应现象的发现要早死多世纪。在磁学发现的最初阶段，只是围绕磁石和地磁进行观察研究。2.22.2 电子的发现电子的发现电子的发现和阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究又是以真空管放电现象开始的早在 1858 年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时发现了阴极射线普吕克利用真空泵，发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光当改变管外所加的磁场时，荧光的位置也会发生变化，可见，这种荧光是从阴极所发出的射线撞击玻璃管壁所产生的。 阴极射线究竟是什么呢?在 19 世纪后

7、30 年中，许多物理学家投入了研究当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，根据偏转算出阴极射线粒子的荷质比(e/m)，要比氢离子的荷质比大1000 倍之多当时，赫兹和他的学生勒纳德，在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，企图观察它在电场中的偏转，为此他们认为阴极射线不带电实际上当时是由于真空度还不高，建立不起静电场 JJ汤姆生设计了新的阴极射线管(图 1)，在电场作用下由阴极 C 发出的阴极射线，通过 和 B 聚焦，从另一对电极 D 和 E 间的电场中穿过右侧管壁上贴有供侧量偏转用的标尺他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也没有看见任何偏转

8、但他分析了不发生偏转的原因可能是电场建立不起来。于是，他利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，从偏转方向也明确表明阴极射线是带负电的粒子他还在管外加上了一个与电场和射线速度都垂直的磁场(此磁场由管外线圈产生)，当电场力 eE 与磁场的洛仑兹力evB 相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央。经过推算可知，阴极射线粒子的荷质比 em1011Ckg通过进一步的实验，汤姆生发现用不同的物质材料或改变管内气体种类，测得射线粒子的荷质比 e/m 保持不变可见这种粒子是各种材料中的普适成分。1898 年，汤姆生又和他的学生们继续做直接测量带电粒子电量的研究其中之一

9、就是用威尔逊云室，测得了电子电荷是，并证明了电子的质量约是氢离子的千分之一于是，汤姆生最终C19101 . 1解开了阴极射线之谜这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷值,其中有代表性的是美国科学家密立根，在 1906 年第一次测得电子电荷量，1913 年最后测得在当时条件下，这是一个Ce191034. 1Ce191059. 1本科毕业论文3 3高精度的测量值近代精确的电子电荷量(括号中的Ce1910)49(60217733. 1值是测量误差)3.Faraday3.Faraday 和和 weberweber 等对抗磁性的研究等对抗磁性的研究最早发现抗磁性的是 A. Brugmans, 他在 1

10、778 年发现铋被磁极排斥，但没引起人们的注意。1827 年，Le baillif 再次报导铋和锑被磁极排斥的现象。Faraday 在 1845-1846 年间通过一系列实验分析了抗磁性质，并对抗磁体和顺磁体作了分类，证明绝大都数物质都属于抗磁体，因而认为抗磁性比顺磁性和铁磁性更普遍和更基础。Faraday 把物质从强顺磁性和强抗磁性排列成一个序列：铁、镍、钴、锰、空气、酒精、金、水、水银、燧石玻璃、锡、重玻璃、锑、磷、铋。其中，空气介于顺次性和抗磁性之间。通过观察，Faraday 发现，磁铁对抗磁体的排斥作用于磁铁的极无关，即磁铁的南极或北极都能排斥抗磁体；抗磁体在磁场中总是从磁场强的地方运

11、动到磁场弱的地方，而在均匀磁场中并不运动。法国物理学家 Becquerel 在 1845-1855 年间致力于统一解释顺次性和抗磁性的工作。Becquerel 认为，任何物质都含有磁性粒子，铁磁物质含得最多，磁性最强，顺磁体之次，而抗磁体所含的有磁性粒子最少。到了 1848 年 Weber 进过 5 年对抗磁体的研究，在 Ampere 的电动力学基础上建立了抗磁理论。Weber 假定，抗磁体的分子内并不存在原是电流，但存在某些无电阻的电流通道。如图 1 所示，Weber 考虑一个环形通道，法线，包围面积为 S. 当n外加磁场 0 增加到时，在环中产生的瞬间电动势为 H （1 1） (cos )

12、dLiHSdt 式中 L 是环的自感系数，是外磁场与之间的夹角Hn (cos )0dLiHSRidt 上式等于零是因为电路的电阻.积分，得0R 0cosLiHSLi 常量当即无外磁场时分子为原始状态，是分子的原始电流，已假定分子不0H0i存在原始电流，即时，故上式变为00iHnS 图 一本科毕业论文4 4 （2）cosHSiL 电流 产生的相应磁矩为im 2cosHSmiSL （3） 22coszHSmL （4）由于各的大小各有不同见式 ，求和的结果可平均值表示，为2cos2cos 22coszzNHSMMmL （5）是在立体角内均值，为2cos2cos4 ddsincos41cos20202

13、31故磁化强度为 23NSMHL 磁化率为 （6）LNS32式中M M于 H H 反响，属于抗磁体。4.Curie4.Curie 定律定律 1891-1895 年间，法国物理学家 P.Curie 对物质磁性的研究成果，使磁学得到了重大的发展。 当时，习惯上物质载然分为抗磁体、顺磁体、强磁体三类。Curie 对本科毕业论文5 5此持有怀疑，他想弄清这三类磁性是否真不能相互过渡。为此，Curie 研究了各种物质在不同条件下，特别是在不同温度下的显示出来的磁性。Curie 所选取的物质，作为抗磁体的有水、岩盐、氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、水晶、硫磺、硒、碲、碘、磷、锑和铋，作为顺磁体的有氧、钯、硫酸铁，

14、作为强磁体的有铁、镍、磁铁矿、铸铁矿等。在温度范围从室温到 1370.Curie 测定了各种物质的磁化率。Curie 的实现表明，顺磁性和抗磁性都很弱，即它们的都很小，故都称弱物质。顺磁体的，抗磁体。对于顺磁体，其磁化率00与磁场强度 H 无关，但与绝对温度 T 成反比，既有 TC上述联系称 Curie 定律，式中的 C 称为 Curie 常量。Curie 还发现，强磁体（铁磁体）在某一温度之上时，会转变成顺磁性，cT此时其磁化率与绝对温度的关系为T cTTC之中称为 Curie 温度。cT对于抗磁体，不仅与磁场强度无关，也不依赖于温度。HT5.5.抗磁体的经典理论抗磁体的经典理论抗磁性是一些

15、物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度之比值，符号为。一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一()。610常见的抗磁物质：水、金属铜、碳(C)和大多数有机物和生物组织。抗磁物质的一个重要特点是磁化率不随温度变化。 5.15.1 LangevinLangevin 抗磁性的模型抗磁性的模型鉴于 Curie 的实验研究成果，Lorentz 电子论成果，促进了法国物理学家P.Langevin 着

16、手研究物质的磁性，并于 1905 年建立了顺磁性和抗磁性的经典理论。Langevin 认为，虽然 Curie 经过研究认识到顺磁性和抗磁性具有根本的差别，是由完全不同的原因所造成的，但是却并未从理论上说明造成这种差别的根源，这是最大的缺点。为此，Langevin 提出了下述模型：顺磁体分子中各电本科毕业论文6 6子轨道运动所产生的磁矩之和不为零，赤即顺磁体分子具有限的固有磁矩；而在抗磁体分子中，各电子轨道运动的磁矩互相抵消，赤即抗磁体分子的固有磁矩为零。对于抗磁体分子虽然分子的总磁矩为零，但其中每个电子的轨道运动仍都产生磁矩。设电子轨道运动的等效电流为 ，则有i （7）2ei设电子轨道所范围面

17、积为 S，则电子轨道运动的磁矩为 12emiSScc （8）把电子轨道的径矢表为 r r，速度表为,则单位时间内 r r 扫过的面积（即面积速度）为 12dSrdt一个周期 T 内扫过的面积为（对圆轨道） 01()()22TtSrdtrr磁矩为 2emrc 对于分子第 个电子，有i （9）2iiiemrc 在 z 方向加外磁场 H H 后，将产生 Larmor 进动，进动角速度为 2pceHm 电子运动速度将在原轨道运动速度的基础上附加一个速度i ipir 相应地，除轨道运动磁矩外，因 Larmor 进动产生的附加磁矩为im im本科毕业论文7 7 ()2iiiemrc （10）)(22pii

18、pirrrce指向外加磁场 H H 的方向即 z 方向，p iippiiixzxcezxcem2)(2 iippiiiyzycezycem2)(2 2222()()22pizpipiieemrzxycc 上述附加磁矩随电子运动迅速变化，必须对时间求平均。在上式中，个交叉项的时间平均值为零，即有 0iizx 0iizy又因 222222231)(31iiiiiiiRzyxzyx于是，因 Larmor 进动产生的附加磁矩为 222236ipiiee HmRRcmc 对原子中所有电子产生的附加磁矩求和，就得出整个原子的附加磁矩为 (11)22216ziie HmRmc 式中 z 为原子序数。设单位体

19、积抗磁体中包含 N 个原子，则磁化强度为固有磁化为零， MN m 本科毕业论文8 8 (12)2221()6ziiNeRHmc 磁化率为 （13）ziiRmcNe12226上式就是 Langevin 用经典电子论导出的抗磁体的磁化率公式。式中是2iR电子与原子核距离的方均值。按照量子理论，电子轨道只能某些特殊的不连续的轨道，当温度变化不大时，轨道的大小形状不随温度变化即温度无关，从而磁化率也与温度无关，与 Curie 的实现结果符合。 5.25.2 LangevinLangevin 的顺磁性经典理论的顺磁性经典理论 顺磁性是一种弱磁性。顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电

20、子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一()，并且随温度的降510低而增大。常见的顺磁物质有臭氧、金属铂(白金)、一氧化氮、含掺杂原子的半导体如掺磷(P)或砷(As)的硅(Si)、由幅照产生位

21、错和缺陷的物质等。还有含导电电子的金属如锂(Li)、钠(Na)等，这些顺磁(性)金属的顺磁磁化率却与温度无关。按照 Langevin 的模型，顺磁体的分子具有非零的固有磁矩，无外磁场0m时，其和为零，不显磁性，外加磁场 H H 后，在 H H 的作用下将会绕 H 作 Larmor 进动，也产生反向的附加磁矩，从而也将会表现出抗磁性（Faraday 也因此认为抗磁性是更为基础的物理现象机制） 。那么，为什么却表现为顺磁呢？这里，至关重要的是，必须同时考虑热运动的影响。在热平衡状态下，分子固有磁矩的空间取向遵循 Maxwell-Boltzmann 分布律。Langevin 根据这一统计规律计算了顺

22、磁体的磁化强度，导出了与 Curie 定律相符的磁化率公式。Langevin 的高明之处在于，既建立了明确的物理模型，又引入了分子运动论的统计规律。Langevin 的理论研究成果宣告了现代物理性学的诞生。下面介绍 Langevin 的本科毕业论文9 9顺磁性经典理论。加外磁场 H H 后，在热平衡状态下，顺磁体分子固有磁矩的空间取向遵0m循 Maxwell-Boltzmann 分布律。如 2 所示，处在方向立体角内的分子0md数为 （14）dkTECdn)exp(式中 k 为 Boltzmann 常量，E 为 H 与的相互作用能，0m （15） 00cosEmHm H 故 （16） 0cos

23、exp()m HdnCdkT 设单位体积中的总分子数为 N，则 （17）0cosexp()m HNCdkT 上式应在立体角内求积，于是有40cosexp()NCm HdkT 00cos2exp()sinNm HdkT （18）各分子的固有磁矩的空间取向对于 z 轴是对称的，故在垂直于的平0m0mH 面内的分量彼此抵消，只剩下 z 分量。于是，顺磁体单位体积内磁矩的总和为 0coszMMmdn 00coscos exp()m HCmdkT （19） H d0m图二本科毕业论文1010 000cos2cos exp()sinm HCmdkT 00000cosexp()sincoscosexp()s

24、inNmm HdkTm HdkT 令 cost （20） 0m HakT 则 11011atatte dtMNme dt 101ln()atNme dtt 0(ln)aadeeNmdta 01()aaaaeeNmeea定义 （2121）aeeeeaLaaaa1)(称为 Langevin 函数，则)(aL本科毕业论文1111 （22）0( )MNm L a 对于室温，则1a aaaaaaaaaaaaL1)621()621()21()21()(323222 2223262)1636(11322aaaaaaaaaa （2323）3a所以 001( )3MNm L aNm a 03NmHkT （24）

25、 顺磁体的磁化率为 （25） 03NmkT以上结果忽略了由于的进动而产生的抗磁效应。以上结果表明，顺磁体的磁化率与0m绝对温度 T 成反比，这正是 Curie 定律的结果。6.6.铁磁性与铁磁质铁磁性与铁磁质 铁磁质是一种性能特异、用途广泛的磁介质。铁、钴、镍及其许多合金以及含铁的氧化物（铁氧体）都属于铁磁质。学习铁磁质时，必须特别注意它与非铁磁质的区别。下面先从实验出发介绍铁磁质的磁化性能及其应用，然后粗略介绍形成这些独特性能的内在原因。6.1.6.1.铁磁质的磁化性能铁磁质的磁化性能本科毕业论文1212磁化性能（磁化规律）是指与之间的依从关系。由于MB (26)MBH0也可以说磁化性能是指

26、与之间的关系。利用的环路定理（注意它对铁磁MBH质仍成立） ，可知对环内铁磁质中各点有 （是传导电流的简写） (27)HnII0I（1）令开关 S 断开，螺绕环电流为零，铁磁质处于未磁化状态（） 。0BH这一状态由图中的原点 O 表示。BH（2）令电阻 R 取最大值并将关开掷于 1 方，安培计指示一个小电流，由式（26）知铁磁质内有一个小的值。测出对应的值,在图上得一点HBBHA（图 3）（3）调节 R 以逐增大，测出许多对、值，便可描出一条曲线，叫做起HHB始磁化曲线（6 图） 。这条曲线的显著特点是它的非直线性（简称非线性） ，这与非铁磁质显然不同。具体说来，增长较慢（“慢”和“快”指示曲

27、线BH的斜率，下同） ，如 OA 段；继而随迅速增长，如 AC 段，其后的增长又BHB趋缓慢，并且从某点 S 开始几乎不随增大而增大，曲线几乎成为与轴BHH平行的直线。我们说从 S 点开始磁化到达饱和。S 点的值叫做饱和磁场强度，H记作。sH（4）令从渐减为零，再次测出曲线（图 4 的 SR 段） ，发现与HsHBH起始磁化曲线不重合。这一事实说明，铁磁质与之间不存在单值关系，要BH知道某一值对应的值，必须知道它的磁化历史（原来的磁化情况） 。比较HB曲线 OS 段与 SR 段可知，虽然减小时也随之减小，但的减小“跟不上” HBB的减小。这种现象叫做磁滞（磁性滞后） 。磁滞的一个显著特点是当降至零H时并不降至零（图 4 中 R 点） ，说明铁磁质在没有传到电流时也可以有磁性，B这种磁性叫做剩磁。剩磁的程度可由剩余磁感应强度值（图中的 OR）描写。RB永磁体就是利用铁磁质有剩磁的特点制成的。没有剩磁现象就没有永磁铁。（5）将换向开关 S 改掷 2 方以改变电流（因而）的方向，并令从零HH