固体物理关于物质磁性的调研论文

1、 固体物理关于固体磁性的调研论文 专业 核物理 年级 2011级 姓名 杨安波 学号 20114380115 授课老师 张振华 2014年 5 月 7 日 摘要： 本篇文章以描述生活中的磁现象入题，对磁现象用经典的语言解释磁是怎样产生的，并用经典思路加上数学语言计算了恒定电流产生的磁场。在计算中本文章大量采用了经典电磁学的模型如：无限长直流导线，圆形电流，无限长螺线管等。本篇文章对铁磁性做了近量子的解释，但由于作者能力限制可能解释有很大的缺陷，仅供鉴赏性阅读。关键词：固体磁性 铁磁性 量子化 比奥萨法尔定律 磁矩 电生磁引文 本文章主要参考了由梁灿彬组编，高等教育出版社的经典电磁学书籍，根据电

2、生磁的基本经典电磁理论，并借用了书中的经典恒定电流的多种经典模型计算了其由电所产生磁的大小。本篇文章还参考了维基百科中对于铁磁性的定义和原理描述，并做了一些自己的量子化思考。第一章 生活中的磁现象中国古代的罗盘 磁现象是我们熟知的一种自然现象，其最常见的表现为磁铁对铁物质的吸引。记得小时候也喜欢用磁铁来吸缝衣针之类的东西，其实人类虽然很早就认识到磁现象，只是在古代由于认识和技术的限制，人们只能对磁体的磁性做最简单的应用，但即使是最简单的应用对人类文明的发展却是意义重大的，比如中国的四大发明之一指南针，在中国古代叫做罗盘，罗盘在军事和航海上得到了非常的应用。但直到了现代，人们对磁现象的认识逐渐系

3、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。 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。在以前初高中的学习中我们了解到，磁铁总有两个磁极，一个是N极（北极），另一个是S极（南极）。为了更好的理解磁铁还人为画出磁感线，并规定磁铁外部磁感线从N极射出回到S极，在磁体内部磁感线从S极到N极由此形成闭合回路。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

4、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。 指南针磁体有着同名磁极相互吸引，异名磁极相互排斥的现象。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。古代中国人正是利用磁体的这个性质才发明了指南针。简单说下指南针的工作原理，事实上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，

5、磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近。在这里我们就会产生很多的疑问，为什么固体的磁性有这些现象或者说是性质既然固体的磁性对相应的物质有着吸引或排斥的作用，那就是他们之间肯定是受到了力的作用。那么它们之间的受力机制到底是怎样的过程呢，或者说我们如何来解释固体磁性呢？ 第二章 固体磁性的经典解释在上一章我们提出了如何解释固体磁性的问题，在本章中我们将对固体的磁性做出经典语言的解释。人们猜想磁磁铁可能会在其附近激发一个场叫磁场，并且磁铁对物体吸引和排斥都与此相关。在1831年8月，法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈 ，其一为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针，另一与电池组相连，接开关，形成有电

6、源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。紧接着他做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为 5 类 ：变化的电流 ， 变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第发现，在相同条件下不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。由此发现电生磁，所以我们是否可以假设物体的磁性是否与点相关呢？玻尔和他的原子模型那么我

7、们先来回顾一下电是怎么产生的呢？我们知道电荷的定向移动产生电流。物质由原子或分子构成，分子也是由原子构成，而由玻尔的原子模型，原子由原子核和核外电子构成，其中电子带负电，原子核带正电，它们的电量都是相等的，其电子和原子核所带的电就是物质电荷的来源，只要这些电荷定向运动就会形成电流。因此电流形成的根源是电荷，而电可以生磁，我们是否假设固体的磁性的原因是因为存在一种磁荷呢，由于慈荷在固体内部已不同形式或者不同状态就可以使固体表现出不同的磁性或者不同强弱的磁性。按此理论我们也可以认为磁体中存在两种类型的磁荷，它们按一定的分布使固体表现出相应的磁性。可以认为两种磁荷在表现出磁性的固体中分别分布在固体的

8、两端，这样可以解释为什么固体磁性分为S、N。固体内磁荷数量的多少来解释固体磁性的强弱。如果固体中真的存在磁荷那么固体的磁性解释起来就会变得非常的简单和直接，但是我们知道磁铁分为S、N两极，我们将一个条形磁铁分成两段，这两段磁铁还是分别有自己的S、N极。人们发现无论将磁铁的如何的微小，它仍然还是有S、N极，这让人们觉得磁荷与电荷不一样，磁荷总是成对出现而不能单独存在。安培的实验显示：两条平行导线当电流同向时相互吸引，反向时相互排斥。既然电流能表现出磁性，自然假设一切此现象都起因于电流，并假设任何物质分子中都存在闭合电流即安培分子电流，我们知道圆形电流激发的磁场满足右手定则，如下图安培假设物质内部

9、含有无穷多个分子电流，当这些分子电流在各项同性的情况下就会相互抵消彼此的磁性，如图一般的物质都没有磁性，因为物质内部的分子电流是稳态无序的排列，这样每个分子电流激发的磁场就会被其他分子电流所激发的磁场所抵消，从而使物体宏观无磁性。而本身就具有磁性的物质其内部分子电流排列是有序的，这样所有的分子电流都有共同的取向从而整个物体在宏观上就现现出了磁性。同样分子电流假说也可以解释物体磁化的问题，我们知道把一根小铁针靠近永磁体就会使小铁针拥有磁性。下面我们来用分子电流假说来解释这一现象。根据安培分子电流假说任何物质内部都含有无穷的分子电流，因此小铁针内部也有数不清的分子电流，在通常情况小铁针无磁性，也就

10、是说通常情况下小铁针内部分子电流的分布是杂乱无序的使得小铁针在整体上不显磁性。当小铁真靠近永磁体是小铁针在永磁体的外场中会使小铁针内部的分子电流发生偏转从而使它们朝共同的取向，这样小铁针内部分子电流所激发的磁场就不能再相互抵消了，从而使其在宏观上表现出磁性。第三章 磁的计算 经典电磁理论中恒定电流可以产生磁场，在恒定电流激发的磁场中可以用毕奥萨伐尔定律求得其激发的磁感应强度。静磁场中与点电荷对应是载有电流的元段称电流元，为了求得B我们可以先求得电流元dI所激发的磁场dB然后分别对其积分，即可求得恒定电流所激发的磁场，dI激发的dB为（国际单位制）： 1其中r是电流元Idl与场点p的距离，为常数

11、其值为4×10-7N/A2（N和A分别代表牛顿和安培），当公式中所有物理量都为国际单位的时候，B的单位为特斯拉英文符号为T。下面我们来求几种电流模型下的磁感应强度。1.直长载流导线的磁场2 我们可以先计算有限长载流直流导线的磁场B 由右手定则沿着Z轴正向的电流在如图所示的P点的磁感线方向是沿着轴的负向，由毕奥萨伐尔定律得dB=Id×r4r2 得 所以得：这是有限长直流导线所激发的磁场的磁感应强度，当为无限长直导线时即为1趋近0而2趋近，在此情况： =02r02圆形载流导线的磁场3现在我们来计算圆形载流导线（简称圆形电流）轴线上的磁场。真空中 , 半径为R 的载流导线 , 通

12、有电流I , 称圆电流. 求其轴线上一点 p 的磁感强度的方向和大小，如下图毕萨定律： 由上图对称性分析得B=X，在圆周上任意取一点C。以P点和OC确定的平面内，从C点到P点的矢量为r，必在此平面内。C点电流元dl垂直于该平面，因此也垂直于r，右下图： 由B=dsin，而而： 上式即为一个圆形电流所激发的磁场的磁感应强度，如果有N匝圆形电流则我们要将上面的结果乘上N即可，其结果如下：在X<0的方向上由右手螺旋关系的方向没有发生变化，当X=0时其磁感应强度为：当X>>R时磁感应强度为：3，载流螺线管轴线上的磁场4 我们已经计算了计算了无限长直导线和圆形线圈通以恒定电流时所激发的

13、磁场，现在我们来计算载流螺线管轴线上的磁场。均匀紧密地绕在圆柱面上的螺形线圈称为螺管如下图所示设螺线管的半径为R，导线电流为I，单位长度的匝数为n，现在我们来计算螺线管轴线上的磁感应强度B。螺线管是用一根绝缘细导线在圆柱形空管上密绕而成的。然而，只要导线足够细就可以近似采用“并排园电流”模型来简化计算，即认为空筒上套着许多互不联系的圆形电流，其电流值都为I，设单位长度上园电流个数为n，设p点为管内轴线的任意一点，以P点为原点在轴线上定义一维坐标，因此： dB=0R2.dI2（2+R2）3/2 而dI=Indx dB=0R2.Indx2（2+R2）3/2而x=Rcot，则dx=-（x2+R2）R

14、d，x2+R2=R2csc带入上面的公式得：当R<<l时：B0nI,因此在螺线管内当螺线管无限长时，管内磁场为匀强磁场。 第四章 铁磁性首先我们来回顾什么是铁磁性，铁磁性指的是一种材料的磁性状态，具有自发性的磁化现象5。各材料中以铁最广为人知，姑名为铁磁性。某些材料在外部磁场作用下而磁化后，即使外部磁场消失，其磁性依然能够保持在磁化状态下的状态即所谓的自发性磁化现象。所有的永久磁铁均具有或亚铁磁性。基本上铁磁性这个概念包括任何在没有外部磁场时显示磁性的物质，这个概念至今仍然有人在使用这个概念。但是通过对通过不同显示磁性物质极其磁性更深刻的认识，学者们对这个概念做了更深刻的定义，物质

15、的一个晶胞中所有的磁性离子均指向它磁性方向的时候才被称为是铁磁性的。如果晶胞中的磁性离子是杂乱无章的排列着，其每个磁性离子产生的磁场将会被其他磁性离子产生的磁场所抵消，这种现象叫做反铁磁性。但是如果磁性离子所产生的磁场不能全部抵消，则称为亚铁磁性。物质的铁磁性现象存在着一个温度，在此温度之上铁磁性会消失而变成顺磁性，在此温度之下铁磁性才能保持。对于铁磁性和亚铁磁性的物质，此温度叫做居里温度，但二者的居里温度还是有差别的，对于反铁磁性物质此温度被称为奈耳温度。磁铁与铁磁性物质之间的吸引是人类对磁性的最早认识。铁磁性原理6铁磁性的原理可由两个量子力学描述的现象成功的预测：自旋和泡利不相容原理。电子

16、的自旋加上其轨道角动量导致一个偶极子磁矩和形成一个磁场。在大多数物质中所有电子的总偶极磁矩为零。只有电子层不满的原子（电子不成对）可能在没有外部磁场的情况下表现一个净磁矩。铁磁性物质有许多这样的电子。假如它们排列在一起的话它们可以一起产生一个可观测得到的宏观场。这些偶极趋于指向外部磁场的方向。这个现象被称为顺磁性。铁磁性物质的偶极趋于在没有外部磁场的情况下也指向同一方向。这是一个量子力学现象。按照古典电磁学，两个临近的磁偶极趋于指向相反的方向，因此，它们的磁场会互相抗拒，互相抵销。但是，由于单独自旋产生的磁场很小，这效应很微弱，形成的排列很容易就会被热涨落摧毁。在有些物质里，由于一种称为交换相

17、互作用的特别量子力学效应，自旋与自旋彼此之间方向的改变，会导致临近电子静电排斥力的改变。在近距离，交换相互作用会比偶极-偶极磁相互作用强劲很多。因此，对于铁磁性物质，临近电子的自旋趋于指向同样的方向。根据包立不相容原理，两个自旋相同的电子不能占有同样的位置。因此，两个临近原子的位于最外电子层的不成对价电子，当它们的轨域相互重叠时，假若自旋方向相同（平行自旋），则电荷分布会比较分散，否则，电荷分布会比较集中。所以，促使自旋方向相同这动作会降低电势能，使得平行自旋态更为稳定。简言之，因库伦力而互相排斥的电子，借着平行自旋使得电荷分布更加分散，从而降低电势能。这能量差称为交换能（在长距离上（数千离子

18、）交换能的作用逐渐被经典偶极相对排列的趋势掩盖，这是在平衡（没有磁性的）情况下铁磁性物质的偶极总的来说不排列起来的原因。在没有磁性的铁磁性物质中其磁偶极被分割在外斯畴中。每个外斯畴内部短距离地磁偶极排列指向同一方向，但是在长距离上不同外斯畴的磁偶极的排列不一致。不同外斯畴之间的边界被称为畴壁，畴壁内原子之间的指向逐渐更改。因此一块铁一般没有磁性，或者其磁性非常弱。但是在一个足够强的外部磁场中，所有外斯畴会沿着这个磁场排列，在外部磁场消失后这些外斯畴会继续保存其同一的指向。这个磁场与外部磁场之间的关系由一条磁滞曲线描写。虽然这个排列整齐的外斯畴的能量不是最低的，但是它非常稳定。在海底的磁铁矿会上百万年地指向它形成时的地磁场方向。通过加热再在没有