磁学

现代物理学分支学科名称

磁学(magnetism)，又称为铁磁学(ferromagnetism)，是现代物理学的一个重要分支。现代磁学是研究磁、磁场、磁材料、磁效应、磁现象及其实际应用的一门学科。

简介

磁学和电学有着直接的联系。经典磁学认为如同电荷一样，自然界中存在着独立的磁荷。相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。而现代磁学则认为环形电流元是磁极产生的根本原因，相同的磁极互相排斥，不同的磁极互相吸引。

独立的磁荷是不存在的。由于电子围绕原子核的运动，所有的物质都具有某种特别的磁学效应。但是在自然界，铁，镍，钴等材料表现了很强的磁特性，所以磁学又被称为铁磁学。

磁石应用

历史记载

我国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4世纪左右成书的《管子》中就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁的最早记载。类似的记载，在其后的《吕氏春秋》中也可以找到：“慈石召铁，或引之也”。东汉高诱在《吕氏春秋注》中谈到：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。在东汉以前的古籍中，一直将磁写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。

古代典籍

我国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如《史记·封禅书》说汉武帝命方士栾大用磁石做成的棋子“自相触击”；而《椎南万毕术》（西汉刘安）还有“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上则相拒不休”的详细记载。南北朝（512～518年）的《水经注》（郦道元）和另一本《三辅黄图》都有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门，“有隐甲怀刃入门”者就会被查出的记载。

《晋书·马隆传》的故事可供参考：相传3世纪时智勇双全的马隆在一次战役中，命士兵将大批磁石堆垒在一条狭窄的小路上。身穿铁甲的敌军个个都被磁石吸住，而马隆的兵将身穿犀甲，行动如常。敌军以为马隆的兵是神兵，故而大败（“夹道累磁石，贼负铁镗，行不得前，隆卒悉被犀甲，无所溜碍”）。古代，还常常将磁石用于医疗。《史记》中有用“五石散”内服治病的记载，磁石就是五石之一。晋代有用磁石吸出体内铁针的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳内，口含铁块，因而治愈耳聋。

磁石

磁石只能吸铁，而不能吸金、银、铜等其它金属，也早为我国古人所知。《淮南子》中有“慈石能吸铁，及其于铜则不通矣”，“慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”。

指向性

司南

在我国很早就发现了磁石的指向性，并制出了指向仪器司南。《鬼谷子》中有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。稍后的《韩非子》中有“故先王立司南，以端朝夕”的记载。东汉王充在《论衡》中记有“司南之杓（勺子），投之于地（中央光滑的地盘），其柢（勺的长柄）指南”。不言而喻，司南的指向性较差。北宋时曾公亮与丁度（990～1053）编撰的《武经总要》（1044年）在前集卷十五北宋曾公亮主编的《武经总要》中记载的指南鱼就是如此。其法是把薄铁片剪成鱼形，烧红后把尾部蘸入水中，使鱼尾指向正北方位，并且稍微向下倾斜，然后取出，鱼形薄铁片就被磁化，让它浮在水面，就成为可以指向的指南鱼。

磁性

这种利用地磁场进行磁化的方法，是一个非常了不起的发现和发明，包含有丰富的科学道理。近代科学表明，磁铁的磁性是由磁畴的规则排列形成的，非磁铁由于磁畴排列杂乱无章而不具磁性。鱼形薄铁片烧红以后，内部磁畴活动加剧，沿南北方向放置，可以在强大的地磁场作用下，使磁畴顺着地磁场的方向排列。蘸入水中，则可以使磁畴的规则排列比较快地固定下来。至于鱼尾稍微向下倾斜，是由于地球磁场的磁倾角作用，可以增大磁化的程度，这也反映了当时中国已经发现了地球的磁倾角。欧洲人用同样的方法进行人工磁化，比中国晚了四百多年，磁偏角的发现是哥伦布在航海探险中于1492年发现的，而磁倾角的发现则还要更晚一些时候。

古籍

我国古籍中，关于指南针的最早记载，主要的有如下几条：

《茔原总录》卷一说：客主的取，宜匡四正以无差，当取丙午针。于其正处，中而格之，取方直之正也。

意思是说，要定东西南北四正的方向，必须取丙午向的针，然后在丙、午的位置，“中而格之”，找出正南的方向。亦即让针指丙午中间的方向，则午向就是正南方向。《茔原总录》是一部相墓书，撰于宋仁宗庆历元年（1041年）。作者杨维德是当时的天文学家、星占学家和堪舆学家，大中祥符三年（1010年）左右任司天监保章正，专司占候变异。这条记载中所说的针，虽没有明确指出是什么针，但从字里行间可以断定是磁针无疑，说明当时已把磁针与罗经盘配套，作为定向的仪器，并且已发现了地球的磁偏角，定为正南偏东7.5度。

《梦溪笔谈》卷二十四说：方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也。水浮多荡摇，指爪及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬之，则针常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。

《梦溪笔谈》是北宋沈括所著，撰于公元1088—1095年间。这条记载明确指出指南针是方家（堪舆家）首先发明和使用的，用的是“磁石磨针锋”的人工磁化方法制成，并且记述了水浮、置指甲上、置碗唇上和悬丝等四种指南针的装置方法，以及各种方法的长处和缺陷，使人们对当时的指南针有较清晰的认识。文中所说的指南针“常微偏东”，说明沈括也已注意到磁偏角。

从上述材料中，我们可以看到，指南针在十一世纪时已是常用的定向仪器，有多种装置方法，并已由指南针发现了地球的磁偏角，从而也表明指南针至少已经行用了一段时期。由此可以推断，指南针至迟发明于十一世纪初期。如果把指南针的发明时代上溯到十世纪时的唐末或五代，也是不无根据的。如王伋（王赵卿，约十世纪末）曾留有“虚危之间针路明”的诗句；(10)佚名的《九天玄女青囊海角经》（约900年）中说：“今之象占，以正针天盘，格龙以缝针地盘”(11)等。这里所说的“针路”、“正针”、“缝针”等，极可能就是用指南针与罗经盘配套定向的术语。

南宋时，陈元靓在《事林广记》中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑，对于指南仪器这是在结构上的一次较大改进，为将指南针用于航海提供了方便条件。

航海

指南针用于航海的记录，最早见于宋代朱彧（yù）的《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。以后，关于指南针的记载极丰。到了明代，遂有郑和下西洋，远洋航行到非洲东海岸之壮举。西方“关于指南针航海的记载，是在1207年英国纳肯（A. Neckam，1157～1217）的《论器具》中。

经典磁学

法国物理学家库仑(Coulomb)于1785年确立了静电荷间相互作用力的规律——库仑定律之后，又对磁极进行了类似的实验后证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。这就是经典磁学理论。

在磁场的经典理论中，一个最基本的公式就是一个单独的没有任何尺寸大小的磁极在磁场中所受到的作用力的公式。但是和电场理论中的电荷的概念不一样，电场中的独立的正负电荷可以单独存在，而单独的正负磁极实际上是不存在的，磁极从来都是成对出现的。正负磁极一般称为磁北极和磁南极。为了避免这种理论上的困难，经典磁场理论认为一个非常细长的磁铁中的一个磁极则可以被近似地看着是一个单独的磁极。根据这样一个假设，从而可以得出一个单独的磁极在磁场中所受到的力和磁极本身的强度成正比，和磁极所在地点的磁场强度成正比的关系式。

现代磁学

电磁理论

经典磁场理论中，绝大多数的公式都是正确的，并且也一直沿用至今，但是在整个理论中最根本的问题是它采用了一个实际上并不存在的所谓单独的磁极的假设。这就是经典磁学理论中的所谓库伦方法的一个致命弱点。

丹麦物理学家奥斯特在1820年发现，一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转，显示出电流在其周围的空间产生了磁场，这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果。紧接着，法国物理学家安培等的实验和理论分析，阐明了载着电流的线圈所产生的磁场，以及电流线圈间相互作用着的磁力。通过应用电流元产生磁场的方法，磁场理论中的很多概念和电场理论中的很多概念十分相近。

安培同时提出，铁之所以显现强磁性是因为组成铁块的分子内存在着永恒的电流环，这种电流没有像导体中电流所受到的那种阻力，并且电流环可因外来磁场的作用而自由地改变方向。这种电流在后来的文献中被称为“安培电流”或分子电流。

洛伦兹公式

在电场和磁场的理论中，洛伦兹(Lorentz)公式具有非常重要的意义，这个公式给出了一个运动中的电荷在电场和磁场中所受到的力的大小和方向。

磁场和电场有很多的相似点，但是它们有着根本的差别。

磁学理论

现代磁学理论中的主要概念包括：　磁场强度，磁感应强度，磁通量，磁化强度，磁矩，磁化率系数，磁势，磁阻，磁导等等。

磁材料

除了古时已知道的磁铁矿和铁外，人们在两千多年中还没有发现其他具有强磁性的物质。发现钴(1733)和镍(1754)后不久就知道它们也像铁那样具有强磁性。至于一般的物质在较强磁场作用下能否多少表现一点磁性，则直到法拉第在老年时期才有系统的观察。英国工程师斯特金于1824年创制了电磁体，故那时实验室可有较强的磁场设备，但法拉第在需要高度稳定的磁场时仍用了大的永磁体。

法拉第测量了样品在不均匀磁场中被磁化时所受到的力，这个方法后来有了不少改进，至今仍广泛用于观测弱磁物质的磁化率，也用于观测铁等强磁物质的饱和磁化强度。

法拉第发现，一般的物质在较强磁场作用下都显示一定程度的磁性，只是除了极少数像铁那样的强磁性物质外，一般物质的磁化率的绝对值都是很小的。它们又可分为两类：一类物质的磁化率是负的，称之为抗磁性物质。这些物质在磁场中获得的磁矩方向与磁场方向相反，故在不均匀磁场中被推向磁场减弱的方向，即被磁场排斥；另一类物质的磁化率是正的，在不均匀磁场中被推向磁场增强的方向，即被磁场吸引，法拉第称它们为顺磁性物质。像铁那样强的磁性显然是特殊的，应另属一类，后来称为铁磁性。这样，在法拉第以后的近百年中，物质的磁性分三大类。

1895年，法国物理学家居里发表了他对三类物质的磁性的大量实验结果，他认为：抗磁体的磁化率不依赖于磁场强度且一般不依赖于温度；顺磁体的磁化率不依赖于磁场强度而与绝对温度成反比(这被称为居里定律)；铁在某一温度(后被称为居里点)以上失去其强磁性。

19世纪30年代初，法国物理学家奈耳从理论上预言了反铁磁性，并在若干化合物的宏观磁性方面获得了实验证据。1948年他又对若干铁和其他金属的混合氧化物的磁性与铁磁性的区别作了详细的阐释，并称这类磁性为亚铁磁性。于是就有了五大类磁性。从20世纪末至今又有些学者提出了几种磁性的新名称，但这些都属于铁磁性的分支。

法国物理学家朗之万于1905年提出了抗磁性和顺磁性的经典理论，但十多年后范列文证明，朗之万理论中的某些假设不合于经典统计力学原理，及至原子结构的量子论模型兴起后，朗氏的假设又成为可允许的。今天对这两种磁化率的粗浅理论公式已经过量子力学的改正，但还保留着朗之万理论的基本形式。

磁学内容

一个永磁体与另一个永磁体能够不接触而互相施加力，人们曾经称这样的现象为超距作用。近代的物理学家为了解释电荷之间的和永磁体之间的相互作用力引入了“场”的概念：在一个永磁体周围的空间中存在着一个磁场，使处于这空间中任何位置的另一个永磁体受到磁场所施加力的作用，同时第二个永磁体所产生的磁场也对第一个永磁体施加着反作用力。因为力是矢量，所以磁场是矢量场。许多实验事实都证明，磁场是真实的存在。

一块铁被一个永磁体吸一段时间以后，就被永磁体附近的较强的磁场所“磁化”，也成为一个永磁体了，有时也称磁化一个物体的作用力为“磁化力”。一般的铁块在从磁场较强的地方移到磁场很弱的地方就失掉其磁化了的状态称为“去磁”或“退磁”。容易磁化、也容易去磁的材料通称为软磁材料，成分近于纯铁的低碳钢就是一个例子；难于磁化、也不易去磁的材料通称为硬磁或永磁体材料，淬火了的、含碳和锰各约1%的铁就是最低级的硬磁材料。两个永磁体之间的相互作用也就是它们的磁极之间通过磁场的相互作用。

每一个永磁体都有两个性质不同的磁极，通常利用永磁体能指示南北方向，称指北的一极为N极，指南的一极为S极；同名极相斥，异名极相吸。

历史上曾把永磁体与带电物体相类比而设想磁极是由“磁荷”的分布形成的。不过，这完全是一种类比，实质上磁荷并不存在，而是作为一个等效物而引入的。磁极总是以异名的一对出现在同一磁体上，两个极从来不能分离而独立存在。把一条永磁棍截成两段，就会得到两个短一些的永磁棍，各段新形成的一端上出现一个与该段原有磁极异名的新磁极。

细而长的永磁棍的磁极与粗而短的永磁棍的相比，细永磁棍的磁场较为集中在棍端很小的区域内。对于距一个极足够远的点，该极近似于一个“点磁荷”。如果磁棍很长，两个极相距很远，则与被观察着的极比较，另一极所贡献的磁场可以被视为一小修正项。因此，用细长的永磁棍作样品，就可以对不同磁棍上的两个极的相互作用力进行精密的定量观测。

用细丝悬着的小永磁棍实质上是一个指南针。在四周没有磁性物体和电流的影响时，指南针的静止方位接近平行地理子午线，故有“指南”之称。地球两个磁极的中心各位于地理的南、北两极的附近。在静止位置，指南针北端的磁极称为“指北极”，简称“北极”，南端的为“指南极”，简称“南极”。按这定名法，在地理北极附近的地磁极是磁南极，而在地理南极附近的地磁极是磁北极。

磁针可以用于测定磁通量密度。在一磁场中，磁针在其平衡方向左右的小幅摆动(振荡)的周期是与磁通量的二次方根成反比的，故比较磁针分别在两个磁场中振荡的周期或频率即可求得两磁通量值之比。如磁针的磁矩和转动惯量是已知的，则可以一次测定磁通量的绝对值。

抗磁性的基本来源是电磁感应。电磁感应是法拉第的重大发现：围绕着随时间变化着的磁通量，有感应电动势(或即电场)产生，故能在导线电路中产生电流或在大块导体中产生涡流。这里感应电流所产生的磁场对感应起它们的磁场变化起着反抗作用，这就是楞次定律。

寻常导体中因有电阻，在稳恒磁场的建立过程中感应产生的电流很快被消耗掉，它们只有在瞬时，电磁感应对原子或分子内运动着的电子也有类似的作用。可见，一切物质都有一定的抗磁性，只因它很微弱，易被其他磁性所掩蔽。

显示抗磁性的物质的原子、离子或分子中的电子在基态都是成对的配合了的，它们的自旋磁矩和轨道磁矩各互相抵消。

超导电性材料在外磁场中被冷至其临界温度以下时，体内即产生电流，把体内磁通量全部排至体外，这就是迈斯纳效应。所以超导体也被称为完全的抗磁体。

顺磁性可粗分为强、弱和很弱三种，三者各有不同的来源。过渡金属，即周期表中铁、钯、稀土铂、铀等元素的化合物(主要是盐类)的晶体或溶液大多表现强顺磁性，其明显的特点是磁化率较强地依赖于温度。

铁磁性物质的最明显的特点是易于磁化，它的磁化率比强顺磁物质要高几个数量级，并随磁场强度而变。磁化强度有饱和现象，即在一定温度下达到某强度时有不再随磁场的增强而增的趋势。

铁磁材料在不很强的磁场范围的磁性观测一般不用法拉第、居里等方法而用感应法。现代化的振动样品磁强计等在原理上也属于感应法。

温度对铁磁性的影响很大。铁的强磁性随温度上升而减弱，这一转变温度时消失。这转变温度后来被称为居里温度或居里点。纯铁的居里点为1043K。

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