磁性的世界


自古以來,人們就知道磁力的存在以及磁鐵之間產生的吸引力或排斥力。但是,直到19世紀,隨著科學的進步,磁電之間的關係才變得明晰。

最初人們只知道鐵的磁性(鐵磁性),直到1820年,丹麥科學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特(Hans Christian Oersted)證明了電對指南針的影響,並在多年後發現了麥克斯韋方程所描述的東西。

磁場是什麼?

磁場是我們用來描述磁力在磁性物體周圍和內部的空間分佈的一種工具。

我們大多數人對日常磁性物體都有一定的熟悉,並認識到它們之間可能存在力。我們知道磁鐵有兩個磁極,根據兩個磁鐵的方向,可以有吸引(相反的磁極)或排斥(相似的磁極)。我們知道磁鐵周圍有一個延伸的區域。磁場描述了這個區域。

通常有兩種不同的方式來說明磁場:

磁場在數學上被描述為向量場。這個向量場可以直接繪製成一個網格上許多向量的集合。每個矢量都指向指南針所指向的方向,其長度取決於磁力的強度。[解釋圓規]將許多小圓規排列成網格狀,並將網格置於磁場中,可以說明這種技術。這裡唯一的區別是指南針並不表示磁場的強度。

圖1:條形磁鐵的矢量場圖。

表示向量場中包含的信息的另一種方法是使用場線。

磁場的特性:

  • 磁力線永不相交。
  • 磁場線自然地聚集在磁場最強的區域。這意味著,場強的強弱可以通過場強線的密度來表示。
  • 磁場線不會在任何地方開始或停止,它們總是形成閉合的環,並將在磁性材料內部繼續(儘管有時它們不是這樣畫的)。
  • 我們需要一種表示磁場方向的方法。這通常是通過在線條上畫箭頭來完成的。有時箭頭不畫出來,方向必須以其他方式表示。由於歷史原因,慣例是將一個地區標記為「北」,另一個地區標記為「南」,並僅從這些「極點」畫出磁場線。田地被認為是沿著從北到南的線。 「N」和「S」標籤通常放置在磁場源的兩端,儘管嚴格來說這是任意的,這些位置沒有什麼特殊之處。[解釋地球磁場]
  • 在現實世界中,電場線可以很容易地可視化。這通常是用鐵屑掉在磁性物體附近的表面來完成的。每一份文件就像一個有南極和北極的小磁鐵。由於相似的磁極相互排斥,這些磁芯自然地彼此分離。其結果是一種類似於磁場線的模式。雖然一般的模式總是相同的,但銼屑線的確切位置和密度取決於銼屑的下落方式、尺寸和磁性。

我們如何測量磁場?

因為磁場是一個矢量,我們需要測量兩個方面來描述它;力和方向。

方向很容易測量。我們可以使用與磁場方向一致的磁羅盤。自11世紀以來,磁羅盤就被用於導航(利用地球磁場)。

有趣的是,衡量力要困難得多。實用的磁力計直到19世紀才出現。大多數磁力儀的工作原理是利用電子在磁場中移動時所感受到的力。

自1988年在特殊層狀材料中發現巨磁電阻以來,小磁場的精確測量才得以應用。這一基礎物理學的發現很快被應用到用於在計算機中存儲數據的硬碟技術上。這導致數據存儲容量在短短幾年內就增加了一千倍。 2007年,阿爾伯特·費特和Grünberg因這一發現獲得了諾貝爾物理學獎。

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在單位制中,磁場的測量單位是特斯拉(符號T,以尼古拉·特斯拉命名)。特斯拉是根據電場作用於移動電荷的力來定義的。一台小型電冰箱磁鐵產生的磁場約為0.001 T,地球磁場約為10^{-5}T。另一種常用的單位是高斯(符號G)。之間的轉換是1T=10^4 G,空間,T,等於,10,開始上標,4,結束上標,空間,g,高斯經常使用,因為1特斯拉是一個非常大的場。

在方程中,磁場的大小用符號B表示。你也可以看到一個叫做磁場強度的量,它的符號是H。 B和H具有相同的單位,但H考慮了磁場受磁性材料的影響。

磁場的起源

每當電荷運動時就會產生磁場。當更多的電荷以更快的速度運動時,磁場的強度就會增加。

磁力和磁場是電磁力的一個方面,電磁力是自然界四種基本力之一。

我們有兩種基本的方法可以讓電荷處於運動狀態並產生有用的磁場:

我們使電流通過導線,例如把導線連接到電池上。當我們增加電流時,電場也成比例地增加。當我們離導線更遠時,我們所看到的磁場隨距離成比例地減小。這可以用安培定律來描述。

這裡叫做自由空間的磁導率

因為磁場是一個矢量,我們還需要知道它的方向。對於通過直線的常規電流,這可以用右手握定則找到。要使用這條規則,想像一下用右手抓住電線,大拇指指向電流的方向。手指顯示繞著導線的磁場的方向。

我們可以利用電子在原子核周圍運動這一事實。這就是永磁體的工作原理。根據我們的經驗,只有一些「特殊」材料可以製成磁鐵,而且有些磁鐵比其他的強得多。所以必須具備一些具體條件:

雖然原子通常有很多電子,但它們大多以這樣一種方式「成對」,即成對的整體磁場相互抵消。以這種方式成對的兩個電子稱為自旋相反。所以如果我們想讓某物具有磁性,我們需要原子有一個或多個自旋相同的未配對電子。例如,鐵是一種「特殊」材料,它有四個這樣的電子,因此很適合用來製造磁鐵。

  • 即使是一小塊材料也含有數十億個原子。如果它們都是隨機方向的,那麼無論材料有多少未配對的電子,整個場都會抵消掉。材料必須在室溫下足夠穩定,以允許建立一個整體的首選取向。如果它是永久的,那麼我們就有了一個永磁體,也叫鐵磁體
  • 有些材料只有在有外部磁場的情況下,才能變得足夠有序,具有磁性。外場使所有電子自旋向上排列,但一旦外場消失,這種排列就會消失。這些材料被稱為順磁體

冰箱門的金屬就是順磁性的一個例子。冰箱門本身是沒有磁性的,但是在冰箱門上放一塊磁鐵,冰箱門就像磁鐵一樣。然後兩者相互吸引,很容易就能把購物清單夾在中間。

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