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1、关于磁现象及其应用第一页，讲稿共四十二页哦n n磁是什么？一般提起磁，磁是什么？一般提起磁，有些人都觉得磁是较为少有些人都觉得磁是较为少见的，好象主要就是磁石见的，好象主要就是磁石或磁铁吸引铁，如磁铁吸或磁铁吸引铁，如磁铁吸引铁粉，和指南针指示南引铁粉，和指南针指示南北方向，而把一般物质北方向，而把一般物质称为无磁性或非磁性。称为无磁性或非磁性。情况真是这样吗？现代科学的发展已经表明这样的看法是不对的。现代科学研究和实际应用已经充分证实：任何物质都具有磁性，只是有的物质磁性强，有的物质磁性弱；任何空间都存在磁场，只是有的空间磁场高，有的空间磁场低。所以说包含物质磁性和空间磁场的磁现象是普遍存在
2、的。第二页，讲稿共四十二页哦n n我我我我们们们们的的的的生生生生活活活活每每每每时时时时每每每每刻刻刻刻都都都都和和和和磁磁磁磁性性性性有有有有关关关关。没没没没有有有有它它它它，我我我我们们们们就就就就无无无无法法法法看看看看电电电电视视视视、听听听听收音机、打电话；没有它，连夜晚甚至都是一片漆黑。收音机、打电话；没有它，连夜晚甚至都是一片漆黑。收音机、打电话；没有它，连夜晚甚至都是一片漆黑。收音机、打电话；没有它，连夜晚甚至都是一片漆黑。n n人人人人类类类类虽虽虽虽然然然然很很很很早早早早就就就就认认认认识识识识到到到到磁磁磁磁现现现现象象象象，但但但但直直直直到到到到了了了了现现现现
3、代代代代，人人人人们们们们对对对对磁磁磁磁现现现现象象象象的的的的认认认认识识识识才才才才逐逐逐逐渐渐渐渐系系系系统统统统化化化化，发发发发明明明明了了了了不不不不计计计计其其其其数数数数的的的的电电电电磁磁磁磁仪仪仪仪器器器器，象象象象电电电电话话话话、无无无无线线线线电电电电、发发发发电电电电机机机机、电电电电动动动动机机机机等等等等。如如如如今今今今，磁磁磁磁技技技技术术术术已已已已经经经经渗渗渗渗透透透透到到到到了了了了我我我我们们们们的的的的日日日日常常常常生生生生活活活活和和和和工工工工农农农农业业业业技技技技术术术术的的的的各各各各个个个个方方方方面面面面，我我我我们们们们已已已
4、已经经经经越越越越来来来来越离不开磁性材料的广泛应用。越离不开磁性材料的广泛应用。越离不开磁性材料的广泛应用。越离不开磁性材料的广泛应用。n n我我我我们们们们的的的的生生生生活活活活每每每每时时时时每每每每刻刻刻刻都都都都和和和和磁磁磁磁性性性性有有有有关关关关。没没没没有有有有它它它它，我我我我们们们们就就就就无无无无法法法法看看看看电电电电视视视视、听听听听收收收收音音音音机机机机、打打打打电电电电话话话话；没没没没有有有有它它它它，连连连连夜夜夜夜晚晚晚晚甚甚甚甚至至至至都都都都是是是是一一一一片片片片漆漆漆漆黑。黑。黑。黑。n n人人人人类类类类虽虽虽虽然然然然很很很很早早早早就就就
5、就认认认认识识识识到到到到磁磁磁磁现现现现象象象象，但但但但直直直直到到到到了了了了现现现现代代代代，人人人人们们们们对对对对磁磁磁磁现现现现象象象象的的的的认认认认识识识识才才才才逐逐逐逐渐渐渐渐系系系系统统统统化化化化，发发发发明明明明了了了了不不不不计计计计其其其其数数数数的的的的电电电电磁磁磁磁仪仪仪仪器器器器，象象象象电电电电话话话话、无无无无线线线线电电电电、发发发发电电电电机机机机、电电电电动动动动机机机机等等等等。如如如如今今今今，磁磁磁磁技技技技术术术术已已已已经经经经渗渗渗渗透透透透到到到到了了了了我我我我们们们们的的的的日日日日常常常常生生生生活活活活和和和和工工工工农农
6、农农业业业业技技技技术术术术的的的的各各各各个个个个方方方方面面面面，我我我我们们们们已已已已经经经经越越越越来来来来越越越越离离离离不不不不开开开开磁磁磁磁性性性性材材材材料料料料的的的的广广广广泛泛泛泛应应应应用。用。用。用。第三页，讲稿共四十二页哦磁铁的磁极磁铁的磁极由于物质的磁性既看不到，也摸不着，我们无法由于物质的磁性既看不到，也摸不着，我们无法由于物质的磁性既看不到，也摸不着，我们无法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）通过自己的五种感官（听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉）通过自己的五种感官（听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉）通过自己
7、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直接体会磁性的存在，但人们还是在实践中逐步揭开了直接体会磁性的存在，但人们还是在实践中逐步揭开了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。磁铁总有两个磁极，一个是其神秘面纱。磁铁总有两个磁极，一个是其神秘面纱。磁铁总有两个磁极，一个是其神秘面纱。磁铁总有两个磁极，一个是N极，另一个极，另一个极，另一个极，另一个是是是是S S极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了两极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了两极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了两极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了
8、两块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小，它总是有小，它总是有小，它总是有小，它总是有NN极和极和S S极，也就是说极，也就是说NN极和极和极和极和S S极总是成极总是成极总是成极总是成对出现，无法让一块磁铁只有对出现，无法让一块磁铁只有对出现，无法让一块磁铁只有对出现，无法让一块磁铁只有NN极或只有极或只有极或只有极或只有S S极。极。极。极。第四页，讲稿共四十二页哦 磁磁极极之之间间有有相相互互作作用用，即即同同性性相相斥斥、异异性性相相吸吸。
9、也也就就是是说说，N N极极和和S极极靠靠近近时时回回相相互互吸吸引引，而而N N极极和和N N极极靠靠近近时时回回互互相相排排斥斥。知知道道了了这这一一点点，我我们们就就明明白白了了为为什什么么指指南南针针会会自自动动指指示示方方向向。原原来来，地地球球就就是是一一块块巨巨大大的的磁磁铁铁，它它的的N N极在地理的南极附近，而S 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极极就就会会和和地地球球的的S极互相吸引，磁铁的S S极极和和地地球球的的N N极互相吸引，使得磁铁方向转动，直到磁铁的N N极极和和S S极极分分别别指指向向地地球
10、球的的S S极极和和N N极极为为止止。这这时时，磁磁铁铁的的N N极极所所指指示示的的方方向向就就是是地地理理的北极附近。的北极附近。第五页，讲稿共四十二页哦一、物质磁性的起源n n如果磁是电磁以太涡旋，一个磁铁，没看到任何电磁以太的涡旋，为什么会有磁性？我们的回答是：物质的磁性起源于原子中电子的运动，电子的运动会产生一个电磁以太的涡旋。第六页，讲稿共四十二页哦n n什么是磁性？简单说来，磁性什么是磁性？简单说来，磁性是物质放在不均匀的磁场中会是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。在相同的不受到磁力的作用。在相同的不均匀磁场中，由单位质量的物均匀磁场中，由单位质量的物质所受到的磁力方向和
11、强度，质所受到的磁力方向和强度，来确定物质磁性的强弱。因为来确定物质磁性的强弱。因为任何物质都具有磁性，所以任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何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用。到磁力的作用。磁天平仪第七页，讲稿共四十二页哦磁性的来源物物质质的的磁磁性性来来自自构构成成物物质质的的原原子子，原原子子的的磁磁性性又又主主要要来来自自原原子子中中的的电电子。那么电子的磁性又是怎样的呢？子。那么电子的磁性又是怎样的呢？从科学研究已经知道，原子中电子的磁性有两个来源。从科学研究已经知道，原子中电子的磁性有两个来源。一一个个来来源源是是电电子子本本身身具具有有自自旋旋，因因而而能
12、能产产生生自自旋旋磁磁性性，称称为为自自旋旋磁磁矩矩；另另一一个个来来源源是是原原子子中中电电子子绕绕原原子子核核作作轨轨道道运运动动时时也也能能产产生生轨轨道道磁磁性性，称称为为轨轨道道磁磁性。性。物物质质是是由由原原子子组组成成的的，而而原原子子又又是是由由原原子子核核和和位位于于原原子子核核外外的的电电子子组组成成的的。原原子子核核好好象象太太阳阳，而而核核外外电电子子就就仿仿佛佛是是围围绕绕太太阳阳运运转转的的行行星星。另另外外，电电子子除除了了绕绕着着原原子子核核公公转转以以外外，自自己己还还有有自自转转（叫叫做做自自旋旋），跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的跟地球的情况差不
13、多。一个原子就象一个小小的“太阳系太阳系”）。）。另另外外，如如果果一一个个原原子子的的核核外外电电子子数数量量多多，那那么么电电子子会会分分层层，每每一一层层有有不不同同数数量量的的电电子子。第第一一层层为为 1s1s，第第二二层层有有两两个个亚亚层层 2s2s和和 2p2p，第第三三层层有有三三个个亚亚层层 3s3s、3p3p和和 3d3d，依依此此类类推推。如如果果不不分分层层，这这么么多多的的电电子子混混乱地绕原子核公转，是不是要撞到一起呢？乱地绕原子核公转，是不是要撞到一起呢？第八页，讲稿共四十二页哦n n在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。电子在原子中，核外电子带有负电荷
14、，是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有具有 NN极和极和 SS极。也就是说，电子就好象很多小小的磁极。也就是说，电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上类似于电流产生磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况。场的情况。n n既然电子的自转会使它成为小磁铁，那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢？当然不是。如果是的话，岂不是所有的物质都有磁性了？为什么只有少数物质（象铁、钴、镍等）才具有磁性呢？第九页，讲稿共四十二页哦n n原来，电子的自转方向总共原来，电子的自转
15、方向总共有上下两种。在一些数物质有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多，它转的电子数目一样多，它们产生的磁极会互相抵消，们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体整个原子，以至于整个物体对外没有磁性。而对于大多对外没有磁性。而对于大多数自转方向不同的电子数目数自转方向不同的电子数目不同的情况来说，虽然这些不同的情况来说，虽然这些电子所磁矩不能相互抵消，电子所磁矩不能相互抵消，导致整个原子具有一定的总导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之磁矩。但是这些原子磁矩之间没有相互作用，它们是混间没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物
16、体没乱排列的，所以整个物体没有强磁性。有强磁性。向上与向下自转的电子数相等第十页，讲稿共四十二页哦只只有有少少数数物物质质（例例如如铁铁、钴钴、镍镍），它它们们的的原原子子内内部部电电子子在在不不同同自自转转方方向向上上的的数数量量不不一一样样，这这样样，在在自自转转相相反反的的电电子子磁磁极极互互相相抵抵消消以以后后，还还剩剩余余一一部部分分电电子子的的磁磁矩矩没没有有被被抵抵消消。这样，整个原子具有总的磁矩。这样，整个原子具有总的磁矩。同同时时，由由于于一一种种被被称称为为“交交换换作作用用”的的机机理理，这这些些原原子子磁磁矩矩之之间间被被整整齐齐地地排排列列起起来来，整整个个物物体体也
17、也就就有有了了磁磁性性。当当剩剩余余的的电电子子数数量量不不同同时时，物物体体显显示示的的磁磁性性强强弱弱也也不不同同。例例如如，铁铁的的原原子子中中没没有有被被抵抵消消的的电电子子磁磁极极数数最最多多，原原子子的的总总剩剩余余磁磁性性最最强强。而而镍镍原原子子中中自自转转没没有有被被抵抵消消的的电电子子数数量量很很少少，所所有有它它的的磁磁性性比比较弱。较弱。向上与向下自转的电子数不相等第十一页，讲稿共四十二页哦 早早在在18201820年年，丹丹麦麦科科学学家家奥奥斯斯特特就就发发现现了了电电流流的的磁磁效效应应，第第一一次次揭揭示示了了磁磁与与电电存存在在着着联系，从而把电学和磁学联系起
18、来。联系，从而把电学和磁学联系起来。第十二页，讲稿共四十二页哦安培分子电流假说n n为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体。当物质为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体。当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不显磁性。在外磁场作用下，等效于基元磁整个物
19、体不显磁性。在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使物体显示磁性。物体显示磁性。第十三页，讲稿共四十二页哦安培简介n n安德烈安德烈玛丽玛丽 安培（安培（安培（安培（Andr-Andr-Marie AmpreMarie Ampre，1775年年18361836年）年）年）年），法国物理学家，在电，法国物理学家，在电磁作用方面的研究成就卓著，对磁作用方面的研究成就卓著，对数学数学和和化学化学也有贡献。电流的国也有贡献。电流的国际单位际单位安培安培即以其姓氏命名即以其姓氏命名。第十四页，讲稿共四十二页哦 安培最主要的成
20、就是18201827年对电磁作用的研究。1820年7月，H.C.奥斯特发表关于电流磁效应的论文后，安培报告了他的实验结果：通电的线圈与磁铁相似；9月25日，他报告了两根载流导线存在相互影响，相同方向的平行电流彼此相吸，相反方向的平行电流彼此相斥；对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。通过一系列经典的和简单的实验，他认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。他提出分子电流假说。在科学高度发展的今天，安培的分子电流假说有了实在的内容，已成为认识物质磁性的重要依据。为了进一步说明电流之间的相互作用，18211825年，安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验，并根据这四个
21、实验导出两个电流元之间的相互作用力公式。1827年，安培将他的电磁现象的研究综合在电电动动力力学学现现象象的的数数学学理理论论一书中，这是电磁学史上一部重要的经典论著，对以后电磁学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学上的杰出贡献，电流的单位安培是以他的姓氏命名的。第十五页，讲稿共四十二页哦磁电联系n n磁现象和电现象有本质的联系。物质的磁性和电子的运磁现象和电现象有本质的联系。物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系。乌伦贝克与哥德斯密特最先提动结构有着密切的关系。乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他们认
22、为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子们认为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子核运转，相应有轨道角动量和轨道磁矩，另一方面又绕核运转，相应有轨道角动量和轨道磁矩，另一方面又绕本身轴线自转，具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。施本身轴线自转，具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。施特恩特恩-盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩。（现在人们认为把电子自旋看成是小球绕自旋磁矩。（现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。）本身轴线的转动是不正确的。）第十六页，讲稿共四十二页哦n n电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动
23、都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性，人们常用磁矩来描述磁性。因此电子具有磁矩，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用。因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子。是原子磁矩的单位，。因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，故倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计。原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计。第十七页，讲稿共四十二页哦n n孤立原子的磁矩决定于
24、原子的结构。原子中如果有未被填满孤立原子的磁矩决定于原子的结构。原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永永久磁矩久磁矩”。例如，铁原子的原子序数为。例如，铁原子的原子序数为2626，共有，共有2626个电子，个电子，在在5 5个轨道中除了有一条轨道必须填入个轨道中除了有一条轨道必须填入2 2个电子（自旋个电子（自旋反平行）外，其余反平行）外，其余4 4个轨道均只有一个电子，且这些电子个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁矩为的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁矩为44。第十八页，讲稿共四十
25、二页哦二、物质磁性的分类1顺磁性顺磁性 2铁磁性铁磁性3反铁磁性反铁磁性4抗磁性抗磁性 第十九页，讲稿共四十二页哦n n世界上的物质究竟有多少种磁性呢？世界上的物质究竟有多少种磁性呢？n n一般说来，物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性，再根据磁性一般说来，物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性，再根据磁性的不同特点，弱磁性又分为抗磁性、顺磁性和反铁磁性，强磁的不同特点，弱磁性又分为抗磁性、顺磁性和反铁磁性，强磁性又分为铁磁性和亚铁磁性。性又分为铁磁性和亚铁磁性。n n这些都是宏观物质的原子中的电子产生的磁性，原子中的原这些都是宏观物质的原子中的电子产生的磁性，原子中的原子核也具有磁性，称为核磁性。但是
26、核磁性只有电子磁性的子核也具有磁性，称为核磁性。但是核磁性只有电子磁性的约千分之一或更低，故一般讲物质磁性和原子磁性都主要考约千分之一或更低，故一般讲物质磁性和原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性。虑原子中的电子磁性。n n原子核的磁性很低是由于原子核的质量远高于电子的质量，而且原子原子核的磁性很低是由于原子核的质量远高于电子的质量，而且原子核磁性在一定条件下仍有着重要的应用，例如现在医学上应用的核磁核磁性在一定条件下仍有着重要的应用，例如现在医学上应用的核磁共振成像共振成像(也常称磁共振也常称磁共振 CTCT，CTCT是计算机化层析成像的英文是计算机化层析成像的英文名词的缩写名词的缩写)，便是
27、应用氢原子核的磁性。，便是应用氢原子核的磁性。第二十页，讲稿共四十二页哦抗磁性n n当磁化强度MM为负时，固体表现为抗磁性。为负时，固体表现为抗磁性。BiBi、CuCu、AgAg、AuAu等金属具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了等金属具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M。抗。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现
28、轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率H H一一般约为般约为-10-5-10-5，为负值。第二十一页，讲稿共四十二页哦顺磁性n n顺顺磁磁性性物物质质的的主主要要特特征征是是，不不论论外外加加磁磁场场是是否否存存在在，原原子子内内部部存存在在永永久久磁磁矩矩。但但在在无无外外加加磁磁场场时时，由由于于顺顺磁磁物物质质的的原原子子做做无无规规则则的的热热振振动动，宏宏观观看看来来，没没有有磁磁性性；在在外外加加磁磁
29、场场作作用用下下，每每个个原原子子磁磁矩矩比比较较规规则则地地取取向向，物物质质显显示示极极弱弱的的磁磁性性。磁磁化化强强度度与与外外磁磁场场方方向向一一致致，为为正正，而而且且严严格格地地与与外外磁磁场场H H成正比。成正比。n n顺顺磁磁性性物物质质的的磁磁性性除除了了与与H H有有关关外外，还还依依赖赖于于温温度度。其其磁磁化化率率H H与绝对温度与绝对温度T T成反比。成反比。n n顺顺磁磁性性物物质质的的磁磁化化率率一一般般也也很很小小，室室温温下下H H约约为为10-510-5。一一般般含含有有奇奇数数个个电电子子的的原原子子或或分分子子，电电子子未未填填满满壳壳层层的的原原子子或
30、或离离子子，如如过过渡渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。第二十二页，讲稿共四十二页哦铁磁性n n对对诸诸如如FeFe、CoCo、NiNi等等物物质质，在在室室温温下下磁磁化化率率可可达达10-310-3数数量量级级，称称这这类类物质的磁性为铁磁性。物质的磁性为铁磁性。n n铁铁磁磁性性物物质质即即使使在在较较弱弱的的磁磁场场内内，也也可可得得到到极极高高的的磁磁化化强强度度，而而且且当当外外磁磁场场移移去去后后，仍仍可可保保留留极极强强的的磁磁性性。其其磁磁化化率率为为正正值值，但但当外场增大时，由于磁化强度迅
31、速达到饱和，其当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和，其H H变小。变小。n n铁铁磁磁性性物物质质具具有有很很强强的的磁磁性性，主主要要起起因因于于它它们们具具有有很很强强的的内内部部交交换换场场。铁铁磁磁物物质质的的交交换换能能为为正正值值，而而且且较较大大，使使得得相相邻邻原原子子的的磁磁矩矩平平行行取取向向（相相应应于于稳稳定定状状态态），在在物物质质内内部部形形成成许许多多小小区区域域磁磁畴畴。每每个个磁磁畴畴大大约约有有10151015个个原原子子。这这些些原原子子的的磁磁矩矩沿沿同同一一方方向向排排列列，假假设设晶晶体体内内部部存存在在很很强强的的称称为为“分分子子场场”的的内内
32、场场，“分分子子场场”足足以以使使每每个个磁磁畴畴自自动动磁磁化化达达饱饱和和状状态态。这这种种自自生生的的磁磁化化强强度度叫叫自自发发磁磁化化强强度度。由由于于它它的的存存在在，铁铁磁磁物物质质能能在在弱弱磁磁场场下下强强列列地地磁磁化化。因因此此自自发发磁磁化化是是铁铁磁磁物物质质的的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。n n铁铁磁磁体体的的铁铁磁磁性性只只在在某某一一温温度度以以下下才才表表现现出出来来，超超过过这这一一温温度度，由由于于物物质质内内部部热热骚骚动动破破坏坏电电子子自自旋旋磁磁矩矩的的平平行行取取向向，因因而而自自发发磁
33、磁化化强强度度变变为为0 0，铁铁磁磁性性消消失失。这这一一温温度度称称为为居居里里点点。在在居居里里点点以以上上，材材料料表表现现为为强强顺顺磁磁性，其磁化率与温度的关系服从居里性，其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律。外斯定律。第二十三页，讲稿共四十二页哦反铁磁性n n反反铁铁磁磁性性是是指指由由于于电电子子自自旋旋反反向向平平行行排排列列。在在同同一一子子晶晶格格中中有有自自发发磁磁化化强强度度，电电子子磁磁矩矩是是同同向向排排列列的的；在在不不同同子子晶晶格格中中，电电子子磁磁矩矩反反向向排排列列。两两个个子子晶晶格格中中自自发发磁磁化化强强度度大大小小相相同同，方方向向相相反反，整整
34、个个晶晶体体。反铁磁性物质大都是非金属化合物。反铁磁性物质大都是非金属化合物。n n 不不论论在在什什么么温温度度下下，都都不不能能观观察察到到反反铁铁磁磁性性物物质质的的任任何何自自发发磁磁化化现现象象，因因此此其其宏宏观观特特性性是是顺顺磁磁性性的的，MM与与H H处处于于同同一一方方向向，磁磁化化率率 为为正正值值。温温度度很很高高时时，极极小小；温温度度降降低低，逐逐渐渐增增大大。在在一一定定温温度度 时时，达达最最大大值值。称称 为为反反铁铁磁磁性性物物质质的的居居里里点点或或尼尼尔尔点点。对对尼尼尔尔点点存存在在 的的解解释释是是：在在极极低低温温度度下下，由由于于相相邻邻原原子子
35、的的自自旋旋完完全全反反向向，其其磁磁矩矩几几乎乎完完全全抵抵消消，故故磁磁化化率率 几几乎乎接接近近于于0 0。当当温温度度上上升升时时，使使自自旋旋反反向向的的作作用用减减弱弱，增增加加。当当温温度度升升至至尼尼尔尔点点以以上上时时，热热骚骚动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。第二十四页，讲稿共四十二页哦n n怎样表示物质磁性的强弱呢？为什么吸铁石并没有接触钢铁就怎样表示物质磁性的强弱呢？为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它？可以吸引它？n n在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让
36、它们的 SS极相对。纸极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象？板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象？n n铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。其中，铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。其中，NN极和极和 SS极极之间的曲线是连续的，也就是说曲线从之间的曲线是连续的，也就是说曲线从 NN极直至极直至 SS极。而极。而 SS极和极和 SS极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。这种现象说明，磁铁的磁极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。这种现象说明，磁铁的磁极之间存在某种联系。极之间存在某种联系。n n因此，我们可以假想，在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间
37、因此，我们可以假想，在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从 NN极出极出发，最终进入发，最终进入 SS极。这样，只要有磁极存在，它就向空间不断地发出磁极。这样，只要有磁极存在，它就向空间不断地发出磁力线，而且离磁极近的地方磁力线密，而远处磁力线稀疏。铁粉末的排力线，而且离磁极近的地方磁力线密，而远处磁力线稀疏。铁粉末的排列形状就是磁力线的走向。列形状就是磁力线的走向。第二十五页，讲稿共四十二页哦n n有有了了磁磁力力线线，我我们们就就可可以以很很方方便便地地描描述述磁磁铁铁之之间
38、间的的相相互互作作用用。但但是是必必须须明明白白，磁磁力力线线是是我我们们为为了了理理解解方方便便而而假假想想的的，实实际际上上并并不不存存在在。在在磁磁极极周周围围的的空空间间中中真真正正存存在在的的不不是是磁磁力力线线，而而是是一一种种场场，我我们们称称之之为为磁磁场场。磁磁性性物物质质的的相相互互吸吸引引等等就就是是通通过过磁磁场场进进行行的的。我我们们知知道道，物物质质之之间间存存在在万万有有引引力力，它它是是一一种引力场。种引力场。n n磁磁场场与与之之类类似似，是是一一种种布布满满磁磁极极周周围围空空间间的的场场。磁磁场场的的强强弱弱可可以以用用假假想想的的磁磁力力线线数数量量来来
39、表表示示，磁磁力力线线密密的的地地方方磁磁场场强强，磁磁力力线线疏疏的的地地方方磁磁场场弱弱。单单位位截截面面上上穿穿过过的的磁磁力力线线数数目目称称为为磁通量密度。磁通量密度。第二十六页，讲稿共四十二页哦n n运动的带电粒子在磁场中会受到一种称为洛仑兹运动的带电粒子在磁场中会受到一种称为洛仑兹(Lorentz)(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。是测量脉冲强磁场的磁通密度的特斯拉磁强计，简称特斯拉计。特斯拉是磁通密度的国际单位制单位。磁通密度是描述磁场的基本物理量，而磁场强度是描述磁场的辅助量。特斯拉(Tesla(Tesla，N)(1
40、8861943)是克罗地亚裔美国电机工程师，曾发明变压器和交流是克罗地亚裔美国电机工程师，曾发明变压器和交流电动机。电动机。n n物质的磁性不但是普遍存在的，而且是多种多样的，并因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，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。磁性。第二十七页，讲稿共四十二页哦磁现象的应用磁现象的应用1
41、生物界和医学界的磁应用生物界和医学界的磁应用 2天文、地质、考古和采矿等领域的磁应用天文、地质、考古和采矿等领域的磁应用3军事领域的磁应用军事领域的磁应用4在传统工业中的应用在传统工业中的应用第二十八页，讲稿共四十二页哦传统工业n n磁性材料已经在传统工业的各个方面得到了广泛应用。例如，如果没有磁性材料，电气化就成为不可能，因为发电要用到发电机、输电要用到变压器、电力机械要用到电动机、电话机、收音机和电视机中要用到扬声器。众多仪器仪表都要用到磁钢线圈结构。第二十九页，讲稿共四十二页哦生物界和医学界生物界和医学界n n信鸽爱好者都知道，如果把鸽子放飞信鸽爱好者都知道，如果把鸽子放飞到数百公里以外
42、，它们还会自动归巢。到数百公里以外，它们还会自动归巢。鸽子为什么有这么好的认家本领呢？鸽子为什么有这么好的认家本领呢？原来，鸽子对地球的磁场很敏感，它原来，鸽子对地球的磁场很敏感，它们可以利用地球磁场的变化找到自己们可以利用地球磁场的变化找到自己的家。如果在鸽子的头部绑上一块磁的家。如果在鸽子的头部绑上一块磁铁，鸽子就会迷航。如果鸽子飞过无铁，鸽子就会迷航。如果鸽子飞过无线电发射塔，强大的电磁波干扰也会线电发射塔，强大的电磁波干扰也会使它们迷失方向。使它们迷失方向。第三十页，讲稿共四十二页哦n n在医学上，利用核磁共振可以诊断人体在医学上，利用核磁共振可以诊断人体异常组织，判断疾病，这就是我们
43、比较异常组织，判断疾病，这就是我们比较熟悉的核磁共振成像技术，其基本原理熟悉的核磁共振成像技术，其基本原理如下：原子核带有正电，并进行自旋运如下：原子核带有正电，并进行自旋运动。通常情况下，原子核自旋轴的排列动。通常情况下，原子核自旋轴的排列是无规律的，但将其置于外加磁场中时，是无规律的，但将其置于外加磁场中时，核自旋空间取向从无序向有序过渡。自核自旋空间取向从无序向有序过渡。自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系旋系统的磁化矢量由零逐渐增长，当系统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。统达到平衡时，磁化强度达到稳定值。如果此时核自旋系统受到外界作用，如如果此时核自旋系统受到外界作用，如一定频率的射频
44、激发原子核即可引起共一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。在射频脉冲停止后，自旋系统振效应。在射频脉冲停止后，自旋系统已激化的原子核，不能维持这种状态，已激化的原子核，不能维持这种状态，将回复到磁场中原来的排列状态，同时将回复到磁场中原来的排列状态，同时释放出微弱的能量，成为射电信号，把释放出微弱的能量，成为射电信号，把这许多信号检出，并使之时进行空间分这许多信号检出，并使之时进行空间分辨，就得到运动中原子核分布图像。辨，就得到运动中原子核分布图像。第三十一页，讲稿共四十二页哦n n磁共振的特点是流动液体不产生信号称为流动效应或磁共振的特点是流动液体不产生信号称为流动效应或流动空白效应。因
45、此血管是灰白色管状结构，而血液流动空白效应。因此血管是灰白色管状结构，而血液为无信号的黑色。这样使血管很容易软组织分开。正为无信号的黑色。这样使血管很容易软组织分开。正常脊髓周围有脑脊液包围，脑脊液为黑色的，并有白常脊髓周围有脑脊液包围，脑脊液为黑色的，并有白色的硬膜为脂肪所衬托，使脊髓显示为白色的强信号色的硬膜为脂肪所衬托，使脊髓显示为白色的强信号结构。核磁共振已应用于全身各系统的成像诊断。效结构。核磁共振已应用于全身各系统的成像诊断。效果最佳的是颅脑，及其脊髓、心脏大血管、关节骨骼、果最佳的是颅脑，及其脊髓、心脏大血管、关节骨骼、软组织及盆腔等。对心血管疾病不但可以观察各腔室、软组织及盆腔
46、等。对心血管疾病不但可以观察各腔室、大血管及瓣膜的解剖变化，而且可作心室分析，进行大血管及瓣膜的解剖变化，而且可作心室分析，进行定性及半定量的诊断，可作多个切面图，空间分辨率定性及半定量的诊断，可作多个切面图，空间分辨率高，显示心脏及病变全貌，及其与周围结构的关系，高，显示心脏及病变全貌，及其与周围结构的关系，优于其他优于其他 XX线成像、二维超声、核素及线成像、二维超声、核素及 CTCT检查。检查。第三十二页，讲稿共四十二页哦n n磁不仅可以诊断，而且能够帮助治疗磁不仅可以诊断，而且能够帮助治疗疾病。磁石是古老中医的一味药材。疾病。磁石是古老中医的一味药材。现在，人们利用血液中不同成分的磁现
47、在，人们利用血液中不同成分的磁性差别来分离红细胞和白细胞。另外，性差别来分离红细胞和白细胞。另外，磁场与人体经络的相互作用可以实现磁场与人体经络的相互作用可以实现磁疗，在治疗多种疾病方面有独到的磁疗，在治疗多种疾病方面有独到的作用，已经有磁疗枕、磁疗腰带等应作用，已经有磁疗枕、磁疗腰带等应用。用磁铁作成的除铁器可以去除面用。用磁铁作成的除铁器可以去除面粉等中可能存在的铁末，磁化水可以粉等中可能存在的铁末，磁化水可以防止锅炉结垢，磁化种子可以在一定防止锅炉结垢，磁化种子可以在一定程度上使农作物增产。程度上使农作物增产。第三十三页，讲稿共四十二页哦天文、地质、考古和采矿等领域n n我们已经知道，地
48、球是一块巨大的磁铁，那么，它的磁性来自何处？它是自古就有的吗？它和地质状况有什么联系？宇宙中的磁场又是如何的？第三十四页，讲稿共四十二页哦n n我国自古代就有了北极光的记我国自古代就有了北极光的记载。北极光实际上是太阳风中载。北极光实际上是太阳风中的粒子和地磁场相互作用的结的粒子和地磁场相互作用的结果。太阳风是由太阳发出的高果。太阳风是由太阳发出的高能带电粒子流。当它们到达地能带电粒子流。当它们到达地球时，与地磁场发生相互作用，球时，与地磁场发生相互作用，就好象带电流的导线在磁场中就好象带电流的导线在磁场中受力一样，使得这些粒子向南受力一样，使得这些粒子向南北极运动和聚集，并且和地球北极运动和
49、聚集，并且和地球高空的稀薄气体相碰撞，结果高空的稀薄气体相碰撞，结果使气体分子受激发，从而发光。使气体分子受激发，从而发光。第三十五页，讲稿共四十二页哦n n太阳黑子是太阳上磁场活动非常剧烈的区域。太阳黑子的爆发对我们的生活会产生影响，例如使得无线电通信暂时中断等。因此，研究太阳黑子对我们有重要意义。第三十六页，讲稿共四十二页哦n n地磁的变化可以用来勘探矿床。由于所有物质均具有或强或弱的磁性，如果它们聚集在一起，形成矿床，那么必然对附近区域的地磁场产生干扰，使得地磁场出现异常情况。根据这一点，可以在陆地、海洋或者空中测量大地的磁性，获得地磁图，对地磁图上磁场异常的区域进行分析和进一步勘探，往
50、往可以发现未知的矿藏或者特殊的地质构造。n n不同地质年代的岩石往往具有不同的磁性。因此，可以根据岩石的磁性辅助判断地质年代的变化以及地壳变动。第三十七页，讲稿共四十二页哦n n很多矿藏资源都是共生的，也就是说好几种矿物质混合很多矿藏资源都是共生的，也就是说好几种矿物质混合的一起，它们具有不同的磁性。利用这个特点，人们开的一起，它们具有不同的磁性。利用这个特点，人们开发了磁选机，利用不同成分矿物质的不同磁性以及磁性发了磁选机，利用不同成分矿物质的不同磁性以及磁性强弱的差别，用磁铁吸引这些物质，那么它们所受到的强弱的差别，用磁铁吸引这些物质，那么它们所受到的吸引力就有所区别，结果可以将混在一起的