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。右图是测量物质磁性的磁天平仪 。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?在一块硬纸板的下面放两块磁铁,并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象?铁的粉末会自动排列起来,形成一串串 曲线的样子。其中,N极和S极之间的曲线是连续的,也就是说曲线从N极直至S极。而S极和S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。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(感)线,并规定磁力线从N极出发,最终进入S极。这样,只要有磁极存在,它就向空间不断地发出磁力(感)线,而且离磁极近的地方磁力线密,而远处磁力(感)线稀疏。铁粉末的排列形状就是磁力线的走向。有了 磁力(感)线,我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白,磁力(感)线是我们为了理解方便而假想的,实际上并不存在。在 磁极周围的空间中真正存在的不是磁力(感)线,而是一种场,我们称之 为磁场。 磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。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(感)线数量来表示,磁力(感)线密的地方磁场强,磁力(感)线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力(感)线数目称为 磁通量密度。在磁体外部, 磁力(感)线方向由N极出发进入S极,磁体内部磁力(感)线由S极出发进入N极。对放入其中的其他磁体产生磁力(吸引和排斥)作用的区域(一般所称的「场」指的是空间中的一个区域。)注:1.磁场是有方向的2.磁场方向:物理学规定自由转动的小 磁针静止时N极的指向为该点的磁场方向。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兹力的大小来确定 磁场强度的高低。图6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,N)(1856~1943)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。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。世界上的物质究竟有多少种 磁性呢?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,强磁性又分为铁磁性和 亚铁磁性。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 原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性。 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 磁共振成像(也常称磁共振CT,CT是计算机化 层析成像的英文名词的缩写),便是应用氢原子核的磁性。物质的磁性来自构成物质的 原子,原子的磁性又主要来自原子中的电子。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。一个来源是电子本身具有 自旋,因而能产生自旋 磁性,称为 自旋磁矩;另一个来源是原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨道磁性,称为轨道磁性。我们知道,物质是由 原子组成的,而原子又是由 原子核和位于原子核外的电子组成的。原子核好象太阳,而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外,电子除了绕着原子核公转以外,自己还有自转(叫做自旋),跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的“太阳系”(图7)。另外,如果一个原子的核外电子数量多,那么电子会分层,每一层有不同数量的电子。第一层为1s,第二层有两个亚层2s和2p,第三层有三个亚层3s、3p和3d,依此类推。如果不分层,这么多的电子混乱地绕原子核公转,是不是要撞到一起呢?在 原子中,核外电子带有负电荷,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,具有N极和S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场的情况。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(像铁、钴、镍等)才具有磁性呢?实际上 原子中电子产生的 磁矩分为三种情况:由于电子的自转方向总共有上下两种,且自转方向相反的电子产生的 磁极能够相互抵消。第一种情况是在一些数物质中,具有向上自转和向下自转的电子数目一样多,如图8所示,它们产生的 磁极完全互相抵消,整个 原子,以至于整个物体对外没有 磁性。第二种情况是自转方向不同的电子数目不同,虽然这些电子所产生 磁矩不能相互抵消,导致整个 原子具有一定的总磁矩。但是这些 原子磁矩之间没有相互作用,它们是混乱排列的,所以整个物体没有强磁性。第三种情况是少数物质(例如铁、钴、镍),它们的 原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样,这样,在自转相反的电子 磁极互相抵消以后,还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消,如图9所示。这样,整个原子具有总的磁矩。同时,由于一种被称为“ 交换作用”的机理,这些原子磁矩之间被整齐地排列起来,整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时,物体显示的磁性强弱也不同。例如,铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多,原子的总 剩余磁性最强。而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少,所以它的磁性比较弱。