“ 磁 ”是什么东西?

“ 磁 ”是什么东西?
感觉好抽象…………

我们的生活每时每刻都和磁性有关.没有它,我们就无法看电视、听收音机、打电话；没有它,连夜晚甚至都是一片漆黑.
人类虽然很早就认识到磁现象,但直到了现代,人们对磁现象的认识才逐渐系统化,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.磁铁总有两个磁极,一个是N极,另一个是S极.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.
磁极之间有相互作用,即同性相斥、异性相吸.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.知道了这一点,我们就明白了为什么指南针会自动指示方向.原来,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,磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近.
参考资料：http://www.pslsh2f.pudong-edu.sh.cn/xsly/hdtd/efx_blog/more.asp?name=sunjianping&id=2048
一、物质磁性的起源
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.
早在1820年,丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应,第一次揭示了磁与电存在着联系,从而把电学和磁学联系起来.
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.
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出的电子自旋概念,是把电子看成一个带电的小球,他们认为,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,另一方面又绕本身轴线自转,具有自旋角动量和相应的自旋磁矩.施特恩-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本身轴线的转动是不正确的.）
电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动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,故原子核的磁矩仅为电子的千分之几,可以忽略不计.
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“永久磁矩”.例如,铁原子的原子序数为26,共有26个电子,在5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子（自旋反平行）外,其余4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4 .
二、 物质磁性的分类
1、 抗磁性
当磁化强度M为负时,固体表现为抗磁性.Bi、Cu、Ag、Au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M.抗磁性物质的原子（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变化.抗磁性物质的抗磁性一般很微弱,磁化率H一般约为-10-5,为负值.
2、 顺磁性
顺磁性物质的主要特征是,不论外加磁场是否存在,原子内部存在永久磁矩.但在无外加磁场时,由于顺磁物质的原子做无规则的热振动,宏观看来,没有磁性；在外加磁场作用下,每个原子磁矩比较规则地取向,物质显示极弱的磁性.磁化强度与外磁场方向一致,
为正,而且严格地与外磁场H成正比.
顺磁性物质的磁性除了与H有关外,还依赖于温度.其磁化率H与绝对温度T成反比.
式中,C称为居里常数,取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小.
顺磁性物质的磁化率一般也很小,室温下H约为10-5.一般含有奇数个电子的原子或分子,电子未填满壳层的原子或离子,如过渡元素、稀土元素、钢系元素,还有铝铂等金属,都属于顺磁物质.
3、 铁磁性
对诸如Fe、Co、Ni等物质,在室温下磁化率可达10-3数量级,称这类物质的磁性为铁磁性.
铁磁性物质即使在较弱的磁场内,也可得到极高的磁化强度,而且当外磁场移去后,仍可保留极强的磁性.其磁化率为正值,但当外场增大时,由于磁化强度迅速达到饱和,其H变小.
铁磁性物质具有很强的磁性,主要起因于它们具有很强的内部交换场.铁磁物质的交换能为正值,而且较大,使得相邻原子的磁矩平行取向（相应于稳定状态）,在物质内部形成许多小区域——磁畴.每个磁畴大约有1015个原子.这些原子的磁矩沿同一方向排列,假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场,“分子场”足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态.这种自生的磁化强度叫自发磁化强度.由于它的存在,铁磁物质能在弱磁场下强列地磁化.因此自发磁化是铁磁物质的基本特征,也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在.
铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来,超过这一温度,由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向,因而自发磁化强度变为0,铁磁性消失.这一温度称为居里点 .在居里点以上,材料表现为强顺磁性,其磁化率与温度的关系服从居里——外斯定律,
式中C为居里常数.
4、 反铁磁性
反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列.在同一子晶格中有自发磁化强度,电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中,电子磁矩反向排列.两个子晶格中自发磁化强度大小相同,方向相反,整个晶体 .反铁磁性物质大都是非金属化合物,如MnO.
不论在什么温度下,都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象,因此其宏观特性是顺磁性的,M与H处于同一方向,磁化率 为正值.温度很高时, 极小；温度降低, 逐渐增大.在一定温度 时, 达最大值 .称 为反铁磁性物质的居里点或尼尔点.对尼尔点存在 的解释是：在极低温度下,由于相邻原子的自旋完全反向,其磁矩几乎完全抵消,故磁化率 几乎接近于0.当温度上升时,使自旋反向的作用减弱, 增加.当温度升至尼尔点以上时,热骚动的影响较大,此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为.
三、电子轨道磁矩与轨道角动量的关系
设轨道半径为r (圆轨道)、电子速率为v
则轨道电流I：
电子的轨道磁矩
对处于氢原子基态的电子,
电子的轨道角动量(圆轨道)
L = mvr
式中m 为电子质量
由于电子带负电,电子轨道磁矩与轨道角动量的关系是：
(此式虽由圆轨道得出,但与量子力学的结论相同)
在这里要特别强调指出的是：电子轨道磁矩与轨道角动量成正比.
四、电子自旋磁矩与自旋角动量的关系
实验证明：电子有自旋(内禀)运动,相应有自旋磁矩大小为
自旋磁矩和自旋角动量 S 的关系：
在这里又要特别强调指出的是：电子自旋磁矩又与自旋角动量成正比.磁矩与角动量成正比不是偶然的.因为电子的角动量越大,它所带动的电磁以太涡旋的角动量也越大,磁矩当然也就越大了.这也就从另一个侧面印证了磁是以太的涡旋.
磁场
magnetic field
电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质.由于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或变化电场产生的.磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力,磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此.
与电场相仿,磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场,描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B ,也可以用磁力线形象地图示.然而,作为一个矢量场,磁场的性质与电场颇为不同.运动电荷或变化电场产生的磁场,或两者之和的总磁场,都是无源有旋的矢量场,磁力线是闭合的曲线族,不中断,不交叉.换言之,在磁场中不存在发出磁力线的源头,也不存在会聚磁力线的尾闾,磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零,即磁场是有旋场而不是势场（保守场）,不存在类似于电势那样的标量函数.
电磁场是电磁作用的媒递物,是统一的整体,电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,变化的电磁场以波动形式在空间传播.电磁波以有限的速度传播,具有可交换的能量和动量,电磁波与实物的相互作用,电磁波与粒子的相互转化等等,都证明电磁场是客观存在的物质,它的“特殊”只在于没有静质量.
磁现象是最早被人类认识的物理现象之一,指南针是中国古代一大发明.磁场是广泛存在的,地球,恒星(如太阳),星系（如银河系）,行星、卫星,以及星际空间和星系际空间,都存在着磁场.为了认识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁场这一重要因素.在现代科学技术和人类生活中,处处可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关.甚至在人体内,伴随着生命活动,一些组织和器官内也会产生微弱的磁场.
电磁场
electromagnetic field
有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称 .随时间变化的电场产生磁场 , 随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场.电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因如何,电磁场总是以光速向四周传播,形成电磁波.电磁场是电磁作用的媒递物,具有能量和动量,是物质存在的一种形式.电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定.
地磁场
geomagnetic field
从地心至磁层顶的空间范围内的磁场.地磁学的主要研究对象.人类对于地磁场存在的早期认识,来源于天然磁石和磁针的指极性.磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极,地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极.这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的.吉伯所作出的地磁场来源于地球本体的假定是正确的.这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实.
地磁场是一个向量场.描述空间某一点地磁场的强度和方向,需要3个独立的地磁要素.常用的地磁要素有7个,即地磁场总强度F,水平强度H,垂直强度Z,X和Y分别为H的北向和东向分量,D和I分别为磁偏角和磁倾角.其中以磁偏角的观测历史为最早.在现代的地磁场观测中,地磁台一般只记录H,D,Z或X,Y,Z.
近地空间的地磁场,像一个均匀磁化球体的磁场,其强度在地面两极附近还不到1高斯,所以地磁场是非常弱的磁场.地磁场强度的单位过去通常采用伽马（γ）,即10高斯.1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位,1高斯＝10特斯拉（T）,1伽马＝10特斯拉＝1纳特斯拉（nT）,简称纳特.地磁场虽然很弱,但却延伸到很远的空间,保护着地球上的生物和人类,使之免受宇宙辐射的侵害.
地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分,它们在成因上完全不同.基本磁场是地磁场的主要部分,起源于地球内部,比较稳定,变化非常缓慢.变化磁场包括地磁场的各种短期变化,主要起源于地球外部,并且很微弱.
地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分.偶极子磁场是地磁场的基本成分,其强度约占地磁场总强度的90％,产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程,即自激发电机效应.非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域,平均强度约占地磁场的10％.地磁异常又分为区域异常和局部异常,与岩石和矿体的分布有关.
地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型.平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化,其场源分布在电离层中.干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等,场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系.磁暴是全球同时发生的强烈磁扰,持续时间约为1～3天,幅度可达10纳特.其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内.除外源场外,变化磁场还有内源场.内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的.将高斯球谐分析用于变化磁场,可将这种内、外场区分开.根据变化磁场的内、外场相互关系,可以得出地球内部电导率的分布.这已成为地磁学的一个重要领域,叫做地球电磁感应.
地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系,又和地壳上地幔的电性结构有关,所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义.