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磁石引铁金不连——磁的本源与认知

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发表于 2020-5-11 07:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
张颖:磁石引铁金不连——磁的本源与认知

Original 悟理学院
中科院物理所
2 days ago
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大家好,我是中科院物理研究所磁学实验室的张颖,今天给大家带来的主题是:磁的本源与认知。非常荣幸有这样的机会能够带着大家一起重温磁的发展历程,大家对于磁其实并不陌生,我们小时候玩的吸铁石、各种形状的磁铁、指南针以及现在很多的儿童玩具都应用到了磁。

01 磁具有非常悠久的历史

磁具有非常悠久的历史,我们知道中国的四大发明之一指南针就是利用了磁的指向性。磁一直伴随着人类文明的进程而发展,时至今日,几乎所有的高科技产品都会用到磁。

春秋战国时期,人们发现了磁石具有吸铁性,指南针能指向南方。现在我们知道这是因为地球本身是一个巨大的磁体,而地球的地理南极就是这个磁石的北极,因为异性相吸,所以指南针的南极就指向了地球的北极,也就是地理上的南方。

我国古代对于磁的认识和发展一直走在世界的前列,尤其是指南针的发明和应用,这在古书中有很多的记载,可惜的是后来大家只是在应用它的性质,很少有人对它进行系统地归纳总结并探究其根源,所以现在很多跟磁有关的教科书上都用的是西方的名字和名词。

                               
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指南针
西方对磁的认识也是从磁石开始的,据说是在古希腊,在一个叫马格尼西亚的地方首先发现了磁石,并由此命名为magnet来代表磁铁,这个词也一直沿用到现在。西方对磁的系统观察始于13世纪,欧洲一位叫派勒格令尼的人在给朋友的《论磁体的信》中详细描述了磁石的轮廓和性质,并明确提出了磁石具有南北两极的概念以及同极相斥异极相吸的性质。但是当时遭到了教廷的反对而停滞不前,直到1600年,英国的吉尔伯特用拉丁文撰写第一部磁学专著《论磁》,他在书中不仅详细总结和发展了前人对磁的认识和实验,还系统地研究了地球的磁性。

                               
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《论磁》
我国现代对磁的系统研究可以认为是从施汝为先生开始的,他当年从美国耶鲁大学博士毕业之后,于1934年回到中国,并且建立了第一个现代磁学研究的实验室,也就是现在的物理所磁学实验室的前身,这在物理所的所志和磁学史的网站上都有详细的记载。施汝为先生毕生从事磁学研究,培养了一大批磁学人才,为中国的磁学事业的发展奠定了坚实的基础。

                               
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如图所示,这块小磁铁就是他当年做实验用的。据说在战争年代四处辗转时,施汝为先生始终把小磁铁带在身边,后来战争结束之后还用这个小磁铁做了很多的实验,目前这个磁铁仍然存放在物理所一层的展厅中,大家有机会的话可以来物理所来看一看。

02 磁体的性能与发

我们现在知道磁石的主要成分是四氧化三铁,这是一种永磁体。早期除了对磁的吸铁性和指向性进行研究之外,大量对磁的系统研究还包括各种不同成分的新磁性材料的发现和应用,其中以钕铁硼稀土永磁材料为典型代表,目前应用非常广泛。此外对于磁体的加工工艺以及磁性的测量和表征等方面也取得了很多的成果和应用。现在我们一般认为能够吸引铁钴镍并且能够长期保持磁性的磁体是永磁体。而像铁这类既容易产生磁性也容易失去磁性而且磁极也会受到外界磁场而影响的材料称为软磁体。铁被永磁材料吸引一段时间之后产生磁性的这个过程称为磁化过程,每一个铁的颗粒都可以被它所在的磁场磁化成类似小磁针的状态,这个现象后来被英国的法拉第用来直观地表示磁场的分布。

那么只有磁体才能够产生磁性吗?很长一段时间里,科学家都认为电和磁之间没有任何关联,直到1820年,丹麦的物理学家奥斯特在给学生上课的时候偶然间发现通有电流的导线能够使小磁针发生偏转,从而揭示了电能够产生磁的现象。这一消息当时极大震惊了科学界,远在法国巴黎的安培听到消息之后马上集中精力做了大量的实验,并在几周之后明确指出了通电导线与产生磁场之间的关系,这就是著名的安培定则,也是之后我们还会提到的安培右手螺旋定则。安培这个名字大家应该并不陌生,电流的单位安培就是以他的姓氏来命名的,用来纪念他在电磁学领域所作出的巨大贡献。大家是否记得,我们小时候有一篇语文课文是“会跑的黑板”,文中那个把马车车厢作为黑板,专心致志进行推导公式的人就是安培。

电能够产生磁,那么磁能不能产生电呢?经过十年的大量的实验的研究,英国的科学家法拉第终于在1831年提出了电磁感应现象,法拉第之后又发明了发电机,给人类带来了光明。法拉第这位科学家的成长是非常励志的,他不像很多科学家,从小就拥有优良的教育资源。他出身贫困,只上了两年小学,但是他非常喜欢读书,后来在一个印刷和售卖书籍的店铺里当学徒,一有时间就自己阅读大量的跟科学有关的书籍。他的这种好学精神打动了店铺里的一个老主顾,在老主顾的帮助下,他有幸聆听了英国著名化学家戴维的一次演讲。后来法拉第就带着他整理好的笔记作为自荐书去找戴维,想要做他的助手,戴维对他的精美笔记印象非常深刻,也正好缺少一名助手,所以22岁的法拉第从此有幸迈入科学的殿堂。

                               
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迈克尔·法拉第
可惜的是法拉第的数学并不是很好,所以没能把电磁感应定律进一步地升华,而他这个缺陷正好被英国的数学家麦克斯韦所弥补。在1873年,麦克斯韦用简明优美的数学语言概括了所有的电磁学现象,建立了著名的麦克斯韦方程组,从此电磁学理论基本成熟。由于这部分还有专门的电磁学课程,将由刘恩克老师进行讲述,所以我就不在此详细介绍了。

03 磁的重要性

那么磁发展到现在,对我们的生活有多重要呢?从电气时代,发电机、电动机的使用,到现在的信息时代,我们的银行卡、门禁卡以及生活的必需品,方方面面都离不开磁的应用。磁还有一个最重要的应用方向,就是磁性信息存储,目前全球80%的数据仍然采用的是磁性信息存储,像我们每天使用的手机、电脑都是如此,这些都极大地推进了大数据时代的到来。大家知道吗,一辆汽车上有大概几十个元件用的是磁性元件,还有我们现在正在发展的磁悬浮列车、核磁共振以及未来的一些高科技产品,磁性和磁性材料一直发挥着核心的作用。

                               
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一辆车有40-70个地方用到磁性元件

大家可以在周边找一找,看看还有哪些东西是跟磁有关系的,如果大家还有兴趣探究一下这些东西到底跟磁是如何关联的,将会是非常有意思的事情。比如说我们刚才提到的磁悬浮列车,我们知道它是利用了磁力来克服重力使其悬浮从而减少摩擦的。但是大家知道吗,这个磁力可以有两种来源,一种是利用了超导磁体的抗磁性,另一种就是利用了普通磁体的同极相斥异极相吸的原理,所以目前的磁悬浮列车也是有两种的。

                               
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磁悬浮列车

那么为什么磁会表现得如此强大呢?从微观粒子到宇宙天体,再到我们生物体,磁场和磁现象无处不在。以研究磁和磁性为主的磁学,不仅是凝聚态物理的一个重要方向,还可以与其他的多个学科进行交叉从而衍生出丰富多彩的现象和应用。从近些年诺贝尔物理学奖获得者的情况,我们也可以看到与磁相关的研究总是不断的能给大家带来挑战和惊喜,比如说2007年的诺贝尔物理学奖颁给了法国的费尔(Fert)和德国的克鲁伯格(Grunberg)两个人,以表彰他们发现用于硬盘读取数据的巨磁电阻效应,这一发现极大推动了信息存储领域的发展。德国的克鲁伯格(Grunberg)虽然比费尔(Fert)发现的稍微晚了一些,但是他很有经济头脑,一发现就申请了专利,所以每年他由专利带来的效益就相当于每年领取一次诺贝尔奖金。所以磁在基础研究方面和实际应用方面都具有十分重要的地位。

                               
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那大家有没有感受到磁的魅力呢?如图所示,这个地球仪和灯泡悬浮起来,没有任何物体支撑,随意将非磁卡片放入其中,也丝毫不会影响它悬浮的状态。转动它、打开它的开关也不会影响它悬浮的状态。学完磁之后我们就知道两个磁体之间是可以通过磁场来传递相互作用力的,而这个磁场是看不见也摸不到的。

04 磁性产生的物理根源

接下来从磁产生的根源出发去更好地理解这些现象。安培的伟大之处在于他很早就提出了不论是磁体还是电流产生的磁性都归结于同一根源,这就是著名的安培分子电流假说。他认为分子电流如果取向一致的话,就可以对外呈现宏观磁性。这个假说在当时并不被大家所认可,一直到70年后的1897年,英国的科学家汤普森(Thomson)发现了电子,才证明了其假说的正确性。之后荷兰的物理学家洛伦兹(Lorentz)又进一步提出了电子论,将物质的宏观磁性归结为原子中的电子的作用,统一解释了电、磁、光的现象。

虽然安培的分子电流假说能够比较直观地解释一些物理现象,但是也存在着很大的局限性。随着量子理论的发展,人们对磁性的认识才逐渐地深入,现在大家一般认为物质的磁性是来源于原子磁矩。原子磁矩之间是存在着相互作用的,这种相互作用可以使原子磁矩排列成不同的方式,从而产生了顺磁、铁磁、反铁磁等不同的性质。这种相互作用是一种量子效应,根据不同的理论模型,又可以分为海森堡交换作用、双交换作用、超交换作用以及RKKY交换作用等,用来解释不同磁体中磁性的起源。

                               
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现在一般认为物质的磁性来源于原子磁矩

05 磁场直观物理图像的建立

虽然我们用还原法知道了磁性的根源,但是这太微观了,为了更好地理解磁性和磁场,法拉第用铁粉做实验形象地展现了磁力线,从而使看不到摸不到的磁场直观图形化。从这个实验中我们还可以看到,磁极的周围并不是一无所有的、空虚的,而是充斥着各种方向的力线,各种力就是通过这样的磁场传递相互作用的,这样我们是不是更好的理解刚才的地球仪还有灯泡为什么悬浮起来了。当然这里我只是提出了一个最关键也是最简单的一个原因,如果大家感兴趣可以去看一下,我们物理所公众号的一篇[color=var(--weui-LINK)]文章详细记载了磁悬浮技术的发展和原理的文章。

                               
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建立物理图像
用力线的概念来解释电场和磁场中的现象,在物理学领域是一个重大的突破,有人说正是由于法拉第的数学不是很好,所以他才会想尽各种办法用简单易懂的语言去描绘高深的物理规律,从而才会有简明优美的力线和场这样的概念,所以我们只要把我们自己擅长的东西发挥到极致,也会有很大的收获的。

06 借助物理图像解决物理试题

有了磁力线去直观的描述不同磁体的磁场分布情况,我们就很容易在头脑中建立直观的物理图像,也就能更好地去解决中学时候的相关的物理试题。这里我介绍一些方法和主要知识点,从磁力线的分布图,我们就能够读出很多的信息。我们可以看到磁力线是一个闭合的曲线,所以它没有始点也没有终点,这跟电力线是不同的。磁力线在磁体的外围,可以认为是从北极指向南极,在内部却是南极指向北极的。我们还可以从磁力线的疏密程度来判定磁场的大小,磁力线越密集的地方说明磁场越大。我们看到磁力线是一个曲线,所以曲线上任意一点的切线方向就应该是磁场的方向,也就是小磁针北极所指的方向。

                               
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曲线上任意一点的切线方向就应该是磁场的方向
这里定性地描述了磁场的分布,那磁感应强度就是定量地描述。磁场是一个矢量,具有大小和方向。有了这些清晰的物理图像,我们就很容易明白物理试题中有关匀强磁场的概念,首先它的磁场必须是均匀的分布。再看一下磁场的方向,我们可以把磁场形象的看成是从北极射向南极的弓箭,当这个弓箭射向我们的时候,主要看到点的形状,所以点表示磁场的方向是指向我们。当弓箭射向离背我们的方向的时候,看到的是箭尾,也就是用X形来表示磁场的方向是背离我们的。

                               
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磁感应强度是一个矢量,所以我们在计算磁场叠加问题的时候,如果两个磁场并不在一条直线上,我们就要想到用平行四边形法则。同样的道理,我们通过磁粉的分布就可以很清楚地理解同极相斥、异极相吸,两个磁极之间磁力线的分布,从而也就能更好地去解决小磁针的指向问题以及指南针的指南问题。

                               
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磁粉分布图
现在我们主要介绍一下安培右手螺旋定则,从这个磁粉分布图中我们可以看到通电直导线产生的是圆形的磁场,而通电的螺线管产生的是类似于条形磁铁的磁场,我们可以简单地用右手定则来判定。这里有两个物理量,一个是磁场,一个是电流,最关键的问题就是,你的大拇指和你的四指究竟哪个指向磁场哪个指向电流方向。其实我们只要记住,大拇指是直的,它所指向的物理量一定是一个相对直的物理量,比如说通电直导线在这里是相对直的,所以大拇指的方向就是电流的方向,而四指就是磁场的方向,而对于通电的螺线管来说,产生的磁场在内部是一个直的分布,所以我们大拇指的方向这个时候就指向了磁场的方向,四指所指向的就是电流的方向。这样我们就容易解决通电导线所产生的磁场分布问题。

                               
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安培右手螺旋定则
安培还研究了通电导线在磁场中的受力情况,可以用左手定则来判定,但是左手定则并不是安培提出的,而是英国的弗莱明。他为了帮助同学们记忆,提出了一个简单的方法,我们要记住在考虑磁场中的受力情况时,一定要用到左手,而受力也一定是大拇指的方向。我们可以把磁场方向认为是北极射向南极的弓箭,我们要用手掌去迎接它,这样磁力线的方向就要穿透我们的手掌,四指就自然指向了电流的方向,利用这个方法就很容易地去解决导线在磁场中的受力问题。明白了左手定则之后,我们就很容易理解运动的带电粒子在磁场中的受力和运动情况。

                               
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左手定则
带电粒子在磁场中受到的力称为洛伦兹力,这是由荷兰的物理学家洛伦兹提出的。通电导线所受的安培力实际上就是导体中大量粒子所受到洛伦兹力的宏观表现。如果我们把电荷和电流的关系带入这个公式中,我们就可以很容易地在安培力和洛伦兹力之间互相推导。同样要使用左手定则,让磁力线的方向穿过我们的手掌,要注意四指这时候指的是带正电粒子的运动方向,如果我们的带电粒子是电子这样的负电,我们的四指指向一定是它运动方向的反方向,从而去判定它的受力问题。我们从左手定则能够发现带电粒子所受的洛伦兹力始终是跟它的运动方向是垂直的,也就是说洛伦兹力它只提供向心力,而不会改变运动速度的大小,不会对带电粒子做功。所以理想情况下,带电粒子做的是一个匀速圆周运动,我们再结合带电粒子的受力的公式以及它运动的公式,就很容易地去解决中学阶段非常典型的磁场中带电粒子的受力和运动问题。

07 实际应用举例

利用这些规律有很多的应用,这里简单介绍一个,洛伦兹透射电子显微镜研究磁畴就是利用了高速运动的电子经过样品的磁场时,所受到洛伦兹力发生偏转,并且在磁畴壁的位置呈现明暗不同的程度,进一步解析就可以得到微观的磁矩分布,从而可以直观了解磁性。磁矩排列一致的磁畴区域,它的尺度是在刚才提到的基本粒子电子所产生的这个磁矩之上的,但是又比铁粉产生的这个磁力线的分布尺度小很多,大概是在纳米和微米的量级,我目前主要是做这方面的研究工作的。
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洛伦兹透射电镜

08 总结

回顾一下磁的发展历程,我们可以知道磁既可以来源于磁体,也可以来源于带电的导线或者是线圈。对于磁的应用,我们两手都要派上用场,我们用左手去解决磁场中所有力的相关问题,而用右手去解决磁场和电的相互关系。如果大家学会用物理的思维方式去探究物理的根源,在头脑中建立一个清晰的物理图像的话,就能更好地去解决相关的物理问题。那大家在悟理的同时,也能够享受到其中的乐趣。我今天就讲到这里,希望对大家有所帮助,谢谢大家!



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