地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(6)
十九世纪上叶,法拉第发现,物质在磁场的作用下都表现出一定程度的磁性,除了极少数像铁那样的强磁性物质外,一般物质的磁化率的绝对值都很小,具体可以分为两类。一类物质的磁化率是负的,称之为抗磁性物质。这类物质在磁场中获得的磁矩方向与磁场方向相反,故在不均匀磁场中被推向磁场减弱的方向,即被磁场排斥。另一类物质的磁化率是正的,在不均匀磁场中被推向磁场增强的方向,即被磁场吸引,法拉第称之为顺磁性物质。像铁那样强的磁性显然是特殊的,应另属一类,后称铁磁性物质。
在法拉第以后的近百年时间里,物质的磁性就这样分成三大类。直到1932年,法国科学家尼尔(Louis Eugene Felix Neel, 1904~)增加了第四类:反铁磁性。他提出了一种晶格模型,它由两套格子交错而成,而其磁场以相反方向作用,使可观察到的场互相抵消。他还证明,这种有序状态在某一温度时会消失(反铁磁性物质磁性特征是磁化率几乎为零。这种现象的存在与温度有关,只在某个温度以下才出现),这个温度现在称为尼尔点,与铁磁现象中的居里点相类似。1948年,尼尔解释了在铁氧体材料中发现的强磁现象。他把铁氧体材料称为亚铁磁铁,认为在这些物质中,晶格可能具有不同的强度,因而会产生外场。例如在磁铁矿(Fe3O4)中,有三个铁原子、四个氧原子,其中两个铁原子的影响互相抵消,而第三个给出了可观测到的磁场。由于亚铁磁铁物质的弱导电性,在电话学、磁带涂层、计算机的记忆磁芯和低损耗的高频率技术中都极其有用。
1895年,法国物理学家皮埃尔·居里(Pierre Curie,1859~1906)在实验中发现,铁磁性存在临界温度。铁的强磁性随温度上升而减弱,在某一温度以上铁会失去其强磁性(这一温度称为居里点,后称居里温度)。大量实验表明,顺磁体的磁化率不依赖于磁场强度而与绝对温度成反比(这被称为居里定律);抗磁体的磁化率不依赖于磁场强度且一般不依赖于温度。纯铁的居里温度为770℃。
铁磁性物质的最明显的特点是易于磁化,它的磁化率比强顺磁物质要高几个数量级,并随磁场强度而变。磁化强度有饱和现象,即在一定温度下达到某强度时有不再随磁场的增强而增强的趋势。
铁磁物质还存在磁致伸缩现象,即在磁化过程伴随着磁化状态的变化会产生长度和体积的变化,可以用这一效应产生超声波。第一次世界大战期间,应用超声波原理,研制成水下信号发射和超声回声探测器,即声纳,可以搜索水下的潜水艇,这一方法很快在军事和其他科学研究中得到广泛应用。现在超声原理也用在医学、及工业探伤。
1905年,皮埃尔·居里的学生朗之万(Paul Langevin1872~1946)将洛仑兹1895年提出的电子论应用到磁性研究,提出关于磁性的理论,证明抗磁性的普遍性,认为抗磁性与温度无关。根据磁矩在磁场中的取向作用,对顺磁性也作了理论分析,提出了朗之万理论和朗之万函数。朗之万用原子内部作轨道运动的电子在外磁场下的拉莫尔进动来解释抗磁性。由于原子内部电子的运动不易受温度影响,因而抗磁性很少随温度变化(金属铋除外,对此朗之万和J.J.汤姆逊一样把它归之于自由电子的效应)。他还用经典统计法计算了顺磁介质的磁化强度随温度的变化关系。当分子磁矩的取向能与热运动能相比小得多时,可得出磁化率与绝对温度成反比,与实验上的居里定律相一致。
1907年,法国物理学家外斯(Pierre Weiss, 1865~1940)以朗之万理论的思想为基础,提出了分子场假说和磁畴假说。原子都由带电粒子组成,而磁性又总是与电荷联系在一起的。外斯于是认为,铁磁物质内部存在强大的“分子场”,即使无外加磁场,其内部各区域也已经自发磁化了。外磁场的作用仅仅是将各区域的磁矩方向调整到外磁场方向上,使它们沿一个方向排列起来,整块铁就成了一个大磁体。因此,在很弱的外磁场下,铁磁质即可达到饱和磁化状态。磁畴假说认为,铁磁体内部自发磁化分为若干区域(磁畴),每个区域都自发磁化致饱和,未加磁场时,各区域磁矩方向杂乱无章,故磁性相互抵消,宏观上不显磁性。在这两个假说的基础上建立的理论称为分子场理论。分子场理论对铁磁性物质的磁性的解释得到了许多科学家的认可,它说明了铁磁物质的自发磁化,给出的磁化强度与温度的关系与实验也基本相符,并导出了居里温度和居里—外斯定律。
分子场理论的成功促使人们去寻找分子场的起源。但是这一问题在经典力学的框架内根本无法解决。分子场不可能由原子磁矩产生,因为原子磁矩产生的磁场比分子场小了3个数量级。β粒子通过铁磁体的偏转实验也证明,铁磁体内部并不存在磁性质的分子场。在量子力学建立之前,没有人能对分子场的起源做出过合理的解释。
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