地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(7)
1928年,德国科学家海森伯(Werner Karl Heisenberg , 1901~1976)根据氢分子的结合能与电子自旋取向有关的量子力学计算结果,提出了铁磁体的自发磁化来源于量子力学交换作用的海森伯模型。海森伯应用量子力学中电子的交换效应来解释铁磁体内磁有序现象的产生,认为分子场实际上就是电子之间交换作用的一种平均场近似。这一模型的建立,为铁磁性量子理论的发展奠定了基础。
铁磁性材料存在“磁畴”结构。磁畴是磁矩方向一致的小区域,含有若干个原子。各磁畴之间存在有一定宽度的畴壁。磁畴的形成是由于近邻原子间的交换作用。交换作用是指处于不同原子的、未被填满壳层上的电子之间发生的特殊相互作用。在晶体内,参与这种作用的电子已不再局限于原来的原子,而是“公有化”了,原子间好像在交换电子,故称为交换作用。这种交换作用相当于一个强磁场作用于各原子磁矩,使其平行排列,在铁磁体内部自发地形成了磁化到饱和的小区域-磁畴。铁磁体的这种磁化不是依赖外磁场的作用,因此称为自发磁化。自发磁化是铁磁物质的一个基本特性。是其与顺磁物质的区别所在。由这种交换作用所产生的交换能与晶格的原子间距有密切关系。当原子间距离很大时,交换能接近于零,随着距离的减小,相互作用增加。当原子间距a与未被填满的电子壳层的半径r之比大于3时,交换能为正值,材料呈现铁磁性;当a /r<3时,交换能为负值,材料呈现反铁磁性。
铁磁体在外磁场作用下的磁化过程主要是畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向,这样一种磁化过程使得铁磁体只需在很弱的外磁场条件下就能得到较大的磁化强度。当温度高于居里温度时,由于原子热振动加剧而使磁畴消失,铁磁性也就消失了。
迄今,科学家倾向于相信,一切磁现象的根源是电流,磁现象起源于电荷的运动。环形电流都会产生磁场,具有磁矩。物质的磁性来源于电子的运动。电子绕原子核运动,产生电子轨道磁矩;电子本身自旋,产生电子自旋磁矩。实验证明,电子的自旋磁矩比轨道磁矩要大的多,每个电子自旋磁矩的大小近似等于一个玻尔磁子。原子核也自旋,由于其质量大,运动速度只是电子自旋速度的几千分之一,其磁矩与电子相比可以忽略。因此,物质的原子磁矩就等于核外所有电子的自旋磁矩与轨道磁矩之代数和。不同原子的核外电子分布不同,原子磁矩各异。如果原子各层能级被电子填满,则电子磁矩互相抵消,就不显出磁性。而铁原子,原子序数26, 核外有26个电子,分布为1s22s22p63s23p64s23d6。除3d层外的其他层均被电子填满,自旋磁矩抵消。在3d层上有5个轨道,电子首先尽可能填充到不同的轨道上,并且它们的自旋尽量在同一方向上,所以3d层的6个电子有5个自旋方向一样,有一个是相反的方向,这样有一对电子的磁矩可以抵消, 最终铁原子有4个电子的原子矩阵。
某些物质即使没有外加磁场的作用也可以产生磁场(例如永久磁铁)。我们在稍后将得知,这些所谓的\"自发\"磁矩也可以由电子自旋产生。在某些晶体中,电子自旋按一定方式排列,因此产生一个净磁场。这种磁矩,如果通过某些机制固定下来,就能记录古磁场。这种剩余磁化强度就是古地磁场的基础。
一个孤立的电荷能够产生电场,并以电荷为中心向外发散。因为电力线没有回路。对于电荷周围的电场,不为零。
一个电荷及其产生的向外发散的电场。可由一个通向虚线代表之外的净通量。其值与内部的源成正比。磁偶极子,没有单独的磁荷。在任意空间内,任何磁通量流进,又流出,因此净磁通量为零。
磁场与电场不同。电荷可以独立存在,但是磁极子却不能,正负磁极子总是成双存在(磁偶极子)。因此,磁力线从一个磁极出发,必然要回到与之对应的另一个磁极,这样,净磁通量为零。因此,磁场不具有发散性。这性质可以描述为麦克斯韦方程组之一。
地球磁场,简言之是偶极型的,近似于把一个大磁铁棒放到地球中心,使它的N极大体上对着南极而产生的磁场形状。当然,地球中心并没有磁铁棒,而是通过电流在导电体中的发电效应产生的地磁场。但是,地核发电产生的磁铁棒体太短,所以地磁场不是由地核导体发电效应产生的。
地球磁场不是孤立的,宇宙飞船早已探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的带电粒子流,主要成分是电离氢和电离氦。太阳风的作用产生了地球磁场。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html