二、介质磁化的微观解释

二、介质磁化的微观解释第五章已经阐述了关于磁性起源的两种说法，即“磁荷说”和“分子电流说”。近代实验已证明分子电流观点更符合客观实际，而磁荷观点却由于磁单极至今没被发现，被认为有所偏离客观实际。尽管如此，以磁荷观点建立起的一些计算方法和公式，对于计算一些磁场的问题还是有效的，在一些磁介质的计算中甚至更为简洁，这是因为虽然找不到磁单极，但是磁偶极却地地道道的存在着，例如小磁针、磁畴、小闭合电流圈等。1．分子电流观点安培提出的关于磁性起源的分子电流假说认为，每个分子（原子）中的带电粒子运动的总效果都形成一定的圆形电流——分子电流，每个分子电流都相当于一个小磁针，考虑到电流的磁效应，可以说，一切磁现象的起源都是电流，这已为近代物理实验所证实。基于分子电流观点的磁学理论认为，两种磁极不能单独存在。介质中的每一个分子电流，都形成一定的磁矩，称作分子的固有磁矩介质磁化的后果就取决于这些分子磁矩的性质与排列方式。顺磁质放到外磁场中，其分子磁矩受到磁场力矩的作用，使分子磁矩的方向发生转向，沿着倾向外磁场一致的方向排列（图7-2a）。由于介质分子热运动的妨碍，各个分子磁矩的这种取向不可能整齐划一，但其转向排列的总效果却与外磁场的强弱有关。一般来说，外磁场越强，分子磁矩排列的就越整齐，转向外场一致的程度就越高。抗磁质实际是一些固有磁矩为零的介质。在某些介质的分子中有许多电子和若干原子核，一个分子的总磁矩取决于所有电子的轨道磁矩、自旋磁矩和原子核的自旋磁矩的矢量和。一些物质恰好这个矢量和为零，而将其放到外磁场中时，其分子却产生反向的感生磁矩（图7-2b)，感生磁矩削弱了外磁场，这类介质就是抗磁质。需要指出的是，抗磁效应在具有固有磁矩的顺磁质分子中同样存在，只不过那里的顺磁效应比抗磁效应强得多，抗磁性被掩盖了。说到抗磁性，顺便介绍一下“超导体的完全抗图7-2顺磁质与抗磁质的磁化电流图7-3超导体的完全抗磁性磁性”。超导体除了在转变温度TC以下电阻完全消失外，还有一个最根本的特性——完全抗磁性。如图7-3，将一块超导体放在外磁场中，其体内的磁感应强度永远为零。这种现象叫做“迈斯纳效应”。在普通的抗磁体内，由于与方向相反，要减小一些。而超导体内的B则完全减小到零，这似乎表明它好象是一个磁化率，的抗磁体，即“完全抗磁体”。但是，造成超导体抗磁性的原因与普通的抗磁体不同，其中的感应电流不是由束缚在原子中的电子轨道运动形成的，而是其表面的传导电流（图7-4）。在增加外磁场的过程中，超导体的表面产生了感应的超导电流，它激发的附加磁感应强度会将体内的磁感应强度完全抵消。当外场达到稳定值后，因为超导体没有电阻，表面的超导电流将一致持续下去，从而是超导体处于完全抗磁的状态。超导体的完全抗磁性可以用图7-5描绘的实验来演示。将一个镀有超导材料（例如铅）的乒乓球放在铅直的外磁场中，由于它的磁化方向与外磁场相反，它将受到一个向上的排斥。这排斥力F与重力mg平衡时，球就悬浮在空中，当重力发生微小的变化时，乒乓球就会上下移动。若用特殊的方法把球的位置上下变化的情况精确的记录下来，就可以精确地确定重力的微小变。跟据这个原理，可以造出极灵敏的超导重力仪来铁磁质则是特殊的一类介质，它们属于特殊的顺磁质。在铁磁质的原子内，一些电子与另一些电子之间存在着一种特殊的相互作用，这种作用使介质内出现了很强的顺磁性。铁磁质中还存在成堆的比分子大许多的具有现成磁性的团快——磁畴，这些磁性很强的磁畴在外场作用下的集体转向排列，使介质出现了强力的铁磁性。在外磁场的作用下，电子的轨道运动、自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变化，都会在原来磁矩m0的的基础上附加一个磁矩△m，不管原有磁矩的方向如何，一般附加磁矩的方向都与外加磁场的方向相反。对于顺磁质和铁磁质而言，固有磁矩都要大于附加磁矩，因而表现出顺磁性；而对抗磁质来说，由于原图7-4超导电流来的固有磁矩为零，因而在外磁场中产生的附加磁矩就表现来，成为反抗外场的磁矩，这就是抗磁质的由来。从分子电流的观点考虑，不管磁化后介质的分子磁矩与原磁场方向相同还是相反，形成它们的分子圆电流都会由于彼此相邻、流向相反而在内部相互抵消，但是它们在磁介质表面上却并未抵消，它们都沿着相同的方向流通（图7-6），在介质表面上形成一层浅薄的电流，相当于在介质表面上密绕了一排通电的导线。如同电介质中的束缚电荷一样，这种电流是分子内的电荷运动一段段接合而成的，它们不同于金属中自由电子定向运动形成的传导电流，而是被牢牢地束缚在介质表层不能自由地引出，因此将它们叫做束缚电流，也叫磁化电流。磁化后顺磁质的磁化电流的总磁矩方向与外场同向，而抗磁质的磁化电流的总磁矩则与外场反向。对比之下，金属中的传导电流（以及其它由电荷的宏观移动形成的电流）由于可以自由引出而称作自由电流。非均匀磁介质放在外磁场中时，除了介质表面会有面磁化电流外，其内部还可以产生体束缚电流，这与非均匀电介质极化时内部会产生体束缚电荷类似。束缚电流的面电流密度用表示，它表示介质表面上单位宽度通过的束缚电流。一般可将磁场中的磁介质在表面上出现束缚电流的现象叫磁介质的磁化。磁荷观点认为，磁介质的最小单元是原子、分子形态的磁偶极子。当介质未磁化前，各个磁偶极子的方向排列是杂乱无章的（图7-6上），它们的影响荷作用相互抵消，因而不能表现出宏观的磁性。如果将介质置于外磁场中时，外场将对每一个分子磁矩产生一个力矩，使它们发生一定程度的转向排列。在顺磁质中，这种转向排列的方向倾向于外磁场方向，并且程度取决于外场的强弱，磁化时就表现出顺磁性；在铁磁质中，分子、原子形态的磁偶极子原本就有一定的定向排列，并且呈现出密集成群的团体，形成具有磁性表现的磁畴，磁化时就表现出强烈的铁磁性。目前已经研制出了具有极强铁磁性的铁磁材料钕硼铁合金，其相对导磁率已达到了106的量级。可是，没能深入到原子分子更深层次的磁场结构中去，磁荷观点却难以很好地解释抗磁质的成因。一个较为模糊的解释，就是抗磁质在磁化后会在效果上产生反向的磁偶极矩。