电磁场第1章物理基础习.ppt

第一章电磁场的物理基础 电磁场导论 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。 什么是磁性？简单说来，磁性是物质放在不均匀的磁场中会受到磁力的作用。 在相同的不均匀磁场中，由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度，来确定物质磁性的强弱。 因为任何物质都具有磁性，所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用。 磁性的来源 物质是由原子组成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成的。原子核好象太阳，而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外，电子除了绕着原子核公转以外，自己还有自转（叫做自旋），跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的 “ 太阳系 ” ）。 另外，如果一个原子的核外电子数量多，那么电子会分层，每一层有不同数量的电子。第一层为 1s ，第二层有两个亚层 2s 和 2p ，第三层有三个亚层 3s 、 3p 和 3d ，依此类推。如果不分层，这么多的电子混乱地绕原子核公转，是不是要撞到一起呢？ 在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有 N 极和 S 极。也就是说，电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况。 既然电子的自转会使它成为小磁铁，那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢？ 当然不是。如果是的话，岂不是所有的物质都有磁性了？ 为什么只有少数物质（象铁、钴、镍等）才具有磁性呢？ 原来，电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多，，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性。而对于大多数自转方向不同的电子数目不同的情况来说，虽然这些电子所磁矩不能相互抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之间没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物体没有强磁性。 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。 安培分子电流假说 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。  安培简介 安德烈·玛丽·安培（André-Marie Ampère，1775年—1836年），法国物理学家，在电磁作用方面的研究成就卓著，对数学和化学也有贡献。电流的国际单位安培即以其姓氏命名。 磁电联系 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 。  磁力线可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。 但是必须明白，磁力线是我们为了理解方便而假想的，实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。 我们知道，物质之间存在万有引力，它是一种引力场。磁场与之类似，是一种布满磁极周围空间的场。 磁场的强弱可以用假想的磁力线数