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第2章 物质的磁性 2.1 磁偶极子、磁矩及磁场 在磁学和电学还处于彼此独立研究的时期，人们仿照静电学，认为磁极上有一种叫做“磁荷”的东西，极上的叫正磁荷，以表示，极上的叫负磁极，以表示。 因从未发现单个磁极出现，历史上曾提出“元磁双极”假说。当磁体无限小时，体系定义为磁偶极子。如图1-1所示。 图1-1磁偶极子 现在，我们考虑两个磁极，设它们的磁极强度分别是和，两者之间的距离为，则这一对磁偶极子产生的磁偶极距为 (2-1） 是一个从+m到-m的矢量，它的单位是 磁荷之间相互作用的规律是磁的库仑定律，即两个点磁荷之间的相互作用力沿着它们之间的连线方向，与它们之间的距离的平方成反比，与每个磁荷的数量（或磁极强度）和成正比： (2-2） 实验证明，磁极在它周围产生磁场，这磁场又对附近的磁极给予作用力，正如静电学中的电场强度矢量一样，我们规定磁场强度矢量是这样一个矢量，其大小等于单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，其方向与正磁荷在该处所受磁场力的方向一致： (2-3） 式中的单位是 【磁单极】 磁单极一词最早出现在1931年狄拉克的一篇论文中。他从分析量子系统波函数相位的不确定出发，指出现有理论允许只带一种磁极性（n极和s级）的粒子（磁单极）单独存在，预言其理论值为2h/e, 即8.27117*10-′[Wb],h是普朗克常数，h=6.6256*10-34 [J.s],e是电子电量, e=1.6021*10-19[C]。并且导出相应的狄拉克量子化条件： （n=1,2,3,…）。如果自然界存在磁荷，则任何粒子的电荷必然是量子化的，即是电子电荷的整数倍。如果磁单极确实存在，它在一定程度上解释了目前实验上观测到的带电粒子电荷量子化现象，即任何一种带电物质不管它们在其他方面的性质如何，它们所带的电荷精确地等于电子电荷的整数倍，例如试验测得的质子电荷与电子电荷的绝对值在很高精度上相等。从粒子所带的电荷可以看出。 每种粒子都具有确定的电荷。实验表明，已发现的粒子的各种粒子的电荷都是质子电荷e的整数倍。这个规律称为电荷量子化。对电荷量子化的最精确实验验证是测量质子和电子电荷的代数和，如果电荷量子化严格成立，则其值应严格为零。现有试验给出质子和电子电荷的代数和的绝对值小与10-12e。这表明电荷量子化在相当高的精度下成立。质子电荷的现有试验值为： e = (4.803242±0.000014)×10-10esu= (1.6021892±0.0000046)×10-19C. 现已发现基本粒子电荷的绝对值最大为电荷的两倍。现有强子结构理论认为：组成强子的更深层次的粒子夸克具有分数电荷，即其电荷为质子电荷的2/3倍或-1/3。但由于理论上推测夸克受到色禁闭的限制，而不可能自由存在，实验上也确未发现自由夸克的存在，很可能自然界能够自由存在的粒子电荷仍然是质子电荷的整数倍。夸克的电荷取值为2/3e和-1/3e的论断已由几个独立的实验间接证明 磁荷的近代观念认为，一对磁荷就象一对基本粒子一样，可以在很强的核事件中产生和消失。磁荷，即现在人们习惯称谓的磁单极。 几十年来，人们不停地研究、捕捉磁单极。1975年夏，美国加利福尼亚大学和休斯顿大学组成的联合研究小组声称：他们用气球升到高空的宇宙射线探测仪探测到了磁单极。分析由探测仪上的热塑聚碳脂叠片的宇宙射线粒子刻蚀径迹，认为可能是磁荷g≈137e的磁单极或是质子数Z 125的超重原子核。进一步综合分析实验观测结果，研究小组的科学家认为只可能是磁单极。当时，引起科学界的轰动。但不久，有人对探测结果表示怀疑，认为这一观测结果可以解释为某种原子核，例如Z=96的锔（Cm）的原子核衰变的结果。1982年，美国的布拉斯.卡布瑞(Blas·Cabrera)把一个直径50mm的铌线圈降温到9K,使之成为超导线圈，再把它放在一个超导的铅箔圆筒中。该圆筒可以屏蔽掉一切带电粒子的磁通量，只有磁单极进入铌线圈后可引起磁通量的变化。1982年2月14日，他的仪器探测到磁通量突然增高。经分析，卡布瑞认为这是由于磁单极进入铌线圈引起的变化。但是这一结果仍未得到世人公认。 尽管目前实验上尚未肯定找到磁单极，但因为磁单极的解是由理论中自然而得到的，而且它能够较自然的解释电荷量子化现象，所以磁单极目前仍吸引一部分理论和实验物理学家去进行研究如果。现有的电磁学理论都是以“一切磁现象是由电流引起，不存在磁荷”这一学说为基础，一旦证实了磁单极的存在，电磁学理论将要做重大修改。麦克斯韦（Maxwell）电磁方程组中 （高斯定理）