谢尔万古力-毕业论文概要

2010届本科毕业论文题目：物质抗磁性与顺磁性的经典理论学院：物理与电子工程学院专业班级：2006级物理实验班学生姓名：谢尔万古力·吐尔逊指导教师：努尔拉副教授答辩日期：2010年5月15日新疆师范大学教务处新疆师范大学2010届本科毕业论文1目录1引言..............................................................12物质磁性的研究历史................................................12.1Faraday和Weber的抗磁性研究.................................12.1Faraday和Weber的抗磁性研究.................................43物质的抗磁性与顺磁性的经典理论....................................53.1Gurie定律及其理论解释.......................................53.2王小林的抗磁性经典统计解释，抗磁性研究......................53.3抗磁性与顺磁性的经典理论....................................8参考文献：.........................................................14附录..............................................................15致谢..............................................................16新疆师范大学2010届本科毕业论文2物质抗磁性与顺磁性的经典理论摘要：自然界所有物质的本质就是磁，磁的本质就是电.这两种科学同步发展起来的.物质的抗磁性与顺磁性的研究在科学研究领域中很重要的题目之一.在教材中对此研究进行较浅的讨论，在本文中阐述抗磁性和顺磁性的本质及对抗磁性进行较为深刻的研究.关键词：抗磁性；顺磁性；磁矩；磁化率新疆师范大学2010届本科毕业论文11引言物质的种种宏观性质必然涉及构成它的微观粒子的行为．微观粒子所遵守的量子规律与宏观物质的规律是完全不同的．在量子力学尚未诞生之前的经典电子论，采用经典理论和经典方法来处理微观现象。2物质磁性的研究历史磁性是物质的一种基本属性，中国是最早研究磁性现象的国家之一．在远古时代，人们就发现了天然磁石吸引铁的磁现象．11世纪初北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中，第一次记载了指南针的制作和作用．沈括还首先发现了地磁偏角．12世纪初，我国已有指南针用于海航的明确记载．最早对磁现象进行系统研究的西方人是13世纪的P．Peregrines，比沈括晚了200多年首先引进了“磁极”的概念．Peregrines总结出“异性相吸，同性相斥”的特点，这比电的对应现象的发现要早四个多世纪．2.1Faraday和Weber的抗磁性研究1778年A.Brugmans最早发现铋被磁极排斥，但当时这一发现并未引起人们的注意．1872年，LeBaillif再次报导铋和锑被磁极排斥的现象．在Faraday之前的物理学家虽然发现了抗磁现象，但不知道进一步应该做些什么，怎样从这种新现象中发掘出新东西．Faraday在解释抗磁现象时，假设抗磁体与顺磁性一样，在磁场中会感应出磁性，并产生南北两种极性．抗磁体与铁磁体区别在于，两者感应出来的“极性”正好相反．Faraday认为，当螺线管中的电流所产生的磁场作用于铁磁体时，其中感应出的电流方向与螺线管中的电流方向一致，故被吸引；当磁场作用于抗磁体时，其中感应出的电流方向与螺线管中的电流方向相反，故被排斥．Weber在1848-1855年间也研究过抗磁体，Weber的抗磁理论是建立在Ampere的电动力学基础上的．Weber认为，物质内的分子电流不受任何阻力，可以把分子看作是理想导体．Weber假定，抗磁体的分子内并不存在原始电流，但存在某些无电阻的电流通道．如图2-1所示，Weber考虑一环形通道，其法线方向为n，包围的面积为S．当外磁场从0增加到H时，在环中因感应而产生的瞬间电动势为(cos)dLiHSdx(2-1)式中L是环的自感系数,是外磁场H与n之间的夹角．由电路方程,新疆师范大学2010届本科毕业论文2图2-1cos0dLiHSRidx(2-2)上式等于零是因为电路的电阻0R．积分，得cos0LiHSLi(2-3)当0H即无外磁场时分子为原始状态，0i是分子的原始电流,已假定分子不存在原始电流,即00i,故上式变为cosHSiL（2-4）式中i是加磁场H后在环中感应出来的瞬时电流.由电流i产生的相应磁矩m为2cosHSmiSL该磁矩在磁化方向(即H方向)的分量为22cosHSmzL（2-5）在分子中存在其他导电环,他们的法线n的取向各不相同.假设各导电环的空间取向均匀分布,导电环中感应电流的磁矩在垂直于磁化方向(即垂直于HH方向)的投影之和应为零(即各mx之和为零,各my之和为零),因此,单位体积内的总磁矩M(即各mz之和).由于各mz中的2cos的大小各有不同,求和的结果可用平均值2cos表示,为22cosNHSMMmzzL（2-6）式中2cos是2cos在4立体角内的平均值,为新疆师范大学2010届本科毕业论文31222coscossin00412cossin0213ddd（2-7）故磁化强度为2NSMHL（2-8）磁化率为23NSL（2-9）式中为负值,表明物质的磁化方向与外加磁场强度方向相反,即M与H反向,属于抗磁体.Weber认为，既然抗磁体在磁场作用下具有了磁性，并具有两个极，它就应与磁铁棒一样，当它在线圈中运动时，在线圈中将会出现感应电流．为此，Weber做下了如下的实验．如图2-2所示，A为产生磁场的电磁铁，B为串有电流计的螺线管绕在空心木管上，C为具有抗磁性的铋棒．当将铋棒迅速插入B中时，电流计的指针向一边偏转，表明B中产生了反向的感应电流．根据这个实验，WebeR中企图证明铋棒与铋棒一样具有磁性并具有“极性”．1948年，Faraday把铋在磁场中呈现的抗磁力称为“磁晶力”，认为，“磁晶力”是抗磁体所固有的力，来源于抗磁体分子在磁场中产生极化，因而抗磁性与抗磁体分子的极化状态有关．亦即“磁晶力”属于极化力．但是磁力线总是闭合的，找不到任何极性．因此，Faraday认定，抗磁体内的磁力线也必定是非极性力线，“磁晶力”不属于极化力．图2-2既然，“磁晶力”不是极化力，Faraday认为，它或许是一种感应力，，Faraday把铋在高温下熔化，并在强磁场作用下缓慢冷却，冷却后再把铋块打碎，观察晶粒的取向．Faraday发现，晶粒的取向总是杂乱无章的．由此，Faraday认为，“磁晶力”也不属于感应力．Faraday的一系列实验表明，抗磁体的“磁晶力”新疆师范大学2010届本科毕业论文4既不是因磁场作用产生极化而引起的极化力，又不是因磁感应而引起的感应力，一定是另一种原因导致了抗磁性．Faraday推测，磁力线在通过物体时会受到物体的影响，一些物体比较容易被磁力线通过，亦即能收集磁力线，这些物体就表现出顺磁性；另一些物体不容易被磁力线通过，亦即能排斥磁力线，这些物体就表现出抗磁性．2.2Faraday的经典理论，顺磁性研究1850年，W.Thomson曾多次与Faraday就抗磁性问题交换意见．在W.Thomson给Faraday画了一幅如图2-3所示的图．图中一个是顺磁体球，通过它的磁力线比较密集；另一个是抗磁体球，通过它的磁力线比较稀疏．根据W.Thomson提供的图示分析，Faraday认识到磁力线并不是物体所固有的，物体在磁场中不会产生新的磁力线，而只能改变已有磁力线的空间分布．顺磁体球抗磁体球图2-3据此，Faraday提出了物质的导磁性原理，认为不同物质具有不同的导磁能力，即具有不同的磁导率．顺磁体的磁导率高，磁力线比较容易通过，能收集空间的磁力线．抗磁体的磁导率小，磁力线的通过时会遇到阻力而不易通过，因而要排斥空间的磁力线．根据这个原理，顺磁体要向磁力线密集的方向运动，而抗磁体则要向磁力线稀疏的地方运动．这就解释了顺磁体被磁极吸引而抗磁体则被磁极排斥的现象．1849年，Faraday重做了前面提到的Weber实验（见图2）．Faraday确实观察到在线圈B中产生了感应电流．Faraday认为，铋棒的运动只是提供了产生感应电流的条件．铋棒插入B管时，由于铋棒要排斥磁力线，从而使通过B管的磁力线数减少了；铋棒拉出B管时，通过B管的磁力线数恢复到原来的数目，正是通过B管的磁力线数的这种变化才导致感应电流的产生．Faraday关于物质磁性所做的一系列实验及相关的研究结果，对电磁学的发展具有深远意义．物质所受的磁力直接来自磁力线，这实际上就是场的观点．Faraday对磁性物质的研究把顺磁体和抗磁体统一了起来，即磁导率的大小，在此在电磁学中首次有了磁导率的概念．新疆师范大学2010届本科毕业论文53物质的抗磁性与顺磁性的经典理论3.1Gurie定律及其理论解释1891-1895年间，法国物理学家P．Gurie对物质磁性的研究使磁学得到了重大的发展．当时，习惯上把物质截然分为抗磁体，顺磁体，强磁体（铁磁体）三类．Gurie对此持有怀疑，她想弄清楚这三类磁性是否果真不能相互过度．为此Gurie研究了各种物质在不同的条件下，特别是在不同的温度下显示出来的磁性．温度范围从室温到1370℃内Gurie测定了各种物质的磁化率．Gurie的实验表明，顺磁体和抗磁体的磁性都很弱，即它们的都很小，故都称为弱磁物质．顺磁体的0，抗磁体的0．对于顺磁体，其磁化率与磁场强度H无关，但与绝对温度T成反比，即CT（3-1）由实验得出的上述关系称为Gurie定律，式中的常量C称为Gurie常量．Gurie还发现，强磁体（铁磁体）在某个温度CT之上时，会转变成顺磁体，此时其磁化率与绝对温度T的关系为CCTT（3-2）式中CT称为Gurie温度．对于抗磁体，不仅与磁场强度H无关，也不依赖于温度T．以上结果表明，顺磁体和强磁体可以随温度的变化而相互转化，可见两者在产生磁性的原因上有密切关系；但抗磁体与顺磁体之间却无法接近和转化．因此，Gurie认为顺磁性与抗磁性是由全然不同的原因引起的．顺磁体的磁性状态类似于气态，而强磁体则类似于液态．Gurie的这种类比为Weiss提供铁磁性的唯象理论提供了有益的启示．3.2王小林的抗磁性经典统计解释，抗磁性研究从原子在外磁场中能量的改变出发，对于电子轨道角动量不平行于外磁场方向的任意情况，利用经典统计原理，得到与Faraday一样的理论结果．新疆师范大学2010届本科毕业论文63.2.1原子在外磁场中的磁矩与能量改变为了简单起见，仅讨论原子核外只有一个电子的介质的磁化（对多电子原子，只需把下面的角动量理解为所有电子角动量之和，最终结果乘以原子序数,结果中2r的换为平均值2r即可）．该介质原子的故有磁矩为22eeemmLrωr（3-3）当加上外磁场B后，电子除了绕核作轨道运动外，还要产生一种附加的进动，即拉莫尔进动．但从宏观平衡来看，物质中偶极矩所产生的磁场比外磁场B要弱得多，故可由外磁场B来代替实际磁场．因此，其进动角速度为2LeemωB（3-4）由于拉莫尔进动，原子在外磁场中的磁矩为2Lemrωωr2224eeeermmLBrBr（3-5）式中第二项正是电子进动产生的附加磁矩．物质的抗磁性是磁场对电子轨道的作用结果，应该发生在任何原子或分子中，因此是普通存在的．但只有在所有电子的轨道角动量完全抵消时，抗磁性才显示出来；如非