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铁磁学外传—(2)说不尽的发展史

已有 7711 次阅读 2010-5-3 13:25 |个人分类:铁磁学外传|系统分类:科研笔记| 铁磁学外传

  让我们把目光重新投回1785年,这一年是清乾隆五十年。康乾盛世的浮华在慢慢消散,此时大清帝国的天之娇子们还在努力研读“八股文”。

                       

            库仑,图片引用于网络,无商业用途!)

 而法国物理学家库仑这一年确立了静电荷间相互作用力的规律库仑定律),同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段,是电磁学史上一块重要的里程碑库仑是十八世纪最伟大的物理学家之一,他的杰出贡献永远不会磨灭。

                                       

                   (奥斯特,图片引用于网络,无商业用途!)

 丹麦物理学家奥斯特受康德哲学与谢林的自然哲学的影响,坚信自然力是可以相互转化的,长期探索电与磁之间的联系。18204月终于发现了电流对磁针的作用一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转,显示出电流在其周围的空间产生了磁场,这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果,电流的磁效应。同年721日以《关于磁针上电冲突作用的实验》为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动,导致了大批实验成果的出现,由此开辟了物理学的新领域电磁学1934年以奥斯特命名CGS单位制中的磁场强度单位。

                               

                      安培,图片引用于网络,无商业用途!)

 安培电磁作用方面的研究成就卓著,对数学物理也有贡献。安培最主要的成就是18201827年对电磁作用的研究,阐明了载着电流的线圈所产生的磁场以及电流线圈间相互作用着的磁力 18207月,奥斯特发表关于电流磁效应的论文后,安培报告了他的实验结果通电的线圈与磁铁相似 925日,他报告了两根载流导线存在相互影响,相同方向的平行电流彼此相吸,相反方向的平行电流彼此相斥;对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。通过一系列经典的和简单的实验,他认识到磁是由运动的电产生的。他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。他提出分子电流假说:电流从分子的一端流出,通过分子周围空间由另一端注入;非磁化的分子的电流呈均匀对称分布,对外不显示磁性;当受外界磁体或电流影响时,对称性受到破坏,显示出宏观磁性,这时分子就被磁化了。在科学高度发展的今天,安培的分子电流假说有了实在的内容,已成为认识物质磁性的重要依据。为了进一步说明电流之间的相互作用,18211825年,安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验,并根据这四个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式。1827年,安培将他的电磁现象的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中 ,这是电磁学史上一部重要的经典论著,对以后电磁学的发展起了深远的影响。为了纪念安培在电学上的杰出贡献,电流的单位安培是以他的姓氏命名的。(以自己的名字来命名一个单位,这该是每一个从事物理研究学者的夙愿吧。)

                    

                         法拉第,图片引用于网络,无商业用途!)

 法拉第(1791-1867),英国著名物理学家、化学家。在化学、电化学、电磁学等领域都做出过杰出贡献。他家境贫寒,未受过系统的正规教育,但却在众多领域中作出惊人成就,堪称刻苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。他最出色的工作是电磁感应的发现和的概念的提出。1821年在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后,为这一新的学科领域深深吸引。他刚刚迈入这个领域,就取得重大成果发现通电流的导线能绕磁铁旋转,从而跻身著名电学家的行列。因受苏格兰传统科学研究方法影响,通过奥斯特实验,他认为电与磁是一对和谐的对称现象。既然电能生磁,他坚信磁亦能生电。经过10年探索,历经多次失败后,1831826日终于获得成功。这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电(或断电)的瞬间,在另一组线圈获得的感生电流,他称之为伏打电感应。同年1017日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验,这就是 电磁感应”现象 为解释电磁感应现象,他提出电致紧张态磁力线等新概念。他力图解释电流本质,导致他研究电流通过酸、碱、盐溶液,结果在18331834年发现电解定律,开创了电化学这一新的学科领域。不久以后,他又发现了抗磁性另外,他也发现磁场能对光线产生影响,进而发现两者间的基本关系。在这些研究工作的基础上,他形成了电和磁作用通过中间介质、从一个物体传到另一个物体的思想。于是,介质成了的场所,场这个概念正是来源于法拉第。正如阿尔伯特·爱因斯坦所说,引入场的概念,是法拉第的最富有独创性的思想,是艾萨克·牛顿以来最重要的发现。法拉第,是当之无愧电磁场学说的创始人。后世的人们,选择了法拉作为电容国际单位,以纪念这位物理学大师。

                    

                      麦克斯韦,图片引用于网络,无商业用途!)

  法拉第深邃的物理思想,强烈地吸引了年轻的麦克斯韦。麦克斯韦认为,法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理,他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的。 麦克斯韦集成并发展了法拉第关于电磁相互作用的思想,并于1864年发表了著名的《电磁场动力学理论》的论文,将所有电磁现象概括为一组偏微分方程组,预言了电磁波的存在,并确认光也是一种电磁波,从而创立了经典电动力学

 奥斯特安培发现电流的磁效应开始,经过法拉第的奠基,到理论的完成,前后经历了半个多世纪。最后完成这个理论的人,是英国杰出的数学家物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的伟大科学家。建立了第一个完整的电磁理论体系,不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性,完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。

                   

                    居里夫妇,图片引用于网络,无商业用途!)

1895年,法国物理学家居里发表了他对三类物质的磁性的大量实验结果,他认为:抗磁体的磁化率不依赖于磁场强度且一般不依赖于温度;顺磁体的磁化率不依赖于磁场强度而与绝对温度成反比(居里定律);铁在某一温度(居里温度)以上失去其强磁性。

                    

                            郎之万,图片引用于网络,无商业用途!)

经过19世纪的蓬勃发展,磁学研究跨入了20世纪的门槛。法国物理学家朗之万1905年提出了抗磁性和顺磁性的经典理论,但十多年后范列文证明,朗之万理论中的某些假设不合于经典统计力学原理,及至原子结构的量子论模型兴起后,朗氏的假设又成为可允许的。

1907年,法国物理学家外斯提出分子场理论,扩展了郎之万的理论。1921年,奥地利物理学家泡利提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位。美国物理学家康普顿提出电子也具有自旋相应的磁矩。1928年,英国物理学家狄拉克用相对论量子力学完美地解释了电子的内禀自旋和磁矩。并与德国物理学家海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在,奠定了现代磁学的基础。

                       

  海森堡,图片引用于网络,无商业用途!)

1927海森堡首次提出并证明了量子力学的测不准原理。紧接着玻尔发展了互补性原理。至此量子力学的基本概念得到了完备自洽的物理解释。海森伯于1927年提出不确定性,阐明了量子力学诠释的理论局限性,对某些成对的物理变量,例如位置和动量,能量和时间等,永远是互相影响的;虽然都可以测量,但不可能同时得出精确值。不确定性适用于一切宏观和微观现象,但它的有效性通常只明显地表现在微观领域。1929年,他同泡利一道曾为量子场论的建立打下基础 ,首先提出基本粒子中同位旋的概念。海森堡晚年致力于建立一个描述基本粒子及其相互作用的统一量子场论。他的研究工作最初得到了泡利的支持,但是后来泡利开始怀疑海森堡的物理想法并最终退出了合作。海森堡的有关研究结果虽然在1959年后陆续发表,却没有被物理学界广泛接受。尽管如此,海森堡的所谓非线性旋量场理论包含了许多具有创新意义的物理思想,启发后人最终成功地建立了电磁和弱相互作用的统一量子理论。

                

  (1975年伊辛,图片引用于网络,无商业用途!)

 伊辛1925年解出的精确解表明一维伊辛模型中没有相变发生。在铁和镍这类金属中,当温度低于居里温度(铁磁性)时,原子的自旋自发地倾向某个方向,而产生宏观磁矩。温度高于居里温度时自旋的取向非常紊乱因而不产生净磁矩。当温度从大于或小于两边趋于居里温度时,金属的比热容趋于无限大。这是物质在铁磁性状态和非铁磁性状态之间的相变,它并不包含在厄任费斯脱所分类的相变中。伊辛模型就是模拟铁磁性物质的结构,解释这类相变现象的一种粗略的模型。它的优点在于,用统计物理方法,对二维情形求得了数学上严格的解。这就使得铁磁性物质相变的大致特征,获得了理论上的描述。

1936年,苏联物理学家郎道完成了巨著理论物理学教程,其中包含全面而精彩地论述现代电磁学和铁磁学的篇章。

 19世纪30年代初,法国物理学家奈耳从理论上预言了反铁磁性,并在若干化合物的宏观磁性方面获得了实验证据。1948年他又对若干铁和其他金属的混合氧化物的磁性与铁磁性的区别作了详细的阐释,并称这类磁性为亚铁磁性。于是就有了五大类磁性(顺磁性,抗磁性,铁磁性,亚铁磁性,反铁磁性)。最近十多年来又有些学者提出了几种磁性的新名称,但这些都属于铁磁性的分支。

 1967年,旅美奥地利物理学家斯奈特在量子磁学的指导下发现了磁能积很高的稀土磁体(SmCo5),从而揭开了永磁材料发展的新篇章。1974年,第二代稀土永磁Sm2Co17问世。1983年,日本佐川真人(Sagawa)等首先用粉末冶金的方法研制出高性能的Nd-Fe-B系永磁体,宣告了第三代永磁材料的诞生1990 年,原子间隙磁体Sm-Fe-N问世。1991年,德国物理学家克内勒提出了双相复合磁体交换作用的理论基础,指出了纳米晶磁体的发展前景。

 滚滚长江东逝水,浪花何曾淘尽英雄?真正的英雄,是纵有畏惧而依然直面前行,英雄榜上铭记的永远都是那些永不言弃的人们!一部磁学发展史,诉说的终究是那些英雄的传奇。

参考文献

[1] 百度百科
                

                      

                         (永磁材料发展史,引用于网络,无商业用途!)



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