科普图文——磁学：磁学基础（图）

新用户

在别的网站上看到这片科普读物，觉得不错，转过来给这里有兴趣的朋友看看，也许可以受益！

 

 

磁学基础www.ddhw.com

磁是什么？一般提起磁，有些人都觉得磁是较为少见的，好象主要就是磁石或磁铁吸引铁，如图1中磁铁吸引铁粉，和指南针指示南北方向，如图2中显示的古代指南器(司南)模型，可以指示南北方向，而把一般物质称为无磁性或非磁性。

图1　磁铁吸引铁粉

图2　司南模型

www.ddhw.com

情况真是这样吗？现代科学的发展已经表明这样的看法是不对的。现代科学研究和实际应用已经充分证实：任何物质都具有磁性，只是有的物质磁性强，有的物质磁性弱；任何空间都存在磁场，只是有的空间磁场高，有的空间磁场低。所以说包含物质磁性和空间磁场的磁现象是普遍存在的。

常见磁现象

我们的生活每时每刻都和磁性有关。没有它，我们就无法看电视、听收音机、打电话；没有它，连夜晚甚至都是一片漆黑。　　人类虽然很早就认识到磁现象，但直到了现代，人们对磁现象的认识才逐渐系统化，发明了不计其数的电磁仪器，象电话、无线电、发电机、电动机等。如今，磁技术已经渗透到了我们的日常生活和工农业技术的各个方面，我们已经越来越离不开磁性材料的广泛应用。

www.ddhw.com　　由于物质的磁性既看不到，也摸不着，我们无法通过自己的五种感官（听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉）直接体会磁性的存在，但人们还是在实践中逐步揭开了其神秘面纱。磁铁总有两个磁极，一个是N极，另一个是S极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了两块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小，它总是有N极和S极，也就是说N极和S极总是成对出现，无法让一块磁铁只有N极或只有S极。

　　磁极之间有相互作用，即同性相斥、异性相吸。也就是说，N极和S极靠近时回相互吸引，而N极和N极靠近时回互相排斥。知道了这一点，我们就明白了为什么指南针会自动指示方向。原来，地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近。这样，如果把一块长条形的磁铁用细线从中间悬挂起来，让它自由转动，那么，磁铁的N极就会和地球的S极互相吸引，磁铁的S极和地球的N极互相吸引，使得磁铁方向转动，直到磁铁的N极和S极分别指向地球的S极和N极为止。这时，磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近。

www.ddhw.com

磁性与磁场

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。图3是测量物质磁性的磁天平仪。

图3　磁天平仪

图4　磁力线

www.ddhw.com

怎样表示物质磁性的强弱呢？为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它？在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象？铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。其中，N极和S极之间的曲线是连续的，也就是说曲线从N极直至S极。而S极和S极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。这种现象说明，磁铁的磁极之间存在某种联系。因此，我们可以假想，在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从N极出发，最终进入S极。这样，只要有磁极存在，它就向空间不断地发出磁力线，而且离磁极近的地方磁力线密，而远处磁力线稀疏（图4）。铁粉末的排列形状就是磁力线的走向。

图5　磁通量

www.ddhw.com

有了磁力线，我们就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量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱（图5）。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。

图6　特斯拉计

www.ddhw.com

运动的带电粒子在磁场中会受到一种称为洛仑兹(Lorentz)力作用。由同样带电粒子在不同磁场中所受到洛仑磁力的大小来确定磁场强度的高低。图6是测量脉冲强磁场的磁通密度的特斯拉磁强计，简称特斯拉计。特斯拉是磁通密度的国际单位制单位。磁通密度是描述磁场的基本物理量，而磁场强度是描述磁场的辅助量。特斯拉(Tesla，N)(1886~1943)是克罗地亚裔美国电机工程师，曾发明变压器和交流电动机。　　物质的磁性不但是普遍存在的，而且是多种多样的，并因此得到广泛的研究和应用。近自我们的身体和周边的物质，远至各种星体和星际中的物质，微观世界的原子、原子核和基本粒子，宏观世界的各种材料，都具有这样或那样的磁性。

　　世界上的物质究竟有多少种磁性呢？一般说来，物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性，再根据磁性的不同特点，弱磁性又分为抗磁性、顺磁性和反铁磁性，强磁性又分为铁磁性和亚铁磁性。这些都是宏观物质的原子中的电子产生的磁性，原子中的原子核也具有磁性，称为核磁性。但是核磁性只有电子磁性的约千分之一或更低，故一般讲物质磁性和原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性。原子核的磁性很低是由于原子核的质量远高于电子的质量，而且原子核磁性在一定条件下仍有着重要的应用，例如现在医学上应用的核磁共振成像(也常称磁共振CT，CT是计算机化层析成像的英文名词的缩写)，便是应用氢原子核的磁性。

www.ddhw.com

磁性的来源

图7　原子

www.ddhw.com

物质的磁性来自构成物质的原子，原子的磁性又主要来自原子中的电子。那么电子的磁性又是怎样的呢？从科学研究已经知道，原子中电子的磁性有两个来源。一个来源是电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为自旋磁矩；另一个来源是原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨道磁性，称为轨道磁性。我们知道，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”（图7）。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？

图8　向上与向下
自转的电子数相等

www.ddhw.com

图9　向上与向下
自转的电子数不等

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。www.ddhw.com　　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，如图8所示，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。而低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。只有少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样，这样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，如图9所示。这样，整个原子具有总的磁矩。同时，由于一种被称为“交换作用”的机理，这些原子磁矩之间被整齐地排列起来，整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时，物体显示的磁性强弱也不同。例如，铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多，原子的总剩余磁性最强。而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少，所有它的磁性比较弱。

抗磁性和抗磁共振(回旋共振)

图10　半导体单晶锗(Ge)
的回旋(抗磁)共振谱

www.ddhw.com

物质的抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。但是当受到外加磁场作用时，电子轨道运动会发生变化，而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩。这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数(量)。磁化率是物质在外加磁场作用下的合磁矩(称为磁化强度)与磁场强度之比值，符号为κ。一般抗磁(性)物质的磁化率约为负百万分之一(-10-6)。常见的抗磁物质：水、金属铜、碳(C)和大多数有机物和生物组织。抗磁物质的一个重要特点是磁化率不随温度变化。物质抗磁性的应用主要有：由物质的磁化率研究相关的物质结构是磁化学的一个重要研究内容；一些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直流)磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振(常称回旋共振)，由此可测定半导体中载流子(电子和空穴)的符号和有效质量(如图10所示)；由生物抗磁(性)组织的磁化率异常变化可推测该组织的病变(如癌变)。www.ddhw.com

顺磁性和顺磁微波量子放大器

图11　半导体单晶硅(Si)
的回旋(抗磁)共振谱

www.ddhw.com

物质的顺磁性是另一种弱磁性。顺磁(性)物质的主要特点是原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因而具有原子或分子磁矩。但是原子(或分子)磁矩之间并无强的相互作用(一般为交换作用)，因此原子磁矩在热骚动的影响下处于无规(混乱)排列状态，原子磁矩互相抵消而无合磁矩。但是当受到外加磁场作用时，这些原来在热骚动下混乱排列的原子磁矩便同时受到磁场作用使其趋向磁场排列和热骚动作用使其趋向混乱排列，因此总的效果是在外加磁场方向有一定的磁矩分量。这样便使磁化率(磁化强度与磁场强度之比)成为正值，但数值也是很小,一般顺磁物质的磁化率约为十万分之一(10-5)，并且随温度的降低而增大。常见的顺磁物质有氧气、金属铂(白金)、一氧化氮、含掺杂原子的半导体{如掺磷(P)或砷(As)的硅(Si)}、由幅照产生位错和缺陷的物质等。还有含导电电子的金属如锂(Li)、钠(Na)等，这些顺磁(性)金属的顺磁磁化率却与温度无关，这种金属的特殊顺磁性是可以用量子力学解释的。顺磁性虽是一种弱磁性，但也有其重要的应用，例如，从顺磁物质的顺磁性和顺磁共振可以研究其结构，特别是电子组态结构；利用顺磁物质的绝热退磁效应可以获得约1-10-3K的超低温度，这是一种产生超低温度的重要方法；在顺磁性和顺磁共振基础上发展起来的顺磁微波量子放大器，不但是早期研制和应用的一种超低噪声的微波放大器，而且也促进了激光器的研究和发明，图11是一种顺磁微波量子放大器的示意图；在生命科学方面，如血红蛋白和肌红蛋白在未同氧结合时为顺磁性，但在同氧结合后便转变为抗磁性，这两种弱磁性的相互转变就反映了生物体内的氧化和还原过程，因而其磁性研究成为这种重要生命现象的一种研究方法；如果目前医学上有着重要应用的核磁共振成像技术发展到电子顺磁共振成像技术，可以预料利用这一技术便可显示生物体内顺磁物质(如血红蛋白和自由基等)的分布和变化，这会在生命科学和医学上得到重要的应用。www.ddhw.com

 

新用户

电磁感应 电和磁是不可分割的，它们始终交织在一起。简单地说，就是电生磁、磁生电。www.ddhw.com 电生磁 图1　右手定则 如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场。导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。磁场成圆形，围绕导线周围。磁场的方向可以根据“右手定则”(见图1)来确定：将右手拇指伸出，其余四指并拢弯向掌心。这时，拇指的方向为电流方向，而其余四指的方向是磁场的方向。实际上，这种直导线产生的磁场类似于在导线周围放置了一圈NS极首尾相接的小磁铁的效果。www.ddhw.com 图2　螺旋管电磁场 如果将一条长长的金属导线在一个空心筒上沿一个方向缠绕起来，形成的物体我们称为螺线管。如果使这个螺线管通电，那么会怎样？通电以后，螺线管的每一匝都会产生磁场，磁场的方向如图2中的圆形箭头所示。那么，在相邻的两匝之间的位置，由于磁场方向相反，总的磁场相抵消；而在螺线管内部和外部，每一匝线圈产生的磁场互相叠加起来，最终形成了如图2所示的磁场形状。也可以看出，在螺线管外部的磁场形状和一块磁铁产生的磁场形状是相同的。而螺线管内部的磁场刚好与外部的磁场组成闭合的磁力线。在图2中，螺线管表示成了上下两排圆，好象是把螺线管从中间切开来。上面的一排中有叉，表示电流从荧光屏里面流出；下面的一排中有一个黑点，表示电流从外面向荧光屏内部流进。www.ddhw.com 图3　电磁铁 图4　电磁铁磁极 电生磁的一个应用实例是实验室常用的电磁铁。为了进行某些科学实验，经常用到较强的恒定磁场，但只有普通的螺线管是不够的。为此，除了尽可能多地绕制线圈以外，还采用两个相对的螺线管靠近放置，使得它们的N、S极相对，这样两个线包直接就产生了一个较强的磁场。另外，还在线包中间放置纯铁（称为磁轭），以聚集磁力线，增强线包中间的磁场，如图3、图4所示。www.ddhw.com 图5　通电导线的磁场 对于一个很长的螺线管，其内部的磁场大小用下面的公式计算：H=nI　　在这个公式中，I是流过螺线管的电流，n是单位长度内的螺线管圈数。 　　如果有两条通电的直导线相互靠近，会发生什么现象？我们首先假设两条导线的通电电流方向相反，图5(a)所示。那么，根据上面的说明，两条导线周围都产生圆形磁场，而且磁场的走向相反。在两条导线之间的位置会是说明情况呢？不难想象，在两条导线之间，磁场方向相同。这就好象在两条导线中间放置了两块磁铁，它们的N极和N极相对，S极和S极相对。由于同性相斥，这两条导线会产生排斥的力量。类似地，如果两条导线通过的电流方向相同，图5(b)所示，它们会互相吸引。 www.ddhw.com 如果一条通电导线处于一个磁场中，由于导线也产生磁场，那么导线产生的磁场和原有磁场就会发生相互作用,使得导线受力。这就是电动机和喇叭的基本原理。 磁生电 如果把一个螺线管两端接上检测电流的检流计，在螺线管内部放置一根磁铁。当把磁铁很快地抽出螺线管时，可以看到检流计指针发生了偏转，而且磁铁抽出的速度越快，检流计指针偏转的程度越大。同样，如果把磁铁插入螺线管，检流计也会偏转，但是偏转方向和抽出时相反。 图6　磁生电 www.ddhw.com 为什么会发生这种现象呢？我们已经知道，磁铁会向周围的空间发出磁力线。如果把磁铁放在螺线管中，那么磁力线就会穿过螺线管。这时，如果把磁铁抽出，磁铁远离了螺线管，将造成穿过螺线管的磁力线数目减少（或者说线圈内部的磁通量减少）。正是这种穿过螺线管的磁力线数目（也就是磁通量）的变化使得螺线管中产生了感生电动势。如果线圈闭合，就产生电流，称为感生电流。如果磁铁是插入螺线管内部，这时穿过螺线管的磁力线增多，产生的感生电流和磁铁抽出时相反（图6）。 那么，如何决定线圈中感生电动势的大小和方向呢？从上面的实验我们知道，磁铁抽出的快慢决定检流计指针的偏转程度，这实际上是说，线圈中的感生电动势的大小与线圈内部磁通量的变化率成正比。这称为法拉第定律。 图7 感应电流 www.ddhw.com 通过实验我们可以证实，如果磁铁抽出，导致线圈中的磁通量减少，那么在线圈中产生的感生电流的方向是它所产生的磁通量能够补偿由于磁铁抽出引起的磁通量降低，也就是说，感生电流所产生的磁通量总是阻碍线圈中磁通量的变化。这称为楞次定律。如图7所示，如果磁铁从线圈中向上抽出，将使得线圈中的磁通量减少，这时如果线圈是闭合的，线圈中产生感生电流，该感生电流的方向是：它产生的磁力线的方向也指向下方，以补偿由于磁铁抽出导致的磁通量减少。　　变化的磁场可以在线圈中感应出电流，这就是发电机和麦克风的基本原理。 www.ddhw.com 涡流 图8 涡流 在一根导体外面绕上线圈，并把线圈通交流电，那么线圈就产生交变磁场。由于线圈中间的导体在圆周方向是可以等效成一圈圈的闭合回路，所以在导体的圆周方向会产生感生电流，电流的方向沿导体的圆周方向转圈，就象一圈圈的漩涡，所以这种情况下产生的感生电流被称为涡流，如图8所示。导体的外周长越长，交变磁场的频率越高，涡流就越大。 图9 变压器 www.ddhw.com 涡流有时非常有害，如图9，变压器的铁芯在工作时会产生涡流，增加能耗，并导致变压器发热。为了减少发热，降低能耗，提高变压器效率，一般不用整块材料作铁芯，而是把铁芯材料首先轧制成很薄的板材，板材外面涂上绝缘材料，再把板材迭放在一起，形成铁芯。这样，变压器在工作时，铁芯中的每一片材料的回路都很小，涡流就降低了。　　但有时我们又要利用涡流。既然导体中有电流可以发热，我们就能够利用足够大的电力在导体中产生很大的涡流，使金属受热甚至熔化。根据这个道理，人们制造出了感应炉，用来冶炼金属。为了增大涡流，采用高频大功率的交流电。在感应炉中，有产生高频电流的电源，有产生交变磁场的线圈，线圈中间放置一个耐火材料制造的坩埚，用来放有待熔化的金属。

新用户

磁的应用——磁在收音机中的应用 图1　收音机中应用的永磁式电声喇叭示意图 收音机用到多种磁性材料和磁性器件。例如，收音机中都要使用电声喇叭把电信号变成声音，而一般最常用的电声喇叭便是永磁式电声喇叭。这种喇叭的结构示意图如图1所示，收音机所收到的电台发射机已将声音转换成的电信号，在受到电声喇叭中永久磁铁的磁场作用而使电线圈振动发声。这样便将电台发射的已转换为电信号的声音复原了。电声喇叭中的永久磁铁的磁场在这种电-声转换中起了重要的作用。喇叭则将电线圈的振动发声放大。另外在收音机中转换高频率的电信号和低频率的电信号也都需要使用多种的高频变压器和低频变压器，这些变压器也需要使用多种的磁性材料。www.ddhw.com　　为了提高收音机的灵敏度和接收距离，需要使用天线。如果利用磁性材料制成磁天线，不但可以显著减小天线的尺寸，而且还可以显著提高收音机的灵敏度。这种磁天线的性能既同天线的设计有关，又同磁性材料的磁特性有关。 　　收音机工作时需要使用电源。有使用电池作电源的，也有使用交流电源的。在使用交流电源时，又需要使用变压器来改变电压。变压器也需要采用磁性材料。 　　这样可以看出，我们使用的收音机虽然体积很小，但是却离不开磁性材料，和用多种磁性材料制成的多种磁性器件。 磁在电视机中的应用 电视机是我们生活中经常应用的另一种电器。磁在电视机中的应用也是相当多的。同收音机相比较，电视机不但能听到声音，而且能看到活动的图像。在彩色电视机中还能看到色彩鲜艳逼真的彩色活动图像。因此电视机要应用比收音机更多数量、更多种类和更多功能的磁性材料和磁性器件。具体说来，电视机除了也使用收音机所使用的多种磁变压器和永磁电声喇叭外，还要使用磁聚焦器、磁扫描器和磁偏转器。www.ddhw.com 图2　电视机显像管应用的磁聚集器和磁偏转器示意图 www.ddhw.com 电视机的结构和工作原理是很复杂的。这里只简单地介绍磁在电视机中的作用。关于电视机中的声音部分基本上同收音机相似，这里就不再介绍，而只说明同活动图像相关的磁的应用。电视机中的活动图像的放映是在显像电子管中进行的。电视台将活动图像转换成电信号后通过无线或有线传送到电视接收机(简称电视机)中，经过一定的电信号变换和处理后再传送到显像管中。在显像管中，反映活动图像的电子束经过磁聚焦器、磁扫描顺和磁偏转器的磁场聚集、扫描和偏转作用后投射到显像管的荧光屏上转换为光的活动图像。图2示出电视机显像管应用的磁聚集器和磁偏转器的示意图。图中虚线为偏转的电子束。可以看出磁在电视机中的应用是很多的。彩色电视机由红、绿、兰3个基色信号组成彩色活动图像，因此显像管中含有3组电子束及它们的磁聚焦、磁扫描和磁偏转磁器件。再将3种基色活动图像合成彩色图像。因此，彩色电视的设备和成像过程等都更为复杂。但却都是采用一定的磁场来控制电子束的运动而完成成像的。 磁在磁录音机和磁录像机中的应用 图3　磁录音和磁放音过程 www.ddhw.com 磁录音机是将声音通过声音、电流、磁场和物质磁性之间的转换而把声音记录到由磁性材料制成的磁记录带(简称磁带)上。这称为录音过程，或称磁录音。如果需要把磁带上录制的声音再放出来，则通过与磁录音相反的过程，即通过磁带的磁性→磁场→电流→声音之间的转换而把磁性再转换为声音。这称为磁放音过程，或称磁放音。这种磁录音和磁放音的过程分别显示在图3中(a)和(b)示意图中。这种磁录音和磁放音的原理和过程可以简述如下：在录音时[图3(a)]，声音通过话筒，将声波振动转换为电流信号的相应变化，再通过电流放大器将电流信号放大后传送到录音磁头的电流线圈中，线圈中的带有很小空气隙的磁芯便会受电流线圈中的电流磁化，而在磁芯的空气隙中产生与电流、声音相对应的磁场。这一磁场使磁带上磁记录介质受到磁化而产生相对应的磁化强度。当这部分磁记录介质离开录音磁头的空气隙磁场后，便保留一定的剩余磁化强度，称为剩磁。这剩磁的大小同所要记录的声音强弱相对应。在放音时[图3(b)]，其过程是磁带移动通过放音磁头的空气隙时，磁带上的剩磁变化在空气隙中产生同剩磁相对应的磁场变化，在放音磁头中产生相对应的磁化强度变化，因而在放音磁头的电流线圈中产生相对应的电流变化，这电流变化经放大器放大后送入声喇叭即将电流变化转变为声音。这一放音过程是同录音过程相反的逆过程。www.ddhw.com　　磁录像机是同磁录音机相似的家用电器。它们之间的主要差异是：磁录音机为声-电-磁之间的转换，而磁录像机为光-电-磁之间的转换，正像收音机与电视机之间的差异。 磁在新型汽车中的应用 图4　现代新型汽车使用各种小型永磁电动机分布图 www.ddhw.com 汽车是现代的一种重要交通工具。一般汽车中使用的电话、收音机和电视机中都要应用到多种的磁性材料和磁性器件。在现代一些新型汽车中磁的应用就更加增多。例如现代一种新型家用小汽车便使用了32台小型永磁电动机，它们分别应用于时钟步进电机、录音机走带机械、电子计价器步进电机、电控反光机、车高调整泵、自动车速调节泵、起动电机、可伸缩车前灯、车前灯冲洗器、水箱冷却风扇、电容器冷却风扇、活门控制、颈部防损控制、车前灯擦净器、前窗冲洗器、前部擦净器、后窗冲洗器、后部擦净器、电动车窗、油泵、汽车门锁、可调减振器、空气净化器、后部空调器、汽车天线、遮阳车顶、大腿支撑泵、侧面支撑泵、气动腰部支撑泵、座椅斜倚器、座椅升降器、座椅移动器、真空泵、空气调节器、室温传感器、暖风机。图4是这种汽车使用的各种小型永磁电动机的示意图。　　除上述的几种家用电器需要使用多种的磁性材料和磁性器件外，还有许多家用电器也要应用到磁，例如，电冰箱中的磁门封条和电动机，洗衣机、空调器、除尘器和电唱机中用的电动机，微波炉中用的磁控管，电门铃中用的电磁继电器，电子钟表中用的小型微型电动机等。可以看出，现代生活离不开磁。 www.ddhw.com 磁在发电机和电动机中的应用 我们生活在电气化时代。但是电能是如何得到的？一般说来，电能是从其他能量如热能、水的动能、原子能等转换成电能的，即先将这些能量通过热机或水力机转换为机械(动)能，再把机械能转换为电能。这种将机械能转换为电能的机械称为发电机。为了减少电能在长途传送途中的损失，必须将电能的电压提高、电流减小，这就需要把电压升高的升压变压器，或称高压变压器。当电能经高压输送到使用地后，为了使用方便和用电安全，又必须把高压电的电压降低。这就需要把电压降低的降压变压器，或称低压变压器。不论升压变压器或降压变压器都离不开磁的应用。在电能应用中，很多是应用于动力机械，这就是将电能转换为机械(动)能。将电能转换为机械动能的机械称为电动机。　　发电机是由磁铁系统、在磁性材料上绕有电流线圈的电枢和使电枢转动的转动机械构成的。发电机工作时，转动机械使电枢旋转，电枢上的线圈在磁铁系统产生的磁场中旋转，切割磁场的磁力线时，根据电磁感应作用原理，便会在线圈中产生感应电动势，在这电流线圈为通路时便会产生电流。这样发电机便开始发电了，图5(a)便是发电机的工作原理图。 www.ddhw.com 图5　发电机与电动机作用原理示意图 电动机的构造是同发电机的构造相似的，也是由磁铁系统、在磁性材料上绕有电流线圈的电枢和使电枢转动的转动机械构成。但电动机工作时，是从外部电源在电枢的电流线圈中通过电流，根据电动机作用原理，电枢便会受磁场作用而转动。图5(b)便是电动机的作用原理示意图。　　变压器的构造是在磁性材料制成的磁芯上绕上两组通电流的线圈，称为绕组，其中一组是输入电流，称为输入绕组或称初级绕组；另一组是输出电流，称为输出绕组或称次级绕组。输入电压和电流通过电磁感应使变压器磁芯磁化，磁化的变压器磁芯又通过电磁感应使次级绕组产生输出电压和电流。根据电磁感应原理，输入电压与输出电压之比同输入绕组匝数与输出绕组匝数成正比，而输入电流与输出电流之比则同输入绕组匝数与输出绕组匝数成反比。 www.ddhw.com　　从发电机、电动机和变压器的结构和工作原理都可以看出：磁的使用都是十分重要和不可缺少的。但同时也应特别注意，磁的作用只是在发电机、电动机和变压器的能量变换和转移中起着重要的作用，它并没有产生能量。 磁在磁浮列车中的应用 当前许多国家都在为提高陆地交通运输的速度、减少甚至消除汽车燃料对环境的污染而进行着多方面的研究和试验。磁浮列车和磁储氢汽车的研究、试验和初步应用便是其中之一。 图6　磁浮列车 www.ddhw.com 图7　磁浮列车浮起运行原理图 www.ddhw.com 目前一般火车的速度只有每小时约几十公里到上百公里，在多方面采取一些改善措施后可以提高到每小时约100~200公里或稍高一些。但是由于火车速度越高，火车车轮与铁轨之间的摩擦也越大，这就限制了火车速度的进一步提高。如果能够使火车从铁轨上浮起来，消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦，不就能很大地提高火车的速度吗？但是如何使火车从铁轨上浮起来呢？一般说来有两种可能的浮起方法。一种是气浮法，就是使火车向铁轨下的地面大量高速喷气而利用其反作用力把火车从铁轨道上浮起，但这样会激扬起大量尘土和产生很大噪声，都会对环境造成尘土和噪声污染而不能采用。另一种是磁浮法，就是利用火车与铁路轨道之间的磁作用力使火车从铁轨上浮起来，这样既不会场起尘土，也不会产生喷气噪声，因而是一种提高火车速度的好方法。那么磁浮列车(也称磁悬浮列车)是怎样工作的呢？图6是北京中国科学技术馆中的磁浮列车图，在馆中可以看到磁浮列车是怎样在铁轨上运行的。图7是磁浮列车浮起运行的原理示意图，左图是利用列车上磁铁与铁轨上磁铁的不同磁极性之间的磁吸引力而浮起，右图是利用列车上磁铁与铁轨上磁铁的相同磁极性之间的磁排斥力而浮起。又列车上磁铁与铁轨两侧的相同磁极性之间的磁排斥力则使列车保持居中位置，不致左右偏移。我国已建成的有四川都江堰市青城山旅游区和上海市浦东的磁浮列车等。还可能建设北京至天津的长途磁浮列车。磁浮列车所用的产生磁场的磁体或称磁铁可以采用永磁体，一般由磁体或超导磁体或它们组合的复合磁体等。磁浮列车的优点较多，例如运行平稳，舒适性好；安全性高；速度调节范围宽，可适用于不同的距离和不同的要求；噪声低，既无铁轨与车轮的摩擦噪声，又无传动和滚动噪声；平时由计算机对电力和电子设备进行检测，不需要一般火车的机械等例行检修，故维护费用低。但是，修建磁浮铁路和制造磁浮列车的初投经费却是很高的。www.ddhw.com 目前尚处于研究和试验中的磁储氢汽车是另一类具有土特优势的磁交通设备。因为目前使用的汽车所用的燃料汽油在燃烧时产生的废气会造成环境污染，汽油的来源石油在地球上是有限的，因此研究和应用在汽车上既无污染、来源又丰富的新的汽车燃料便成为当前的一个重要问题。这问题是否也可以从磁科学技术来解决呢？利用磁储氢材料作汽车燃料就是一个重要的解决途径。什么是磁储氢材料？磁储氢材料有什么特点？从科学研究知道，氢是一种无污染或严格说污染极微小的燃料，可供燃烧的单位质量的能量密度很高。根据科学推算，地球上的石油储量只够用较短时期，但氢含有的作为燃料的化学能和作为热核聚变能源的核聚变能却可供使用约1千亿(1011)年，这比地球的年龄还要长，大约相当于宇宙演化年龄，甚至更长。但是要在汽车中使用氢的化学能，却不能简单地使用纯气态氢或纯液态氢作燃料。这是因为纯气态氢的体积太大，而且纯气态氢和纯液态氢都有易燃烧爆炸的安全问题。如果使用固态储氢材料，即将氢以固态化合物的组元形态存储在固态材料中，然后在一定的条件下释放出气态氢用作汽车燃料。在固态储氢材料中，磁性材料和含强磁性元素的化合物的磁储氢材料占有重要的地位。例如常用的储氢材料就有镍－镁－氢化物(NiMgH4)、铁－钛－氢化物(FeTiH1.95)和镧－镍－氢化物(LaNi5H7)等。目前已经进行过在汽车中应用磁储氢器的许多试验。这些磁储氢器在使用一定时间后，又需要在一定条件下进行再充氢气。这就像蓄电池在使用一定时间后需要进行再充电一样。不过目前的磁储氢器的不足之处是磁储氢材料的重量还较大，还需要进一步减轻磁储氢材料的重量。还有即将在汽车中应用的氢燃料电池，虽未用到磁，却也是值得关注的。 磁在高能加速器和对撞机中的应用 在科学研究和高新技术中，磁的应用是多种多样和十分重要的。这里仅以基本粒子物理学、原子核物理学和高能物理学中应用的高能加速器和高能粒子对撞机中磁的一些应用为例加以说明。www.ddhw.com　　在对物质微观结构研究中，研究的物质结构越深入，所需要的能量也越高。高能加速器和高能粒子对撞机可以把微观物质如氢原子核(质子)和带电的基本粒子如电子等加速到很高的速度，使它们得到很高的能量，像炝弹一样进入所要研究的微观物质或粒子内部，或将这些微观物质轰击成碎片，以便研究其内部构造。但是，如何约束带电的高能粒子束，使它们能沿着预定的轨道去轰击目标？或者使两束带电粒子沿着预定的轨道相互碰撞(称为对撞)，从而研究它们的微观结构呢？这就需要磁场了。 图9　正负电子对撞机的注入器 图10　正负电子对撞机的探测器 www.ddhw.com 磁场为什么能够控制和约束高能带电粒子的运动呢？这就是磁场的洛伦兹力的使用。什么是洛伦兹力？洛伦兹力是磁场对运动的带电粒子的作用力。这作用力的大小和方向与磁场的强弱和方向及带电粒子的电荷量及运动速度的快慢和方向都有关。中国科学院高能物理研究所建的北京正负电子对撞机的注入器(图9)和探测器——北京谱仪(图10)，都需要磁场来控制和约束带电的电子、正电子和其它带电粒子的运动。 定向能电磁辐射武器和电磁炮 图11　自由电子激光器和微波激射器 www.ddhw.com 定向能电磁辐射武器是利用高度定向高能量的从电磁波到光波的电磁辐射使敌方的人员和电子武器等受到伤害。自由电子激光器和自由电子微波激射器便是其中一类新的定向能辐射武器，其主要结构和工作原理的示意图如图11所示：由电子束源(1)产生的自由电子束进入电子加速器(2)，在加速器中受到高电压的加速作用。被加速的自由电子具有很高的能量。这些高能自由电子束经过磁场(3)作用可以改变其运动方向，并进入扭轨磁场(4)(或称扭摆磁场)中。扭轨磁场是由一组磁场方向不断反向的永磁铁组成，它构成具有特定的强度和方向、一定分布规律和空间周期的磁场系统。高能自由电子在这扭轨磁场中受到这种磁场的作用而作扭摆式运动。同时由主振荡器(5)产生的电磁波(光波或微波)通过共振腔与电子束作同向运动。在扭轨磁场的作用下，高能电子束向这电磁波输送能量，从而使电磁波受到放大作用而使电磁波能量增强。改变扭轨磁场的参量和其他相关参量，便可以改变自由电子激光器和微波激射器的波长和输出功率。这种自由电子激光器和微波激射器具有很高的功率、良好的相干性和超短的脉冲，因而可在高能量高定向电磁辐射(光波和微波)武器中得到应用。www.ddhw.com 图12　电磁炮 电磁炮是利用强脉冲电磁能来发射炮弹，而一般炮是利用火药的化学能来发炮弹的。电磁炮在发射炮弹时在炮弹中通过强脉冲电流，并在发射架的强脉冲磁场的同时作用下受到强大的推动力而发射出去（见图12）。也可以利用相同的原理来发射电磁导弹，其费用低于一般火箭发射。但电磁炮和电磁导弹都还处于试验阶段。www.ddhw.com

新用户

功能各异的磁性材料 磁性材料的种类是很多的，用途也是十分广泛的，而一般使用最多的是具有强磁性的材料，包括具有铁磁性和亚铁磁性的材料，一般常称磁性材料。这里介绍当前应用多和(或)富有发展前景的永磁功能材料、软磁功能材料、信息磁功能材料、多功能磁性材料和磁智能材料。 永磁功能材料和软磁功能材料 永磁功能材料常称永磁材料，又称硬磁材料，而软磁功能材料常称软磁材料。这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软，而是指磁学性能上的硬和软。磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性(简称磁性)，其特征是矫顽力(矫顽磁场)高。矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使具剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度。而软磁材料则是加磁场既容易磁化,又容易退磁,即矫顽力很低的磁性材料。退磁是指在加磁场(称为磁化场)使磁性材料磁化以后，再加同磁化场方向相反的磁场使其磁性降低的磁场。www.ddhw.com 图1　钕铁硼稀土永磁材料 www.ddhw.com 永磁材料是发现和使用都最早的一类磁性材料。我国最早发明的指南器(称为司南)便是利用天然永磁材料磁铁矿制成的。现在的永磁材料不但种类很多，而且用途也十分广泛。常用的永磁材料主要具有4种磁特性：(1)高的最大磁能积。最大磁能积[符号为(BH)m]是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度；(2)高的矫顽(磁)力。矫顽力[符号为(H)c]是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度；(3)高的剩余磁通密度(符号为Br)和高的剩余磁化强度(符号为Mr)。它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度；(4)高的稳定性，即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。当前常用的重要永磁材料主要有：(1)稀土永磁材料，这是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料，为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物(又称金属间化合物)。图1是我国研制和生产的钕铁硼稀土合金永磁材料。(2)金属永磁材料。这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素(如镍、钴等)为重要组元的合金型永磁材料，主要有铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类永磁合金。铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等，发展较早，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。铁铬钴系永磁合金的特点是永磁性能中等，但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形，可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用。(3)铁氧体永磁材料。这是以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料(狭义)和磁有序材料如反铁磁材料(广义)。其特点是电阻率高，特别有利于在高频和微波应用。如钡铁氧体(BaFe12O19)和锶铁氧体(SrFe12O19)等都有很多应用。除上述3类永磁材料外，还有一些制造、磁性和应用各有特点的永磁材料。例如微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料(可应用于电冰箱门的封闭)、可加工永磁材料等。 图2　铁-硅系软磁材料的磁和电损耗P随年代降低 图3　非晶软磁材料的低损耗 www.ddhw.com 软磁材料种类多和用途广,具有5种主要的磁特性：(1)高的磁导率。磁导率(符号为μ)是对磁场灵敏度的量度；(2)低的矫顽力Hc显示磁性材料既容易受外加磁场磁化，又容易受外加磁场或其他因素退磁，而且磁损耗也低；(3)高的饱和磁通密度Bs和高的饱和磁化强度Ms。这样较容易得到高的磁导率μ和低的矫顽力Hc，也可以提高磁能密度；(4)低的磁损耗和电损耗。这就要求低的矫顽力Hc和高的电阻率；(5)高的稳定性，这就要求上述的软磁特性对于温度和震动等环境因素有高的稳定性。当前常用的重要的软磁材料主要有：(1)铁-硅(Fe-Si)系软磁材料，常称硅钢片，是电机工业广泛使用磁性材料。图2示出这一磁性材料系统的非取向Fe-Si合金(i)、单取向Fe-Si合金(ⅱ)、双取向Fe-Si合金(ⅲ)、特殊处理Fe-Si合金(ⅳ)和非晶Fe-Si-B材料(v)的磁和电损耗P降低随年代的进展。(2)铁-镍(Fe-Ni)系软磁合金是磁导率μ和矫顽力Hc低的性能良好的软磁材料，有着广泛的应用。(3)铁氧体软磁材料，其突出优点是电阻率极高，可以在高频率和超高频率使用，在通信和多种电子学器件中有着重要的应用。(4)非晶软磁材料和纳米晶软磁材料，是在20世纪后期发展起来的新软磁材料。非晶软磁材料的特点是制造工艺较简单，化学成分变化范围较宽、磁性均匀和良好的各向同性(因无晶粒结构)。从图3中可以看出非晶软磁材料的低损耗的优点。将适当成分的非晶软磁材料通过适当的热处理后，可以使非晶状态转变为晶粒直径为纳米量级的结晶态软磁材料，也可以得到良好的软磁材料。(5)其他软磁材料。选择适当的化学成分和适当的制造工艺，可以得到具有特定软磁等性能的软磁材料。例如，具有高能和磁化强度的铁-钴(Fe-Co)系软磁合金，具有较高电阻率的铁-铝(Fe-Al)系软磁合金，具有磁晶各向异性和磁致伸缩都趋近于零的铁-硅-铝(Fe-Si-Al)合金等。 信息磁性功能材料 在当前信息社会中，除传统的通信技术外，又发展了计算机、微波通信和光通信等高新信息技术。在这些高新信息技术中需要应用多种信息磁功能材料(简称信磁材料)，主要有磁记录材料、磁存储材料、磁微波材料和磁光材料等。www.ddhw.com　　磁记录材料是磁记录技术所用的磁性材料，包括磁记录介质材料和磁记录头材料(简称磁头材料)。在磁记录(称为写入)过程中，首先将声音、图像、数字等信息转变为电信号，再通过记录磁头转变为磁信号，磁记录介质便将磁信号保存(记录)在磁记录介质材料中。在需要取出记录在磁记录介质材料中的信息时，只要经过同磁记录(写入)过程相反的过程(称为读出过程)，即将磁记录介质材料中的磁信号通过读出磁头，将磁信号转变为电信号，再将电信号转变为声音(类似电话)、图像(类似电视)或数字(类似计算机)。对磁记录介质材料的磁特性要求主要是：(1)适当高的矫顽力Hc，(2)高的饱和磁化强度Ms，(3)高的剩磁比，(4)高的稳定性。目前应用的磁记录介质材料主要有：(1)铁氧体磁记录材料，如γ型三氧化二铁(γ-Fe2O3)等。(2)金属磁膜磁记录材料，如铁-钴(Fe-Co)合金膜等。(3)钡铁氧体(BaFe12O19)系垂直磁记录材料等。对磁记录头材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁导率μ，(2)高的饱和磁化强度Ms，(3)低的矫顽力Hc，(4)高的磁稳定性。目前应用的磁记录头材料主要有：(1)铁氧体磁头材料，如锰-锌-铁氧体(Mn，Zn)Fe2O4系统等，(2)高硬度磁性金属磁头材料，如铁-镍-铌(Fe-Ni-Nb)系磁性合金等。(3)非晶磁头材料，如铁-镍-硼(Fe-Ni-B)系非晶合金等。 www.ddhw.com 图4　磁滞回线接近矩形 www.ddhw.com 磁存储材料是电子计算机存储器所用的磁性材料。较早应用的是磁滞回线接近矩形的矩磁材料，利用其两个剩磁态+Br和-Br表示计算机中的“1”和“0”状态，再利用两个电流重合便可以“写入”(Wx，Wy)和“读出”(Rx，Ry)二进位制的“1”和“0”(如图4所示)。对矩磁材料的磁特性要求主要是：(1)高的剩磁比Br/Bm，低的矫顽力Hc，(3)短的开关时间，(4)高的信号/噪声比。可以应用的矩磁材料有：(1)铁氧体磁芯材料，如锰-镁铁氧体(Mn，Mg)Fe2O4系统等，(2)金属磁膜材料，如铁-镍(Fe-Ni)系金属磁膜等。巨磁电阻材料是正在研究和试验的一类新型磁存储器材料，这种磁存储器同目前应用的半导体磁存储器相比还有其特点和优点，因而受到多方面的重视。　　磁微波材料是微波电子学技术中常用的材料。雷达、卫星通信、电子战和射电天文学等都是微波电子学技术的重要应用。在这些应用中一般要应用三大类磁性材料。第一类是旋磁材料，应用于各种正反传播方向的特性不同的非互易微波器件，如正反传播方向的阻抗很不相同的旋磁隔离器和旋磁环行器等，所用的旋磁材料主要是高旋磁性高电阻率的旋磁铁氧体材料，如石榴石型的钇铁氧体(Y3Fe5O12)系统，磁铅石型的钡铁氧体(BaFe12O19)系统等。第二类是磁微波吸收材料，应用于各种吸收微波的器件和设备中，要求磁微波吸收材料具有高的电磁波吸收系数和宽的电磁波吸收频带，在这方面应用的有以磁性金属粉末或薄膜为组元的复合吸收材料，六角晶系复合铁氧体等。第三类是多种应用磁场的，微波电子管如磁控管、行波管、返波管和自由电子激射器等中所用的永磁材料等。 www.ddhw.com　　磁光材料是激光、光电子学和正在发展的光子学中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。对磁光材料的磁特性要求主要是：(1)高的磁光效应，如高的法拉第磁光旋转角和克尔磁光旋转角，(2)低的磁光损耗，(3)宽的磁光效应频带，(4)高的稳定性。当前应用的磁光材料有3大类：(1)金属磁光材料，如锰-铋(Mn-Bi)系合金等，(2)铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆-铁-镓-氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系铁氧体等，(3)非晶磁光材料，如钆-钴(Gd-Co)系非晶合金等。 多功能磁性功能材料 图5 多功能磁性材料 www.ddhw.com 当代科学的多方面发展和高新技术的多种需要，要求磁性材料不仅具有优良的磁性功能，而且具有优良的其他物理功能，这就促进了多功能磁性功能材料的发展。例如，(1)同时具有铁磁性和铁电性的铁磁-铁电功能材料，可以得到高的磁导率和电容率(介电常数)，如BiFeO3(Ba,Pb)(Ti,Zr)O3系材料。(2)同时具有铁磁性和半导体的铁磁-半导功能材料，可以得到高的磁导率和高的载(电)流子迁移率，如铕-硫(Eu-S)系和铕-硒(Eu-Se)系材料。(3)磁-电材料，是一类由磁场可产生磁化强度和电极化强度，由电场可产生电极化强度和磁化强度的磁性材料，如DyAlO3和GaFeO3。(4)铁磁-有机材料，是一类不含磁性金属的纯有机化合物磁性材料，如聚三氨基苯[C6H5(NH3)n]等。可以说多功能磁性材料是正在发展和扩大的新型磁性材料，如图5所示。这些多功能磁性材料从广义看包含多功能的铁磁、亚铁磁和反铁磁材料，可统称为多功能序磁(磁有序)材料，同样，电偶极矩有序也包含铁电、亚铁电和反铁电有序，统称为序电(电有序)。www.ddhw.com 智能磁性材料 图6　形状记忆无线电通信天线 www.ddhw.com 前面介绍的几类磁性材料都是具有磁性功能的材料。这些材料虽有多种特性和多种用途，但对于周围环境只是被动地适应，而不能具有一种或多种像人那样能感知环境变化并作出反应和响应的智慧功能(简称智能)。当代科学技术的进一步发展，使得具有类似人的智能的新型的包括磁性材料在内的智能材料在科学研究中出现，并在高新技术等许多方面得到应用。就在具有强磁性或含有强磁性元素的智能磁性材料中，就研究出具有形状记忆智能的磁智能材料，并得到或将得到重要的应用。例如，利用镍-钛(Ni-Ti)系形状记忆智能磁性材料研制试验了宇宙飞船的无线电通信天线，其制法和应用的示意图如图6所示。首先前Ni-Ti合金丝加热到65℃高温，使其转变为奥氏体物相(图中a)，然后将合金丝冷却，冷却到65℃以下合金丝转变为新的物相马氏体。在室温下将马氏体合金丝切成许多小段，再把这些合金丝弯成天线形状，并将天线中各小段相互交叉处焊接固定(图中b)，然后把这天线压成小团，使天线的线度减小到十分之一，以便于宇宙飞船携带(图中c)。当需要使用天线时，只需把这天线小团加热到77℃，使马氏体完全转变为奥氏体，天线便会自动张开，完全恢复天线原来的大小和形状(图中d)。从这个例子可以看出形状记忆智能磁性材料的重要应用。此外，形状记忆智能磁性材料还可应用于飞机的输液管道密封接头，多种电子装置和卫星闭锁装置，医学上人工肢体关节接合器和骨骼折断部分接合器等。形状记忆智能磁性材料也还有铁-铂(Fe-Pt)系、铁-镍(Fe-Ni)系、镍-铝(Ni-Al)系等合金系统。　　从上面的介绍可以看出，磁性材料的种类是很多的，性能是多样的，应用也是十分广泛的。 www.ddhw.com

新用户

中国是磁的故乡 图1　司南 中华民族很早就认识到了磁现象，磁学是一个历史悠久的研究领域。指南针是中国古代四大发明之一，古代中国在磁的发现、发明和应用上还有许多都居于世界首位，可以说中国是磁的故乡。　　公元前3世纪，战国时期，《韩非子》中这样记载：“先王立司南以端朝夕”。《鬼谷子》中记载：“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”。 　　公元1世纪，东汉王充在《论衡》中写道：“司南之杓，投之于地，其柢指南” （图1）。 www.ddhw.com 图2　磁偏角 公元11世纪，北宋沈括在《梦溪笔谈》中提到了指南针的制造方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南......水浮多荡摇，指抓及碗唇上皆可为之，运转尤速，但坚滑易坠，不若缕悬之最善。”同时，他还发现了磁偏角，即：地球的磁极和地理的南北极不完全重合（图2）。www.ddhw.com　　可见，磁石的发现、磁石吸铁的发现、磁石指南和最早磁指南器(司南)的发明、指南针的发明和应用、地球磁偏角的发现、地球磁倾角的利用、磁在医药上的应用，北极光地球磁现象和太阳黑子太阳磁现象的发现和最早最多的记载等，都是中国最早发现、发明、应用和记载的，或者居于世界的前列。这里仅介绍中国在司南和指南针的发明、指南针在航海中的最早应用、慈(磁)石在医药中的最早应用、地球北极光和太阳黑子观察的最早和最多的记载。 司南和指南针的发明 图3　司南模型 图4　指南车 www.ddhw.com 司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的指示南北方向的指南器，还不是指南针。根据春秋战国时期的《韩非子》书中和东汉时期思想家王充写的《论衡》书中的记载，以及现代科学考石学家的考证和所制的司南模型（图3），说明司南是利用天然磁石(古代称慈石，用慈爱来描述磁石吸铁现象)制成汤勺形，由其勺柄指示南方。而在春秋战国时期的《管子》书中和《山海经》书中便有了关于慈石的记载，而在这一时期的《鬼谷子》书中和《吕氏春秋》书中还进一步有了慈石吸铁的记载。这可以说是古代最早的磁指南器，现在北京的中国历史博物馆和其他地方的许多博物馆都有司南的模型展出。这里要指出关于指南车的问题，历史上传说黄帝(约公元前47世纪)和西周周公(约公元前21世纪)曾制造和使用指南车，但是经过后来的文献考证和模型制作试验，都已证明指南车与指南针没有关系，汉代以后的指南车是依靠机械结构，而不是依靠磁性指南的。现在北京的中国历史博物馆中也有指南车的模型展出（图4）。www.ddhw.com 图5　沈括 图6　指南针 www.ddhw.com 司南是利用天然磁石制造的，在矿石来源、磨制工艺和指向精度上都受到较多的限制，因此到了北宋时代，由于军事和航海等需要和材料与工艺技术的发展，先后利用人造的磁铁片和磁铁针以及人工磁化方法制成了在性能和使用上比司南先进的指南鱼和指南针。指南鱼的制法最早出现在北宋的《武经总要》(公元1044年)书中，大意是将铁片剪成首尾两端尖锐的鱼形，放在炭火中烧红后取出，使尾部指向北方斜放入水中。将这样制成的指南鱼放在水碗中便可指示南北方向。可以看出，这种长期经验积累的制造方法是符合科学原理的：首先利用水中淬火产生相变和(地)磁场热处理可以提高指南鱼铁片的磁性和矫顽力，其次利用首尾两端尖锐的长条形铁片可以提高指向精度和减小退磁因数，再次是利用铁片向北倾斜放入水中淬火能更接近地(球)磁场倾角即接近总地磁场方向，可以提高磁场热处理的效果。 　　 在指南鱼发明后不久，又发明了一种意义更重大、制法更简单、使用更方便和用途更广泛的指南针。最早是北宋的著名政治家和科学家沈括(图5)在其著作《梦溪笔谈》(公元1086年)中记述的，大意是利用天然磁石磨铁针，受磨的铁针就能指向南方。有4种指南针的用法：将指南针放在指甲上的指爪法[图6(1)]，将指南针放在碗口边上的碗唇法[图6(2)]，将指南针悬挂在新蚕丝上并用蜡粘住的缕悬法[图6(3)]，将指南针横贯灯尺而浮水面的浮针法[图6(4)]。还记述指南针并不完全指南，而是略微东。这就是磁偏角现象。这表明当时对于指南针的指向观察是很仔细的。www.ddhw.com 指南针在航海中的最早应用 图7　古海船针房 www.ddhw.com 指南针在北宋时发明以后，很快就在航海上得到了应用。在未采用指南针前，航海是白昼依靠太阳和夜里依靠恒星的位置来确定方向的，称为天文导航。但是天文导航受天气影响很大，而指南针及其装有指示方位的罗盘则不受天气影响，故在航海上得到重要应用。最早记载指南针在航海上应用的是北宋的《萍州可谈》(1119)，书中讲到：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”这也是世界上关于指南针应用于航海的最早记载。到南宋时的《诸蕃志》书中的记载则是海船上昼夜都是使用指南针导航了。到元代时已用指南针来确定航海路线，称为针路。也出现了在指南针下加上有24个方位的指示盘，把指南针和指示盘合称罗盘，也称罗经盘。明朝初年，航海家郑和率领庞大船队远航多次东洋和西洋，他们远航船队使用的航海图包括指南针罗盘导航的针路图和天文导航的过洋牵星图。明清两代的海船尾部已设有专放罗盘指南针的针房(图7)。　　指南针在主要应用于航海外，还应用于古代多种便携式日晷、天文仪器和测量仪器中。现在北京故宫博物院还收藏有这些带指南针的便携式日晷、天文仪器和测量仪器。另外指南针罗盘也用于古代营建房屋和选择墓地(勘舆术)等。 磁(慈)石在医药中的应用 图8 李时珍与慈石图 www.ddhw.com 磁不但在现代医学上有着重要的应用，如核磁共振成像技术，常称磁共振CT(计算机化层析术)，以及心磁图和脑磁图的应用，而且还有着悠久的历史。在西汉的《史记》(约公元前90年)书中的“仓公传”便讲到齐王侍医利用5种矿物药(称为五石)治病。这5种矿物药是指磁石(Fe3O4)、丹砂(HgS)、雄黄(As2O3)、矾石(硫酸钾铝)和曾青(2cuCo3)。随后历代都有应用磁石治病的记载。例如，在东汉的《神农本草》(约公元2世纪)药书中便讲到利用味道辛寒的慈(磁)石治疗风湿、肢节痛、除热和耳聋等疾病，南北朝陶弘景著的《名医别录》(公元510年)医药书中讲到磁石可以养肾脏 ，强骨气，通关节，消痛肿等。唐代著名医药学家孙思邈著的《千金方》(公元652年)药书中还讲到用磁石等制成的蜜丸，如经常服用可以对眼力有益。北宋何希影著的《圣惠方》(公元1046年)医药书中又讲到磁石可以医治儿童误吞针的伤害，这就是把枣核大的磁石，磨光钻孔穿上丝线后投入喉内，便可以把误吞的针吸出来。南宋严用和著的《济生方》(公元1253年)医药书中又讲到利用磁石医治听力不好的耳病，这是将一块豆大的磁石用新绵塞入耳内，再在口中含一块生铁，便可改善病耳的听力。总的说来，在各个朝代的医药书中常有用磁石治疗多种疾病的记载。明代著名药学家李时珍著的《本草纲目》关于医药用磁石的记述内容丰富并具总结性，对磁石形状、主治病名、药剂制法和多种应用的描述都很详细，例如磁石治疗的疾病就有耳卒聋闭、肾虚耳聋、老人耳聋、老人虚损、眼昏内障、小儿惊痫、子宫不收、大肠脱肛、金疮肠出、金疮血出、误吞针铁、丁肿热毒、诸般肿毒等10多种疾病，利用磁石制成的药剂有磁朱丸、紫雪散和耳聋左慈丸等。图8是这位著名药物学家李时珍(公元1518－1593年)的画像及其著作《本草纲目》中的慈(磁)石图。　　我国在1921年出版的《中国医学大辞典》(谢观编著)记载了利用磁石作重要原料的几种中成药，如磁石丸、磁石大味丸、磁石毛、磁石羊肾丸、磁石酒、磁石散和磁朱丸等。1935年初版、1956年修订的《中国药学大辞典》中详述了慈(磁)石的种类、制法、用法、主治和历代的记载考证，还列举了磁石在医药上的10余种应用。1963年我国卫生部出版的《中华人民共和国药典》中列举了以磁石为重要成分的几种中成药，如耳聋左慈丸、紫雪(散)和磁朱丸等。 www.ddhw.com 北极光和太阳黑子的观察记载www.ddhw.com 北极光是发生在地球北极区及其附近高纬度区域高空的多种色彩和多种形状的发光现象。这种发光现象也发生在南极区及其附近高纬度区域的高空，称为南极光。一般称为极光。太阳黑子是在太阳表面出现的小的暗淡区域，其大小、数目和位置都随时间变化。地球极光和太阳黑子这两种自然现象出现的原因及其同磁的关系虽然是在近代科学发展后才弄清楚。但是其观察和记载却是很早的。我国古代在地球极光和太阳黑子的观察记载在世界上是最早、也是最多最丰富的。 为什么说地球极光和太阳黑子与磁有关，是一种地球磁现象和一种太阳磁现象呢？简单地说，当太阳和其他天体发射的能量高和速度快的带电粒子如电子和质子(氢原子核)等到达地球高空时，受到高空地球磁场的作用，便折向地球北极或南极运动，同高空的原子、分子和离子等粒子发生强烈碰撞，因而使这些高空粒子产生电离和发光现象。不同的粒子便会产生不同颜色的发光。这就是极光，因此，极光是同地球磁场相关的地磁现象。太阳表面的温度很高，表面物质在高温下都变的带负电荷的电子与带正电荷的原子核互相分离的等离[子]体。太阳又具有磁场。太阳的大部分表面都只有很弱的磁场，大约万分之一(10-4)特[斯拉](T)同地球磁场相近；但在太阳表面少数很小区域的磁场却要高几百倍到几千倍(102－104倍)。太阳表面在磁场作用下的磁等离体要保持平衡，强磁场处的磁等离体的温度就必须降低约1千开(103K)，因而使亮度降低，出现黑子现象。因此太阳黑子是同太阳磁场相关的太阳磁现场。 图9　清代13种北极光的名称和形态图 www.ddhw.com 我国在传说的黄帝时代便有黄帝母亲看见“大电绕北斗枢星”的传说，大电便是指北极光现象，到秦代便有确定年月的北极光现象的记载，到西汉时就更进一步有了确定年月日的北极光现象记载。我国历代关于北极光现象的记载是极为丰富的。根据科学家和历史学家的统计，从传说的黄帝时代(约公元前27世纪)到公元16世纪初，我国便有350多次关于北极光现象的记载，在公元1~10世纪期间有180多次北极光现象的记载，而其中有确定年月日的记载便有140多次。这在世界上是北极光现象观察记载最早和最多的。由于北极光现象的形态多种多样，我国古代关于北极光的名称也是很多的。图9是清代《管窥辑要》(公元1652年)书中的13种北极光的名称和形态图。　　我国也是对太阳黑子现象观察记载最早和最多的国家。在我国古籍《周易》(约公元前11世纪~公元前771年，后还有增补)一书中便有关于黑子现象的记载。到西汉以后便有太阳黑子现象出现的明确年月、甚至明确年月日期的记载。根据科学家和历史学家的研究和统计，我国从公元前1世纪到公元17世纪便有100多次太阳黑子现象的记载。现代我国天文学家还对历史上太阳黑子活动周期等进行了统计和研究。 　　从上面的介绍可以看出，我国古代对于磁的发现、发明和应用是多方面的，许多都是世界上最早的，因而可以说中国是磁的故乡。 www.ddhw.com

新用户

生物磁现象 生物也有磁性吗？这些磁性还有重要的应用吗？这好像是难理解的。通过现代科学的大量和广泛的观测、实验和理论研究，表明包括人在内的生物体不但具有磁性和产生磁场，而且这些磁性和磁场对于生物还有着重要的使用。www.ddhw.com 核磁共振层析成像 一般在作体格检查时常要做心电图的检查，在身体上几处贴上电极片，然后用心电检测仪测绘出心电图，再根据心电图来诊断心脏活动是否正常？是否有什么疾病？这是因为人的心脏活动会产生心脏电流，而心脏活动的正常与否便会反映在心脏电流随时间的变化上。这种心脏电流变化称为心电图。但心电图会受电极片接触情况的影响，而且心电图不能反映心电流的直流分量，电极片更不能离开人体。但我们知道，电流会产生磁场，因此心脏电流会产生心脏磁场，原理上同心电图一样也会有心磁图，但是同心电图相比较，要测量心磁图却很困难，可是从心磁图获得的心脏信息却更多和更有其优点。 图1　国产的核磁共振成像机 www.ddhw.com 图2　脑瘤病人头部的CT成像和X射线成像 www.ddhw.com 磁在生物学和医学方面的一项重要应用是原子核磁共振成像，简称核磁共振成像，又称核磁共振CT(CT是计算机化层析术的英文缩写)。这是利用核磁共振的方法和电子计算机的处理技术等来得到人体、生物体和物体内部一定剖面的一种原子核素，也即这种核素的化学元素的浓度分布图像。目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点。例如，X射线层析成像得到的是成像物的密度分布图像，而核磁共振层析成像却是成像物的原子核密度的分布图像。目前虽然还仅限于氢原子核的密度分布图像，但氢元素是构成人体和生物体的主要化学元素。因此，从核磁共振层析成像得到的氢元素分布图像，要比从X射线密度分布图像得到人体和生物体内的更多信息。例如，人体头部外层头骨的密度高，而内层脑组织的密度较低，因此从人头部的X射线层析成像难于得到人脑组织的清晰图像，但是从人头部的核磁共振层析成像却可以得到头内脑组织的氢原子核即氢元素分布的清晰图像，从而可以看出脑组织是否正常。又例如，对于初期肿瘤患者，其组织同正常组织尚无明显差异时，从X射线层析成像尚看不出异常，但从核磁共振层析成像就可看出其异常了。图1是我国研制生产的核磁共振层析成像装置正在为病人检查，图2 是以一脑瘤病人头部的核磁共振层析成像和X射线层析成像。在核磁共振层析成像中可以检查出的脑瘤(A)，但在X射线层析成像中却看不出来。目前核磁共振层析成像应用的虽然还只有氢核一种原子核素，但从科学技术发展看，可以预言将会有更多的原子核素，如碳核和氮核等的核磁共振层析成像也将进入应用。www.ddhw.com 心磁图和脑磁图 我们在体格检查或因心脏、脑部疾病去医院就医时，常常需要做心电图或脑电图的检查，由此了解心脏或脑部的生理和病理情况。但是我们知道电的活动(电流)会产生磁场，因此在心电流产生心电图和脑电流产生的脑电图时，也应该有心磁场产生的心磁图和脑磁场产生的脑磁图。那么为什么目前医院里还没有应用心磁图和脑磁图呢？这是因为心脏产生的心磁场和脑部产生的脑磁场都太微弱，不但需要特别的高度灵敏的测量心、脑磁场的磁强计，例如应用在很低温度下才能使用的超导量子干涉仪(SQUID)式磁强计，而且由于微弱的心脏磁场只有地球磁场的大约百万分之一(10-6)，更微弱的脑部磁场只有地球磁场的大约亿分之一(10-8)，因此在测量心脏磁场和脑部磁场时还必须排除地球磁场的干拢，这就需要在能把地球磁场显著减小的磁屏蔽室中进行心、脑磁场的测量，或者利用超导量子干涉仪式磁场梯度计在没有磁屏蔽室时进行心、脑磁场的测量。这是因为磁场梯度计只测量不均匀的磁场，而对均匀的磁场无反应。而在小的区域中的地球磁场是均匀的，但人的心、脑磁场却是随距离心、脑远近的不同而不同的非均匀磁场，故可以用高灵敏度的超导量子干涉仪式磁场梯度计而不需用磁屏蔽室便可以测量人的心、脑磁场。可以看出，心、脑磁场的测量要比心、脑电场的测量复杂和困难得多，因而在应用上受到许多限制。目前国外和我国虽然都研制出超导量子干涉式磁强计，大的磁屏蔽室和超导量子干涉式磁场梯度计，但都还没有实际和大量应用到心、脑磁场和心、脑磁图的测量上。www.ddhw.com 图3　脑磁场测定病灶 www.ddhw.com 但是，从另一方面看，同心、脑电图相比较，心、脑磁图在医学应用上却有许多特点和优点。例如，心电图只能测量交变的电流信号，不能测量直流(恒定)的电流信号，因而不能应用于只产生直流异常电信号的生理病理探测，而心、脑磁图却能同时测量交变和直流(恒定)的磁场信号。又例如，心、脑电图的测量都需要使用同人体接触的电极片，而电极片的干湿程度及同人体接触的松紧程度都会影响测量的结果，同时因使用电极片，不能离开人体，故只能是2维空间的测量，但是心、脑磁图却是使用可不同人体接触的测量线圈(磁探头)，既没有接触的影响，又可以离开人体进行3维空间的测量，可得到比2维空间测量更多的信息。再例如，实验研究结果表明，心、脑磁图比心、脑电图具有更高的分辩率。还有除了心、脑磁图外，到目前已经测量研究了人体的眼磁图、肌(肉)磁图、肺磁图和腹磁图等，取得了人体多方面的磁信息。图3显示出一位癫痫病人头部由脑磁场测量确定的脑神经缺损区病灶。为了提高测量人体心、脑等磁场的分辩率，可以采用几个到几十个测量磁场的磁探头。 鸽子回家和海龟回游 许多人都知道，家里养的鸽子可以从离家几十、几百甚至上千公里的地方飞回家里；燕子等候鸟每年都在春秋两季分别从南方飞回北京，又从北方飞到南方；一些海龟从栖息的海湾游出几百几千公里后又能回到原来的栖息处。它们是如何辨别方向的？尤其是在茫茫的海洋上。难道它们也像人类航海时一样使用指南针吗？大量的和长期的观察研究表明，这些生物从原居处远行后再回到原居处，的确是与地球磁场有关的，或者可能有关的。我们来看看一些观察研究的情况。www.ddhw.com　　首先关于鸽子的观察研究。曾将两组鸽子分别绑上强磁性的永磁铁块和弱磁性的铜块，在远离鸽巢放飞后，绑有铜块的鸽子全部都飞回鸽巢，但大部分绑有永磁铁的鸽子却迷失方向而未返回鸽巢。这表明永磁铁的磁场干扰，使鸽子不能识别地球磁场。又曾将一组鸽子放置在鸽巢和与鸽巢的地球磁场相同的地磁共轭点(距鸽巢数千公里)之间的中点处，放飞后这些鸽子大约有一半飞回原来的鸽巢，其余的鸽子却飞到鸽巢的地球磁场共轭点处了。这表明鸽子是依靠地球磁场来识别鸽巢的。还有一些观察显示，鸽子在无线电台等强电磁场附近常会迷失方向。这表明强的电磁场会干扰鸽子识别地球磁场。是什么使鸽子能识别地球磁场呢？进一步观察研究发现鸽子头部含有少量的强磁性物质四氧化三铁(Fe3O4)。我国古代的司南指南器就是利用天然磁铁矿石制造的，其主要成分也是Fe3O4。但是鸽子是否是利用其头部的Fe3O4导航(识别地球磁场方向)？又是如何利用Fe3O4导航的？这些都是需要进一步研究的问题。 图4 海龟回游图 www.ddhw.com 其次关于海龟回游的观察研究。对出生在美国东南海岸的一种海龟游动进行的观察显示在图4中，幼海龟在大西洋中沿着顺时针路线出游，经过若干年后又能回到出生地产卵。这些海龟是依靠什么导航呢？有的观察研究者认为同地球磁场有关，并进行了这样的实验研究。在装有海水并加上人造磁场的大容器中，观测到磁场的确影响海龟的航行。当人造磁场反向时，海龟的游动也反向。这表明磁场是影响海龟的航行的。但是磁场影响海龟航行的程度和机制等都是需要进一步研究的。 磁性细菌的磁导航 图5　磁性细菌 www.ddhw.com 在20世纪70年代，一位美国博士生在研究细菌时偶然观测到一种水生细菌总是朝北方和一定深度的水下游动。这一奇特现象引起了他和后来更多的研究者的关注。对这种后来称为磁性细菌或称向磁性细菌的大量的观测和研究取得了许多重要的结果。首先，分别在北半球的美国、南半球的新西兰和赤道附近的巴西对这种磁性细菌的观测研究表明，这种磁性细菌在北半球是沿着地球磁场方向朝北和水下游动，而在南半球却是逆着地球磁场方向朝南和水下游动，但在赤道附近则既有朝北游动的，也有朝南游动的。其次，由细菌体分析研究表明，在这种长条形细菌体中，沿长条轴线排列着大约20颗细黑粒，如图5电子显微镜的放大像所示。这些细黑粒是直径约50纳米的强磁性Fe3O4。再其次，将这种细菌在不含铁的培养液中培养几代后，其后代体内便不再含有Fe3O4细粒，同时也不再具有沿地球磁场游动的向磁性了。总之，这些观察、实验和研究表明，磁性细菌所表现的沿地球磁场游动的特性是同细菌体内所含的强磁性Fe3O4(也可称为铁的铁氧体)分不开的。www.ddhw.com　　如果进一步再问：为什么这些强磁性铁氧体颗粒的直径总是在50纳米左右，而不是更粗或者更细的颗粒？为什么这些磁性细菌在地球北半球和南半球的游动方向会分别向北和向南？目前的研究是这样说明的：这种强磁性铁氧体(Fe3O4)颗粒在50纳米附近正好形成单磁畴结构，可得到最佳的强磁性。如果颗粒太粗，会形成多磁畴结构，而如果颗粒太细，又会产生超顺磁性，都会使其强磁性减弱。这种磁性细菌在地球北半球和南半球的游动方向分别向北和向南，是因为这种磁性细菌是一种厌氧性细菌，这样沿地球磁场游动都正好离开海洋表面而游向少氧的海面下，而且在这样海面下也正是养料较为丰富的区域。不过这些解释是还需要进一步的观察、实验和研究的。 　　从以上的介绍可以看出，在生物世界里，磁是普遍存在的，而且在许多情况下，磁还起着重要的作用。 www.ddhw.com

新用户

地球磁现象 地球磁场是人类生活离不开的一种环境因素。在前面介绍我国对于古代磁的发现、发明和应用方面的贡献，在这里将介绍的地球磁场在地球演化、生物活动和人类生活等方面的作用，都将认识到地球磁场和相关的地球磁现象的重要。但是这方面的内容也是十分丰富的，我们也仅能在这里介绍一些典型和重要的例子，即下面分别介绍的地球磁场的变化及其应用，地球磁场的反向，古地球磁场的变化研究及其重要应用，地球磁场的起源。这里还要说明一下，我们在这里介绍的不仅有一般的地球磁(场)现象，而且还将介绍岩石磁现象，古地磁现象等以及它们的应用，地球磁场的来源和演化等。地球磁场一般也简称地磁场。地磁学一般仅指关于地磁场的测量和研究，但是地球磁学就包括地磁学、岩石磁学、古地磁学和地球磁场的起源和演化。www.ddhw.com 地球磁场的变化和应用 图1　磁法探矿 www.ddhw.com 长期的和世界范围的地球磁场的观测和研究表明，地球磁场是随时间和空间而变化的。因此许多地方都设立了不断观测和记录地球磁场变化的地磁观测台或地磁观测站。我国便在北京、各大行政区和一些重要省市建立有地磁观测台(站)。地磁场的这些变化不但提供了许多有关地球结构和活动的信息，而且还有许多重要的应用。例如，磁法探矿已成为地球物理探矿中一种重要的和常用的方法。它同其他的地球物理探矿法如重力法和电学法等各具有其特点。磁法探矿不仅可应用于铁矿的勘探，而且还应用于与铁矿相伴生的其他矿物的勘探。前者称为磁法直接探矿，如磁铁矿、磁赤铁矿、钒钛磁铁矿和金铜磁铁矿等的勘探，后者称为磁法间接探矿，如含镍、铬、钴等的金属矿床，金刚石、硼、石棉等非金属矿床以及石油矿等的普查和勘探。图1示出的是两个强磁性铁矿脉(a，b)处的地磁场垂直分量B⊥随距离的变化，可以明显看出在两个矿脉处的B⊥出现两个峰值。　　地球磁场和相关地磁现象的观测研究的应用是很多的。除磁法探矿外，还有如指南针的磁定向和磁导航；由地磁场的突变(磁暴)预报太阳活动和空间天气预报；地磁扰动和磁暴会对无线电通信和气候产生影响；地球磁场的异常变化与地震和火山活动有关，因而可能作为预报地震和火山的一种因素；地磁场观测结合其他地球物理观测可进行地质调查等。 地球磁场的反向 图2　古地磁年表 www.ddhw.com 现代科学研究表明，地球磁场是随着地球的形成和演化而形成和演化的。但是，怎样知道地球磁场在地球演化过程中是如何变化的？这些变化又可以得到什么地球演化的信息？我们将在下面两节中分别介绍这两方面的情况。www.ddhw.com　　关于在几十亿年的地球演化过程中的地球磁场变化情况是得自各个地质时期的大陆岩石和海洋岩石的磁性的观测研究。经过长期对地球上各个大陆和各个海洋的不同地质时期的强磁性岩石磁性的观测研究，即对岩石形成时的磁性保留到现在观测时的剩余磁性的观测研究，主要表明这些古岩石的剩余磁性的方向，即形成岩石时受到地球磁场磁化时的地球磁场方向，有的同现在的地球磁场方向相同(称为正向)，有的同现在的地球磁场方向相反(称为反向)。在地球长期演化过程中，由地球磁场方向变化产生的不同地质时期形成的古岩石磁性方向(极性)的变化，在图2中列出了距今500万年以来(a)、距今8千万年以来和距今2亿5千万年到5千万年前(c)的古地磁(极性)年表。从这些表中可以看出，地球磁极性的变化并没有明显的周期性。表(a)中是不同地磁方向时期的名称，而表(b)和(c)中则是不同地质时期的名称。这种表示地球磁极性随年代变化的年表称为古地磁(极性)年表。另外，还可以根据古岩的剩余磁性以及古陶瓷等文物的剩余磁性等来确定古人类和古文物的年代，称为考古磁学。我国曾利用古地磁断代方法测定北京人、云南元谋猿人和四川巫山人的年代，结果同其他科学考古断代方法测定的年代是一致的。 地磁与大陆漂移及海底扩张 图3　大陆漂移与碰撞 www.ddhw.com 前面讲过了由地球磁场在地球演化的漫长地质时期中的多次反向，并从各个大陆和海洋岩石的剩余磁性的变化得到证实。这样在地球演化和考古学上形成了古地磁断代方法。现在将进一步介绍从各个大陆和海洋岩石的剩余磁性的变化证实了地球演化过程中十分重要的大陆漂移和海(洋)底扩张学说，从而建立了现代新地球观。　　什么是大陆漂移？根据现代对地球的许多新的研究结果，认识到地球在漫长的地质时期中，各个大陆并不是固定的，而是有过漂移的。例如，大约在4500万年到3500万年前，原来在南半球的印度大陆板块便曾经在海洋中向北半球漂移，同亚(洲)欧(洲)大陆相碰撞和挤压，使这两块大陆之间的海洋消失，而因碰撞形成隆起的喜马拉雅山脉，如图3所示。这样就在喜马拉雅山上留下碰撞前的海洋生物化石，有的至今还保留着。而由喜马拉雅山脉北面地区和南面地区的古岩石磁性所反映的古地磁情况就得到了证实。我国的古地磁学家和古生物学家都从这一地区的科学研究中证实了这一古地球演化现象。 www.ddhw.com 图4　海底扩张引发岩石的剩余磁通变化 www.ddhw.com 什么是海底扩张？同样根据现代对地球的许多新的研究结果，认识到地球在漫长的地质时期中，各个大洋海底中海岭口两侧岩石的剩余磁通密度Br都呈现对称的起伏分布，例如图4便是加拿大温哥华西南太平洋一处海岭口两侧岩石的剩余磁通随离开海岭距离不同而出现的变化(a)，图(b)是由理论模型计算出的剩余磁通Br随离开海岭距离不同而出现的变化，还标示出同距离相对应的年代，图(c)则是海岭口处喷发岩浆及其两旁对称的地磁场反向情况。许多的观测研究表明，其他海洋底的海岭口两侧岩石磁性也出现类似的情况。这些观测和理论分析说明了什么呢？简单说来，这表明由海岭口喷出的地球内部炽热的岩浆冷却时受到当时地球磁场的磁化后而留下保留下来的剩余磁化强度。随着海岭口内炽热岩浆的不断由喷出、冷却和磁化，原先喷出、冷却和磁化的岩石便被随后喷出、冷却和磁化的岩石推挤向海岭口的两侧。这一过程继续下去，便形成了现在所观测到的各大洋海底的海岭口两则的岩石剩磁情况。那么这样不断进行下去会怎样呢？进一步的观测和研究表明，向海岭口两侧推移扩展的海底岩石到达海洋与大陆的交界处时便会沉入海洋底到地球内部再融化成岩浆。这样在海洋中便不会存在年代很久远的海洋岩石，这是同大陆上的岩石可存在很久远的情况是不相同的。这一情况已在大量的观测研究中得到证实。　　大陆漂移和海底扩张都证明地球表层存在着巨大的板块结构，如亚欧板块、太平洋板块、非洲板块、北美洲板块等。这样就形成了包括大陆漂移、海底扩张和板块结构的新地球观。从上面的介绍可以看出，地球磁现象的观测和地球磁学的研究对于新地球观的建立起了十分重要的作用。 地球磁场与极光 地球的极光现象是发生在地球北极和南极区域及其附近高空的美丽发光现象，其色彩鲜艳，形状多种多样，人类在几千年前就观察和记载了这一发光现象，称为北极光。但是在很长时期中都不知道发生极光的原因，更不知道极光与地球磁场的关系。直到近代科学的发展，才弄清楚极光的产生时间、表现形态和变化情况都同地球磁场密切相关。www.ddhw.com　　极光的形成主要是由于太阳的带电微粒发射到地球磁场的势力范围，受到地球磁场的影响，从高纬度进入地球的高空大气，激发了高层空气质粒而造成的发光现象。地球是一块巨大的磁石，而它的磁极在南北两极附近。我们知道，指南针总是指着南北方向，就是因为受了地磁场的影响。从太阳射来的带电微粒流，也要受到地磁场的影响，而且使带电微粒流聚集在磁极附近。所以极光大多在南北两极附近的上空出现。在南极发生的叫南极光，在北极发生的叫北极光。 地球磁场的起源 图5　地球内部构造与地球磁场示意图 www.ddhw.com 关于地球磁场的来源，早期历史上曾有来自北极星的传说，但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展，对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入，对地球磁场的来源先后提出了10多种学说。这里按照历史的先后对一些各有一定根据或设想的地球磁场来源学说作简单介绍：(1)永磁体学说，是最早提出的一种学说，认为地球内部存在巨大的永磁体，由这永磁体产生地球磁场，但后来认识到地球内部温度很高，不可能存在永磁体；(2)内部电流学说，认为地球内部存在巨大的电流，形成巨大电磁体产生地球磁场，但是既未观测到这种巨大电流，而且巨大电流也会很快衰减，不会长期存在；(3)电荷旋转学说(公元1900年，简写作1900)，认为地球表面和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷，由地球自转而形成闭合电流，由此电流产生磁场，但这学说缺乏理论和实验基础；(4)压电效应学说(1929)，认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一(10-3)；(5)旋磁效应学说(1933)，认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场，但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一(10-11)；(6)温差电效应学说(1939)，认为地球内部的放射性物质产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合；(7)发电机学说(1946－1947)，认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生地球磁场；(8)旋转体效应学说(1947)，是根据少数天体观测得到的经验规律，认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩，因而产生磁场。这一学说需要使用一无科学根据的常数，5年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了；(9)磁力线扭结学说(1950)，认为在地球磁场磁力线的张力特性和地核的较差自转，会使原始微弱的地球磁场放大，由此产生地球磁场；(10)霍尔效应学说(1954)，认为在地球内部由于温度不均匀产生的温差电流和原始微弱磁场的同时使用下，会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流，由此产生地球磁场；(11)电磁感应学说(1956)，认为由太阳的强烈磁活动通过带电粒子的太阳风到达地球后，会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流，由此产生地球磁场。在这些学说中，只有发电机学说(又称磁流体发电机学说)在观测、实验和理论研究上得到较多的证认，是目前研究和应用较多的地球磁场学说。但是由于地球内部结构较复杂，影响地球磁场的因素又很多，因此这方面的观测、实验和理论等方面的研究仍需要不断地进行。图5是地球内部构造与地球磁场的示意图，地球从外到内分为地壳层(岩石层)、地幔层、外地核层和内地核层。地壳主要为硅-铝氧化物和硅-镁氧化物等，地幔层主要为铁-镁硅酸盐和铁的氧化物和硫化物，外地核层和内地核层主要为铁(约90％)和镍(约10％)金属，外地核层呈液态，内地核层呈固态。从地壳层到内地核层，温度越来越高，压力也越来越大。地球磁场主要产生在液态金属的外地核层。www.ddhw.com　　关于地球磁场反向的学说，也有近10种，主要有非偶极型磁场变化学说(1964)，无规磁场起伏学说(1968)，地核流体对流对称性变化学说(1969)，地核流体对流区分布变化学说(1969)，地核三偶极型磁场学说(1969)，偶极型磁场变化学说(1971)，双偶极型磁场学说(1975)，银河星系旋臂干扰学说(1974)，地外天体撞击学说(1987)等。前7种地球磁场反向学说来自地球内部，可称为内源说，后2种地球磁场反向学说来自地球以外天体的干扰或撞击，可称为外源说。 　　从以上的介绍可以看出，不论是地球磁场及相关磁现象的研究和应用，还是地球磁场和地球磁场反向的来源的学说，内容都是很丰富的，有的方面在科学意义上或是在应用价值上还是十分重要的。 www.ddhw.com

新用户

宇宙磁现象 宇宙磁现象是指地球以外的各种星体和星体之间的星际空间的磁现象。宇宙磁现象所涉及的空间范围和时间尺度都远超过地球。因此在这里只能选取其中一部分大家可能更为关心和更感兴趣的宇宙磁现象，如阿尔法(α)磁谱仪上天(空间)探测、“阿波罗”飞船登月测月磁、太阳磁活动与太空气象学、脉冲星与超强磁场。 太阳磁场与太阳黑子 图1　太阳磁场望远镜 www.ddhw.com 太阳黑子是在太阳表面出现的很小的较暗的区域。观测表明黑子出现的数目、大小和位置都是随时间变化的。进一步研究表明，太阳黑子是一种太阳磁场引起的局部区域温度降低、发光减弱的现象。太阳黑子也是很早就有了观察记载，但直到近代通过观测和研究才认识到太阳黑子的出现和变化是同太阳的磁场活动密切相关的。太阳的黑子活动不但同太阳的结构和活动等密切相关，而且对于我们地球也有影响。所以太阳黑子的观察研究受到重视。图1是我国北京天文台建造的太阳磁场望远镜，其建造规模和观测研究都居于世界前列。 阿尔法(α)磁谱仪空间探测 图2　阿尔法磁谱仪的关键部件永磁体 www.ddhw.com 阿尔法(α)磁谱仪是1998年人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。它利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质，探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题，例如寻找磁单极子等。最早的阿尔发磁谱仪是1998年由“发现号”航天飞机载入太空，进行了约10天的试验性探测。图2是这次所用的阿尔法磁谱仪中由中国科学家设计制造的关键部件永磁体系统，左下图是在“和平号”空间站上拍摄的在“发现号”航天飞机上的阿尔法磁谱仪。计划在2003年将阿尔法磁谱仪送到国际空间站工作3~5年，进行较长时期对空间反物质和暗物质等的探测。阿尔法磁谱仪(英文缩写为AMS)的研制工作是由美籍华裔物理学家、1976年度诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授提出并领导的一个大型的国际合作科学研究项目，由美国和中国等10多个国家和地区的37个科研机构参加科研工作。其主要目的是寻找太空中的反物质和暗物质，以及解决其他一些重大科学问题。反物质是指由质量相同但电荷符号相反的反电子(即正电子)、反质子和反中子组成的反原子构成的物质，如反氦和反碳等。暗物质是指不能用光学方法探测到的物质。根据现代科学研究中的一些学说，宇宙中除一般见到的物质(即正物质)以外，应还存在反物质；除用光学方法探测到的一般物质以外，应还存在用光学方法探测不到的暗物质。这些物质在磁场中运动时会表现出不同的特点，因而可以用探测器探测出来。阿尔法磁谱仪主要由磁系统和灵敏探测器等构成。www.ddhw.com　　这套既具有重要的科学意义，又应用高新技术的阿尔法磁谱仪的提出和领导者美籍华裔物理学家丁肇中教授的祖籍为山东省日照县。因父亲和母亲都在美国留学而出生在美国(1936)。回到中国后不久抗日战争爆发，随父母到四川度过童年。后又同父母到台湾。1956年去美国留学，最初在工学院学习，后转入物理系学习。在取得博士学位后，便从事物理研究工作。1974年同其领导的实验小组发现J粒子，两年后(1976)丁肇中教授因这项重要发现而获得诺贝尔物理学奖。1993年由丁肇中教授发起，邀请美国和中国等10多个国家和地区的科学家组成国际合作研究的阿尔法磁谱仪实验组。在阿尔法磁谱仪的研究中，由中国科学家完成了大型的稀土永磁铁系统(图2)的设计、制造和安装等工作。 　　可以看出，阿尔法磁谱仪是当代宇宙磁学中的一项重要的研究和应用成果。我们中国在这项重要的研究和应用中也作出了重要的贡献。 www.ddhw.com “阿波罗”飞船测月磁 图3　“阿波罗”飞船测月磁 在上个世纪(20世纪)60年代的“阿波罗”飞船载人飞上月球以前，人类对于地球以外的天体的观测都是依靠人眼或望远镜。直到“阿波罗”飞船载人飞上月球，人类才开始了对地外天体的直接观测和研究。在航天人员对月球的许多直接观察、测量和研究中，关于月球的磁场和月岩磁性的观察、测量和研究也是一项重要的工作，并且取得了很有意义的结果。图3显示出“阿波罗12号”飞船的登上月球的宇航员和三分量月磁场测量设备的照片。宇航员便利用这套磁场测量设备测量了月球表面和月球上空的月球磁场的3个分量，宇航员还将采取的月球岩石(简称月岩)带回地球，并通过测量月岩的磁性，可以推断出月岩形成时的月球磁场，正像由地球的古岩石的磁性推断出地质时期的地球磁场一样。我国也曾得到少量的赠送的月岩样品，并对其进行了一定的测量和研究。www.ddhw.com　　从多次登月对月球磁场和月岩磁性的测量和研究中得到了关于月球结构和演化等的一些重要信息。例如,月球磁场强度仅为地球磁场的大约百分之一(1%),远低于地球磁场，而且磁场强度分布很不均匀，也不像地球磁场来自地球的磁北极和磁南极；又例如，月岩中的强磁性物质主要是铁和铁合金，不像地球岩石中的强磁性物质主要是铁的氧化物或铁的其他化合物，表明月球上长期缺乏氧气等气氛。再经过进一步的科学研究和分析，可以从月岩剩余磁性推论古代月球磁场远强于现在的月球磁场，而同现在的地球磁场相近；又可以从现在月球的变化磁场推论它是由太阳发射的带电粒子流即太阳风在月球内部因电磁感应作用所产生的，因而可推算月球内部岩石的电导率及其分布情况，再结合对月岩的其他科学研究，又可以进一步科学推论月球内部为固态物质，不像地球内部有液态物质。再从这些观测分析和研究，使得关于月球磁场来源的模型和学说多达20多种。特别值得注意的是，由月球磁场的观测研究可以推断月球的内部结构和物态，这在现代天文学和宇宙学的观测研究上是十分少见的。 www.ddhw.com 磁场与空间气象学 图4　太阳系行星际磁场示意图 现代人类已进入空间时代，空间环境对人和生物等的影响已受到特别的关注，其中的空间气候如太阳风等便同太阳磁场和太阳系磁场有关密切的关系。前面已经讲到，太阳风是由太阳上的能量高的带电粒子如电子、质子等从太阳表面喷射到太阳外的太阳系空间甚至更远的空间。由于太阳风中粒子带有电荷，因此也将太阳磁场带入太阳系空间甚至更远的空间，形成太阳系行星空间的行星际磁场。图4中便是太阳系行星际磁场的方向。因为太阳风含有高能量带电粒子，这对于行星际中的空间飞行器，特别是对飞行器的人和生物等是有伤害的。因此对剧烈的太阳风的预报和预防是特别需要的。www.ddhw.com　　如何预报剧烈的太阳风？因为太阳风是从太阳发射出来的带太阳磁场的高能量带电粒子，是太阳的磁活动，如太阳黑子和太阳耀斑等产生的。这就需要预报太阳的剧烈磁活动。太阳黑子和太阳耀斑是可以从太阳光观测出来的。光的传播速度是远高于高能带电粒子的运动速度的，因此只要观测到太阳黑子和太阳耀斑等剧烈活动的光信号，便可以预测和预报剧烈太阳风的时间。这样就可以对行星际空间将要发生的剧烈太阳风进行预测和预报了。当然这就需要更多和更深入地研究各种太阳磁活动、特别是剧烈太阳磁活动的产生机制和各种影响因素。 www.ddhw.com　　在太阳系行星系统中，许多行星的磁场都低于地球的磁场，但是太阳系中最大的行星木星的表面磁场却约为地球磁场的10倍。这是什么原因？进一步深入研究认识到，木星主要是由氢构成的，木星表面为氢气，木星内部压力增大，氢气转变为液态氢，再深入木星内部，压力更增大，液态氢又转变为固态氢。更深入木星内部后固态氢密度更增大，又从绝缘状态的氢转变为金属状态的氢。从物理学理论研究可知，金属氢还可能在一定条件下转变为超导体。如果木星内部存在电阻为零的超导氢，就会存在巨大的电流，并由此产生高的磁场。这样就可以说明木星为什么有较高的磁场。物理学理论研究还指出，金属氢还可能是一种高温高能燃料。这样就促进了关于金属氢的探索性研究。目前虽然在地球上还未研究出金属氢来，但是对木星磁场的测量和研究，以及由此引出的关于金属氢的推测却是引人注意的。 脉冲星与超强磁场 图5　武仙星座X-1脉冲星发射的X射线谱(cm-厘米 S-秒钟 KeV-千电子伏特) www.ddhw.com 磁场既然是普遍存在的，那么宇宙中存在着多高的强磁场和多弱的弱磁场？它们又存在于何处？通过大量的天文观测和研究，现在认识到的最强磁场存在于脉冲星中。脉冲星又称中子星，是恒星演化到晚期的一类星体。根据天体演化过程，一般恒星演化到晚期时，由于原子核聚变产生高热能所需的核聚变物质已经用尽，热能剧减，恒星物质的引力便使星体收缩，体积变小，而恒星磁场便因恒星收缩和磁通密度变大而增强。这样，演化到晚期的恒星磁场便急剧大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁场剧增到约103~104特[斯拉](T)，而演化到晚期的脉冲星(中子星)的磁场更剧增到约108~109特[斯拉]，分别比太阳磁场增加约千万到亿倍(107~108倍)和约万亿到10万亿倍(1012~1013倍)。例如图5便是在地球高空观测到的武仙星座X-1脉冲星(中子星)发射的X射线谱。进一步研究认识到这一发射的X射线谱是由于X-1脉冲星的电子流在磁场中的回旋运动产生的，而谱线的吸收峰便是电子流在磁场中的回旋共振峰。由回旋共振的位置(X射线的能量)便可计算出回旋共振的磁场的强度约5×108T。这样强的磁场是目前科学技术在地球上远远达不到的，目前科学技术在地球上所能得到的磁场的强度仅约102T，两者相差约百万倍(106倍)。www.ddhw.com　　目前在宇宙中观测到的最弱的磁场是多少？是在什么地方观测到的？根据目前对各处宇宙磁场的观测，各种星体的磁场都高于星体之间的星际空间的磁场。例如，在太阳系中各行星之间的行星际磁场约为1×10-9~5×10-9特[斯拉](T)，即约为地球磁场的十万分之一(10-5)。在各个恒星之间的恒星际空间的恒星际磁场，常简称星际磁场，比行星际磁场更低，大约为5×10-10~10×10-10特[斯拉](T)，即约为行星际磁场十分之一(10-1)，也就是约为地球磁场的百万分之一(10-6)。恒星际(空间)磁场是如何知道的？目前主要是应用恒星光的偏振观测和恒星射电(无线电波)的塞曼效应(即无线电波在磁场中分裂而改变频率)观测及维持银河星系结构的稳定性理论计算等来测定或估算恒星际磁场。由现代多方面的天文观测知道，由大量的恒星形成星系，例如太阳便是银河星系中的一个恒星，而银河星系以外的宇宙空间中还有更多更多的星系。星系与星系之间的空间称为星系际空间，根据多方面的天文观测的间接推算和理论估计，星系际空间的磁场约为10-13~10-12特[斯拉](T)，即约为行星际磁场的万分之一到千分之一(10-3~10-2)。恒星际磁场大约相当于人的心(脏)磁场(约百亿分之一T)，而星系际磁场大约相当于人的脑(部)磁场(约万亿分之一T)，甚至低于脑(部)磁场。 www.ddhw.com　　从上面宇宙磁现象的介绍可以看出，宇宙磁现象是宇宙空间到处都存在的，而且许多宇宙磁现象还同科学研究和我们生活有着密切的关系，还有着远比我们在地球上接触到的磁场更强和更弱的磁场。 www.ddhw.com

新用户

原子核磁现象 微观世界虽然是我们的肉眼看不见的，但却可以应用多种科学方法和高新技术了解其存在、认识其特性，有的还得到重要的应用。 这里介绍若干重要的原子核现象及其应用。首先介绍原子核磁共振及其一些重要的应用。 核磁共振与物质结构研究 图1　核磁共振谱仪 图2　酒精的氢原子核的核磁共振谱 www.ddhw.com 磁共振是物质中的磁矩系统在互相垂直的恒定磁场(又称直流磁场)和高频或微波磁场的同时作用下，当恒定磁场的强度和高频或微磁场的频率满足一定的条件时，这一磁矩系统对高频或微波产生的强烈的电磁能量吸收现象，原子核磁矩系统产生的磁共振称为核磁共振，电子磁矩系统产生的磁共振称为电子自旋磁共振。根据这一电子系统产生的磁性，如顺磁性、铁磁性等，又分为顺磁共振、铁磁共振等。又一类磁共振是物质中的游动电子的电荷系统在互相垂直的恒定磁场和高频或微波电场的共同作用下，当恒定磁场的强度和高频或微波电场的频率满足一定的条件时，这一游动电子的电荷系统对高频和微波产生强烈的电磁能量吸收现象，称为回旋共振。因为这一现象同物质的抗磁性相关，故也称抗磁共振。运动的电荷还可能是物质中的离子所产生，称为离子回旋共振。www.ddhw.com　　在这些磁共振中，目前应用最多的是核磁共振。这是因为在92种天然化学元素中，有80多种化学元素的原子核具有磁矩(简称核磁矩)，可以在一定条件下产生核磁共振，因此可以利用核磁共振方法来研究许多物质的核磁共振。又因为核磁共振的分辨率很高，又可以利用一些新技术(如电子计算机技术等)来提高灵敏度，故在物理学、化学、生物学、地质学、医学和工农业分析等中得到重要的应用。图1示出一台测量核磁共振的核磁共振谱仪设备，图2示出利用核磁共振谱仪测得的乙醇(酒精)(C2H5OH)的氢(原子)核的核磁共振谱。从这核磁共振谱可以看出，共振谱中的3条谱线的强度比为3:2:1，这正好反映乙醇中3种原子团CH3，CH2和OH中的氢原子含量的浓度比例。核磁共振研究的化学元素多、分辩率高和灵敏度高的这些特点可以得到所研究物质的很多结构和特性等方面的信息。这在研究复杂的生物大分子甚至生物活体时更有其优点，是其他科学方法难以得到的。例如核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)和多种蛋白质的核磁共振研究便解决了许多结构上和其他方面的问题。 www.ddhw.com 穆斯堡尔效应与磁结构研究 图3　石榴石型钇铁氧体的穆斯堡尔谱(a-8面体晶位 d-4面体晶位) www.ddhw.com 前面介绍各种磁性材料时，曾讲到其强磁性的来源是由于构成磁性材料的原子磁矩有一定规律的排列，称为磁有序。而且在磁性材料中从实验上和从理论上都表明和论证了有多种多样的磁有序，称为磁结构。但是怎样确定磁性材料中原子磁矩的微观结构呢？这里需要说明，原子磁矩实际上是原子中许多电子的总和磁矩，而没有考虑原子中的原子核磁矩。这是因为一般说来如电子和原子核等微观粒子，其质量越大，其表征磁性强弱的磁矩就越小。原子核的质量比电子质量约高2千倍或更高，所以原子核的磁矩就只有电子磁矩的大约2千分之一或更低。故一般讲到原子磁性时便忽略原子核的磁性，而只讲电子的磁性，因而把原子中的电子的总和磁矩称为原子磁矩。什么是穆斯堡尔效应？穆斯堡尔效应是指具有穆斯堡尔效应的原子核(称为穆斯堡尔核)中的低能级(称为基态能级)与较高能级(称为激发态能级)之间的跃迁变化。这些能级中包含有与穆斯堡尔核的磁性有关的能级(称为磁能级)及磁能级之间的跃迁。一般对磁性物质(材料)穆斯堡尔效应的研究主要便是对穆斯堡尔(原子)核的磁能级之间的跃迁。从原子核的磁能级之间的跃迁看，核磁共振同穆斯堡尔效应是相似的。但是核磁共振是在原子核的基态磁能级之间跃迁。基态磁能级之间能量相差较小，故同能量成正比的核磁共振频率较低，一般在射电频率(高频)和微波的范围。但是穆斯堡尔效应却是在穆斯堡尔(原子)核的基态磁能级与激发态磁能级之间的共振跃迁，因为基态磁能级与激发态磁能级之间的能量相差很大，故同能量成正比的穆斯堡尔效应频率便很高,一般在γ射线的范围，故也称(原子)核γ共振。在利用穆斯堡尔效应研究磁性物质(材料)时，便可从磁性物质(材料)的穆斯堡尔谱来分析其磁结构。图3是石榴石型钇铁氧体(Y3Fe5O12，简写为YIG)中57Fe穆斯堡尔(原子)核在室温下的穆斯堡尔谱。一般磁有序物质穆斯堡尔谱为6条吸收线谱线，谱线的强度和距离同磁有序的情况有关。图中谱线的分裂显示磁有序物质中出现不同磁有序的磁亚点阵，结合其他方面的研究，可知这一铁氧体中的Fe离子以2:3的比例分布于8面体(a)和4面体(b)的磁亚点阵中。从这个例子可以看出，从原子核的穆斯堡尔效应的研究中可以得到磁有序物质(材料)的许多磁性和磁结构的重要信息。但是，还需要指出的是，目前已经观测到具有原子核穆斯堡尔效应的化学元素只有40多种，约为可进行核磁共振研究的化学元素的一半，而且只有Fe原子核的穆斯堡尔效应可以在室温下观测，其他大多数则需要在低温下观测。另外，从原子核的穆斯堡尔效应不仅可以得到磁性材料的磁结构等信息，而且还可以从其他穆斯堡尔参数如核电四极矩、核同质异能移位等得到磁性物质(材料)和其他许多物质(材料)的结构和性能等信息。这里只着重介绍了穆斯堡尔效应在磁学和磁性材料方面的特点和应用。www.ddhw.com 核磁致冷创造最低温度记录 在现代生活中，利用致冷(也称制冷)的冰箱已成为重要的家用电器。但是目前常用的冰箱制冷剂中含有不利于环境保护、破坏高空臭氧层的氟(F)和氯(Cl)，因而促进了多种致冷方法技术的研究。磁致冷技术便是其中很受重视的致冷技术，例如,正在研究的利用稀土金属钆(Gd)及其合金在其铁磁-顺磁临界温度区域的磁-热效应的致冷。又例如，已经利用锰(Mn)系和铬(Cr)系硫酸盐等顺磁(性)盐类的顺磁绝热退磁效应在超低温度区域将温度降低到约百分之一(10-2)开(K)，是当前超低温度区域较常用的一种致冷技术。什么是磁绝热退磁致冷技术？简单说来就是把在大约1开(K)的起始温度的顺磁盐放在外加强的磁场中磁化，所放出的磁化热传到顺磁盐周围环境中，温度保持不变。然后把顺磁盐同周围环境隔离，处于绝热状态，再去掉或剧减外加磁场，顺磁盐转变为退磁状态，原子磁矩从磁有序转变为磁无序，这就需要吸收能量，但是已处于绝热状态的顺磁盐不能从周围环境吸取能量，便只有从顺磁盐自己的原子运动中吸取能量，这样就使顺磁盐的分子运动减弱而使温度降低。这种磁绝热退磁过程进行多次便可使顺磁盐温度降低到一定的程度。一般说来，利用顺磁盐的绝热退磁方法可以使顺磁盐温度降低到约百分之一(10-2)开(K)，即约10毫开(mK)，也可称为毫开(mK)范围或毫开(mK)量级。www.ddhw.com 图4　二级绝热退磁极低温装置示意图 利用同样的绝热退磁方法可以使一定物质的原子核磁矩系统的温度降低。例如利用铜(Cu)原子核绝热退磁方法可以铜(Cu)原子核系统温度降低到约百万分之一开(K)，即约1微开(μK)或更低。目前利用(Cu)原子核绝热退磁方法达到的最低温度为十亿分之二开(K)，即约2纳开(nK)，这是目前所知达到的最低温度。我国的访问学者殷实也参加了这一项研究工作。图4中为一个两级原子核绝热退磁装置的主要结构示意图。两级分别利用PrNi5合金中镨(Pr)原子核和(Cu)原子核绝热退磁致冷效应，最低温度达到约100万分之27开(K)，即约27微开(μK)。这里需要注意的是，利用原子核磁矩系统的绝热退磁致冷方法所达到的最低温度是指原子核磁矩系统的温度，并不是含这一原子核的物质的温度；根据热力学定律，绝对温度的0开(K)是不可能达到的，但可以接近0开(K)。www.ddhw.com 核铁磁性和核反铁磁性 图5　铜原子核的核反铁磁性 图6　极低温度下氦-3原子磁矩的反铁磁结构 www.ddhw.com 我们在前面介绍各种物质的磁性时，曾讲到研究和应用最多的是原子磁矩形成有序排列的铁磁性和反铁磁性等材料。原子磁矩是原子中多个电子的总合磁矩，原子磁矩的有序排列是由相邻原子磁矩(自旋)间的相互作用，主要是具有量子力学特点的自旋间的交换作用产生的。那么原子核磁矩是否也会形成有序排列而产生原子核铁磁性和核反铁磁性等？经过实验观测和理论研究，特别是由于高新技术的发展和应用，已经从实验和理论两方面证实了原子核铁磁性(简称核铁磁性)和原子核反铁磁性(简称核反铁磁性)的存在及其特点。但是，从实验中观测到原子核磁矩的有序排列是很不容易的。这一方面是由于原子核磁矩只有原子(电子)磁矩的千分之一或更低，其有序排列要克服热扰动的影响和破坏，就必须在很低的温度下才能实现原子核磁矩的有序排列，另一方面也是由于原子核磁矩很小，要从实验中观测到原子核磁矩的有序排列也是很不容易的。但是经过长期的和利用高新技术的实验研究，还是观测证实了许多物质中的原子核磁矩的有序排列。例如，在金属铜(Cu)、LiH、CaF2、Ca(OH)2、PrNi5、PrCu5、PrCu2和PrCu6等化合物和合金中已经在极低温度下观测到其中的铜(Cu)、锂(Li)、氢(H)、氟(F)、镨(Pr)的原子核磁矩的互相平行排列的核铁磁性，或原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性。图5中示出是铜(Cu)原子核磁矩互相反平行排列的核反铁磁性，这是由铜原子核磁矩之间的磁偶极相互作用产生的。进一步实验和理论研究表明，铜(Cu)原子核磁矩在60纳开(nk，10-9K)到300微开(μK，10-6K)的极低温度范围内已经观测到3种核反铁磁性有序磁结构。另外，化学元素氦(He)有2种不同的同位素氦-4(4He)和氦-3(3He)，在自然界中氦－4占绝大多数，其核磁矩和核自旋都为零，氦-3只占约万分之1.3(1.3×10-4)，但却具有核磁矩和核自旋。在极低温度范围内和不同的高压下，固态氦-3的原子核磁矩具有不同的有序排列的核磁结构。图6中示出是高压下的固态氦-3在较低磁场和较低温度范围内的较复杂的核反铁磁结构，称为UUDD(上上下下)核反铁磁结构。可以看出，在极低温度下出现的核磁矩有序排列的核磁结构也是多种多样的，有的同磁性物质(材料)的原子磁矩有序排列的磁结构相同，也有少数表现出特殊的核磁矩有序排列的核磁结构。　　从上面的介绍可以看出，原子核的磁性虽然远比一般物质的磁性微弱，但是在一定的条件下也可以表现出来，而且有的还有其特点，有的还得到了重要的应用。 www.ddhw.com

新用户

基本粒子磁现象www.ddhw.com 基本粒子是构成原子和原子核的更小和更深入一层的粒子。但因随着科学研究的深入和进展，原来看作是基本粒子的也由更深层次的粒子的发现而变为非基本粒子了。例如历史上曾经把原子、随后又把原子核看作是基本粒子，但是后来更进一步的研究表明，原子和原子核都不再是基本粒子。因此把基本粒子称为粒子。这里为了避免一般的误解，把基本粒子同常用的材料粒子和颗粒等相混淆，仍采用“基本粒子”一词，只是要理解“基本”是随着历史和科学进步而改变的。从当代科学研究和应用看，基本粒子的磁性研究和应用也是很广泛的。这里我们只介绍其中的一部分：电子磁矩的精密测量和理论计算，中子没有电荷却有磁性，磁单极子的探测和理论研究，夸克粒子和超子的磁性。 电子磁矩 　　 电子是发现较早的一种基本粒子，存在于原子核外。各种化学元素便是根据该元素原子的原子核中的质子数目，也就是该元素原子在非电离的正常状态下的原子核外的电子数目决定的。原子中的电子磁性有由电子的自旋产生的自旋磁矩和电子环绕原子核作轨道运动产生的轨道磁矩。对于不处于原子中的自由电子说来，就只有自旋磁矩，是电子具有的内禀磁性，常简称电子磁矩。一般电子学只考虑运动电子的电荷所产生的电流，但是在上个世纪(20世纪)末，由于现代磁学和高新技术的发展，诞生了磁学与电子学交叉的称为磁电子学、又称自旋电子学的新的交叉磁学或称边缘磁学。这样在磁电子学中电子电流和电子磁矩(自旋)都得到研究和应用。www.ddhw.com　　电子磁矩研究的一项很重要又很有意义的成果是对电子磁矩的精密测量和理论计算。这表现在20世纪中期的30年研究中，对应用于电子磁矩与电子角动量关系的电子g因数的反常因数(简称g反常因数) α的精密测量和理论计算上。按早期的理论研究，g因素g=2，即g反常因数α=0，但是在长期的越来越精密的实验研究中却表明，α并不等于0，如表1中所示，在1948~1978的30年实验研究中，α的实验测量值从3位有效数字增加到10位有效数字。同时更值得注意的是，对g反常因数α的理论计算，在考虑了多种对电子磁矩的影响因素后，得到的理论计算值也达到10位有效数字和很高的精度(很低的不确定度)。还值得注意的是，g反常因数α的实验测量值和理论计算值在10位有效数字中竟有8位有效数字相同，这些都从表1中可以清楚地看出。总的说来，关于电子(自旋)磁矩的实验测量和理论计算达到这样高的有效位数，而实验测量值与理论计算值达到这样高的符合程度，在磁学和其他自然科学中都是非常罕见的。 表1 电子g反常因数α=0.5*(g-2)的实验测量值和理论计算 www.ddhw.com 中子的磁性 图1　反铁磁物质氧化锰 在80K和293K的中子衍射谱 在基本粒子的磁现象中，又一个受到关注的问题是，为什么中子没有电荷却有磁性？而且其磁性还得到重要的应用。在一般情况下，磁现象与电现象总是同时存在，而且互相影响的。例如，电荷运动形成的电流总要相伴地产生磁场，而磁场变化时又会由电磁感应产生电动势。www.ddhw.com　　中子的磁性是怎样来的？从现代基本粒子结构的研究知道，中子并不是不可分的基本粒子，而是由3个更基本的夸克粒子(简成夸克)组成的。现在通过许多的实验和理论研究已经知道，共有6种夸克，称为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克。夸克又称层子，表示物质是由许多层次的基本粒子构成的，层子是其中一个层次的基本粒子。每种粒子又都有其电荷和磁矩。中子是由1个上夸克和2个下夸克组成的，而每种夸克各有其电荷和磁矩，这样使中子的总合电荷为零(0)，而总合磁矩却不为零(0)，因为中子是一种具有强相互作用的强子，同由强子、质子和中子构成的原子核有强相互作用，因而可利用来测量晶态物质的原子(含原子核)的分布状态的晶体结构，称为中子衍射晶体结构分析。又因为中子具有磁矩而没有电荷，可利用中子磁矩同晶态物质的原子磁矩的磁相互作用来测量晶态物质的原子磁矩的分布状态(称为磁结构)，并不受物质中电荷的影响，称为中子衍射磁结构分析。这样便可以利用中子衍射同时进行晶体结构分析和磁结构分析。图1所示反铁磁氧化锰(MnO)，在80开(K)的反铁磁(磁有序)态和在室温293开(K)的顺磁(磁无序)态的中子衍射谱。这是因为氧化锰(MnO)的反铁磁-顺磁转变温度(称为奈尔湿度)为120开(K)，在这转变温度以下为原子磁矩有序排列的反铁磁态，故在80开(K)的低温度出现反映反铁磁态的中子衍射谱；而在这转变温度以上为原子磁矩无序排列的顺磁态，故在293开(K)的室温出现反映反铁磁态的中子衍射谱。可以看出同时具有反映反铁磁有序的磁结构和晶体结构的中子衍射谱是比只有晶体结构而无磁结构的中子衍射谱显得复杂。 磁单极子 图2　电离探测器 在高空探测磁单极 子的实验结果 www.ddhw.com 图3　在地面用超导量子 干涉仪在实验室探测 磁单极子的实验结果 www.ddhw.com 一般看来，磁的来源总是同电相关的，即由电的运动(电流)产生磁场，而且产生生物质磁性的磁矩也是同自旋和电荷相联系的。这样磁矩的两个磁极(北极和南极，或称正磁极和负磁极)便是不能分开和分离存在的。这同物质的电性是很不相同的。因为电性中既有电矩(带有正电极和负电极)的存在，也有分开的正电荷和负电荷的存在。这样就造成了磁和电的不对称，使描述电磁现象的麦克斯韦电磁方程组也显得不对称，例如电通密度的散度为电荷密度，而磁通密度的散度却为零(0)，因为只有磁矩，没有分离的磁荷(磁极)。但是获得1933度诺贝尔物理学奖的英国物理学家狄拉克在1931年提出了磁单极子理论。这位物理学家既在创建相对论性量子电动力学理论上有过重要贡献，而且还有先提出了反物质学说、磁单极子学说和基本物理常数随时间变化学说，其中反物质学说已在实验上得到证实，并成为阿尔法磁谱仪的重点研究对象。而磁单极子学说自从1931年提出以来，到现在一直受到实验观测和理论研究的重视。这是因为磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一种来源，电磁现象的对称性，而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关，故成为科学界关注的一个重要问题。例如在实验观测方面，曾利用多种高能加速器进行许多实验，但都未能产生出磁单极子；曾对地球古代大陆岩石和海洋底岩石、从天外降落到地球上的各种陨石、从月球带回地球的月球岩石等进行观测也未观测到磁单极子及其留下的特征径迹，曾利用高空气球和空间飞行器上的粒了探测器探测磁单极子，在很多次探测中仅观测到一次的粒子径迹(图2)，经多方面分析研究，认为很可能是磁单极子的径迹，但至今尚未得到重复证认；还曾多次在地面实验室中利用高灵敏度和高磁屏蔽的超导量子干涉仪(SQUID)式磁强计进行磁单极子的探测，进行了长达151天的日夜不停的磁单极子探测，仅有一次观测结果(图3)经仔细分析研究，排除了多种干扰，认为是一次磁单极子事例，但是后来虽然经过多次重复探测，并且改进和增大了测量装置，提高了测量灵敏度，但是都未能再观测到磁单极子。总的说来，几十年来经过多方面和大量的关于磁单极子的实验观测，虽然曾有过两次可能是磁单极子的观测事例，但都尚未能得到重复的证实。　　在磁单极子的理论研究方面，也曾提出过多种的学说，各有其特点和根据。例如，除狄拉克最早提出的磁单极子学说外，还有：磁荷和电荷完全对称并具有新的量子化条件的全对称磁单极子学说；由著名华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁教授等提出的采用纤维丛新数学方法的量子力学磁单极子学说；应用统一规范场理论的规范磁单极子学说；应用爱因斯坦-麦克斯韦耦合场的相对论性耦合场磁单极子学说；应用超弦理论和4维规范模型的超重磁单极子学说；超对称和超弦磁单极子学说等。 　　总的看来，涉及磁学、电磁对称、宇宙早期演化和微观基本粒子结构等多方面的磁单极子问题是仍需要从实验观测和理论方面继续进行研究的科学问题。 www.ddhw.com 基本粒子的磁性 前面已经对一些具有磁性特点的基本粒子的磁性作了介绍，例如，其磁矩已进行精密测量和理论计算而且实验和理论非常符合的电子磁矩、没有电荷却有磁矩的中子磁矩、在实验观测和理论研究已许多年而尚未得到肯定的科学证实的磁单极子。现在再对一些基本粒子磁性的若干特点和研究意义作些扼要介绍。　　首先是对同电子(第一代轻子)的质量相同但电荷相反的反粒子即正电子的测量，由于正电子在自然界很少，限制了测量的精度。比较现在测量到的g反常因数a： 　　a(电子)=1159652410×10-12 　　 a(正电子)=11603×10-7 可以看出其测量精度的差别是非常大的。　　其次是对第二代轻子μ子的实验测量和理论计算。μ子是在自然界中很不稳定的寿命很短的基本粒子。已经从实验测量和理论计算得到的μ子的g反常因数分别为： 　　a(μ子)(实验值)＝1165924×10-9 　　 a(μ子)(理论值)＝1165920.8×10-9 值得注意的是实验值和理论值的精度虽不如电子，但仍有很高的精度，而且实验值同理论值也是很接近的.www.ddhw.com 再次是对具有强相互作用和静止质量超过原子核中的质子(即氢原子核)和中子的超子的磁矩的实验测量和理论计算。 表2 若干超子磁矩μN的实验测量值和理论计算值 www.ddhw.com 表2中列出6种超子的磁矩的实验测量值和理论计算值。这些基本粒子的磁矩的单位μN称为核磁子，μN(核磁子)比一般用来测量物质磁矩和电子磁矩的单位μB(玻尔磁子)小得多，大约只有μB的2千分之一。这是因为中子和超子等基本粒子的质量大约为电子质量的2千倍或更高的缘故，而一般宏观物质的磁性主要来自于电子的磁性。从表2可以看出，有些超子的磁矩，如Λ0 超子、Σ＋超子、Σ－超子和Ξ0 超子的磁矩的实验测量值与理论计算值是较为接近的；但是另一些超子的磁矩，如Σ0超子和Ξ－超子的磁矩的实验测量值与理论计算值却相差较大，其产生原因是需要进一步研究的。　　从前面的介绍可以看出，大多数的基本粒子的磁性虽然远比电子磁性和宏观物质的磁性微弱，但是却在微观基本粒子中起着重要的作用，有的基本粒子的磁性在科学研究和实际应用等方面还有着重要的应用。 　　从以上对各种磁现象及其在各方面应用等的介绍可以了解，物质的磁性和空间的磁场的磁现象不但是广泛存在的，而且磁在生产、科学研究、国防和生活等方面都有着广阔和重要的应用，从一种意义上讲，我们是生活在磁的世界里。因此，我们需要关心各种磁现象，并关心研究和应用各种磁现象的磁学及磁学的发展。 www.ddhw.com

小玖

你是个有心人。

joydeep

Thank you very much for the nice essays! They are very helpful to me. www.ddhw.com

Yuky

牛啊。谢谢 www.ddhw.com

王金甲

地球磁场既不会逆转也不会消失! http://sea3000.net/wangjinjia/ www.ddhw.com

王金甲

地球较差自轉www.ddhw.com 王金甲    王镇            www.ddhw.com 摘要：“較差自轉”是指一个天体在自转时不同部位的角速度互不相同的现象。較差自轉在宇宙间非凝固的自转天体中普遍存在，比如星系、恒星、巨型气体行星等。太陽系內則有太陽、木星等表面出現。www.ddhw.com 較差自轉现象的形成是内外因素的共同结果。内因；自体必须是非凝固自转天体。外因；天体引力。地球是非凝固自转天体，也在天体引力作用下是否也存在较差自轉？人们对于地球的结构直到最近才有了比较清楚的认识。整个地球不是一个均质体，而是具有明显的圈层结构。地球每个圈层的成分、密度、温度、角速度等各不相同，外层的角速度滞后于内层角速度，外层的拖拽作用使地球自转渐慢。www.ddhw.com 关键词：地壳較差自轉  地球非凝固倾斜自转天体  液体外核潮汐  www.ddhw.com 地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈，它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层，位于地面以下平均深度约150公里处。这样，整个地球总共包括八个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。www.ddhw.com 大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在2000 ～ 16000 公里高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也可认为是大气圈的一个组成部分。高空气体受地球表面冷热对流影响较小，较差自轉在这一层面表现比较显著。www.ddhw.com 水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。从离地球数万公里的高空看地球，可以看到地球大气圈中水汽形成的白云和覆盖地球大部分的蓝色海洋，它使地球成为一颗“蓝色的行星”。组成地表、地下的流体水冷却系统网，活火山活动在薄弱环节。在这一层面，由于冷热对流和大陆板块的高低阻挡作用较差自转表现为潮汐洋流。www.ddhw.com 岩石圈除表面形态外，是无法直接观测到的。它主要由地球的地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近33公里处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为100公里，地震频繁发生在这一圈层。虽然直接受到软流圈较差自转的作用，但这一圈层较差自转很不规则。板块如同黄河下泻的冰凌。www.ddhw.com 在距地球表面以下约100公里的上地幔中，有一个明显的地震波的低速层，这是由古登堡在1926年最早提出的，称之为软流圈，它位于上地幔的上部。在洋底下面，它位于约60公里深度以下；在大陆地区，它位于约120公里深度以下，平均深度约位于60～250公里处。现代观测和研究已经肯定了这个软流圈层的存在，它的较差自转直接影响地壳的较差自转运动，软流圈的较差自转比较规则，但其上地壳板块大小不等，较差自转很不规则。地壳较差自转运动犹如黄河冰凌下泄，即西漂又旋转。地壳较差自转运动使岛屿都形成于大陆板块东侧。www.ddhw.com 其实地壳存在较差自转现象早在公元前二世纪就被古希腊天文学家喜帕恰斯所发现。公元四世纪中国晋代天文学家虞喜也发现了这一自然现象。喜帕恰斯在编制一本包含1022颗恒星的星表时，把他测出的星位与150多年前阿里斯提留斯和提莫恰里斯测定的星位进行比较，发现恒星的黄经有较显著的改变，而黄纬的变化则不明显。在这150年间，所有恒星的黄经都增加约1.5°。喜帕恰斯认为，这是春分点沿黄道后退所造成的，并推算出春分点每100年西移1°。这是地壳存在较差自转现象的最早发现。公元四世纪，中国晋代天文学家虞喜，根据对冬至日恒星的中天观测独立地发现了地壳较差自转，并定出冬至点每50年后退1°。因喜帕恰斯所处的地理纬度比虞喜所处的地理纬度高，故而喜帕恰斯推算出春分点每100年西移1°，而虞喜推算出冬至点每50年后退1°。鉴于当时地球固定论的影响，把地壳较差自转现象错误的解释为岁差。www.ddhw.com 地幔圈之下就是所谓的外核液体圈，它位于地面以下约2900公里至5120公里深度。整个外核液体圈基本上可能是由动力学粘度很小的液体构成的，其中2900至4980公里深度，完全由液体构成，这一层圈的潮汐作用，使其上部分与其下部分产生差速。离极运动皆源于此。地球的倾斜自转和公转使离极运动产生积累误差，长期的积累误差使地壳和地幔南北极在内核上换位，发现的岩石感应剩磁场来回反向就是铁证。www.ddhw.com 地球的几个圈层中最靠近地心的就是所谓的固体内核圈了，它位于5120至6371公里地心处，根据对地震波速的探测与研究，证明此层为固体结构。地球内层不是均质的，平均地球密度为5.515克/厘米3，而地球岩石圈的密度仅为2.6～3.0克/厘米3。由此，地球内部的密度必定要大得多，并随深度的增加，密度也出现明显的变化。地球内部的温度随深度而上升。根据最近的估计，在100公里深度处温度为1300°C，300公里处为2000°C，在地幔圈与外核液态圈边界处，约为4000°C，地心处温度为 5500 ～ 6000°C。www.ddhw.com固体内核圈本应遵守惯性匀速自轉，但因其上部分的拖拽作用不得不匀速渐慢。而固体内核圈的其上部分，因地球及月亮的公转轨道椭圆，使天体引力变化而自轉不匀速

王金甲

地球磁场逆转是判断失误！ www.ddhw.com

王金甲

地球是一个即能膨胀又能收缩的对立统一体www.ddhw.com 摘要：根据地震波成像系统发现，地球是层圈结构并存在“差异旋转”。“大陆漂移”只是一种现象，其本质是地壳和地幔在内核上的整体运动。地壳在内核上不但有经度方向的差异运动，而且还有纬度方向的运动，这样一来板块在赤道获得线速度（465米/秒）而扩张膨胀，在两极失去线速度（0米/秒）而收缩拥挤。这种运动受两种因素影响，外因是条件，内因是根本。内、外因素结合，使地球是一个即能膨胀，又能收缩的对立统一体，是膨胀与收缩給大陆漂移提供动力并导致地震频繁发生。www.ddhw.com 外因：天体引力 内因：（１）地球内部的高温环境使地球形成的同心球层结构www.ddhw.com （２）地球的倾斜自转www.ddhw.com 地球不是刚体行星，内部高温地球的大部分物质呈液体或软流状态。地球的外核是液体，以液体外核为界，把地球分成能相对运动的两大部分。天体引力引起的外核潮汐使两大部分差异旋转。地、月椭圆公转轨道使引力产生变化，以至造成离极运动累计误差。累计误差使地幔、地壳南北极换位。www.ddhw.com 关键词；基础理论与时俱进　宏观研究地球多种运动　对立统一体　www.ddhw.com 世界观   两极线速度   赤道线速度   地球倾斜自转www.ddhw.com 大陆是漂移的，但大陆漂移只是一种现象，其本质在于壳、幔在内核上整体“弦动。[美]比尔·布莱森在万物简史一书中写道；“提出地壳移动的观点的时刻终于来到了。1964年，该领域许多最重要的人物出席了由英国皇家学会在伦敦主办的研讨会。突然之间，好像人人都改变了观点。会议一致认为，地球是一幅由互相连接的断片组成的镶嵌画。它们挤挤搡搡的样子说明了地球表面的许多现象。过不多久，“大陆漂移”的名字便被弃之不用，因为人们意识到，在移动的不光是大陆，而是整个地壳”。www.ddhw.com 地球是圈层结构(见下图)。www.ddhw.com 地球内、外的各个圈层之间不仅有着相互耦合、协同演化的一面，也有相对独立、差异运动的一面。其中，作为地球内部驱动源的地核，尽管其物理性质和运动特征历来爲人们瞩目，但很少有人想到它的旋转与整体地球会不相一致。直到1983年，Poupinet等发现内核中的地震波传播在沿自转轴方向的波速要大于其它方向，从而对长期认定的均匀球状内核模式提出了质疑。在这一研究的带动下，Woodhouse等，于1986年进一步发现了在地球内核中，地震波速的传播是轴对称各向异性的，并由此提出了内核各向异性对称轴的概念。www.ddhw.com 此后相关的研究成果层出不穷。其中最为重要的，有苏维加等在1995年发现这一对称轴与地球的自转轴不仅不重合而且两者的夹角还在不断变化[1]。www.ddhw.com 研究发现月球引力可引发地面规律升降www.ddhw.com http://www.17tech.com/news/2008090591758.shtml 记者顾钢 本报柏林9月3日电德国耶拿大学研究地球潮汐的专家格哈德·詹希最近发表论文称，月球引力对地球的影响不仅会产生潮汐现象，而且会导致地球的地面每天有规律地升降。www.ddhw.com 根据詹希的论文结果，欧洲的地面每天升降约80厘米。詹希是德国耶拿大学的应用地球物理学专家，从2003年起担任国际大地测量学协会潮汐委员会的主席，他也是本周在耶拿召开的4年一次“国际潮汐研讨会”的组织者。地面的升降对居住在地球上的人来说并没有直接的感觉。詹希解释说，由于月球引力对地壳运动的作用非常小，所以潮汐运动不会对地球上的地震、火山喷发等地质现象产生影响。他认为，月球的作用加剧地壳的张力并导致地震的可能性是：当地壳的张力方向与潮汐产生的运动方向相同，但这种可能性迄今并没有具体数据加以证实。www.ddhw.com 詹希称，产生潮汐的原理现在已经非常清楚，当月球直接处于地球上方位置的时候，就会出现潮汐的最大值。月球围绕地球的旋转关系可以设想为一个转动的哑铃，一头是地球，另一头是月球，当月球的离心力超过地球的引力时就形成涨潮，低于地球的引力时就形成落潮，潮汐作用存在于地球引力和离心力之间的差别。www.ddhw.com 宋晓东等在1996年发表的内核差异旋转研究成果，估计地球内核每年自西向东较外核多旋转1.1°，自1990年到1996年累计已多转1/4圈多，引起国际学术界关注，并被评为1996年世界十大科技新闻之一[2]。www.ddhw.com 科学时报北京2005年8月29日讯（记者王丹红）www.ddhw.com 科学家们发现，地球内核的旋转速度每年要比地幔和地壳快0.3到 0.5度，也就是说，地球内核比地球表面构造板块的运动速度快 5万倍，新发现有助于科学家们解释地球磁场 是怎样产生的。美国伊利诺伊大学地球物理学家宋晓东教授是这项研究工作的负责人，他们的成果发表在8 月26日出版的美国《科学》杂志上。新发现也结束了一场为期 10年的争论。宋晓东说：“我们相信我们得到 了确凿的证据。” 加州大学圣克鲁斯分校的地球科学教授加里?格拉兹麦尔说：“这是一项有意义的发现，它减少了一个领域 中的不确定性，你能从中学到新东西。”同期的《科学》杂志专门为这一发现配发评述文章，美国的《纽约 时报》《国家地理》杂志和英国的《物理学世界》等 对这一发现进行了详细报道。美国国家科学基金会和 中国国家自然科学基金会为这项工作提供了资助。 地核由固体金属构成，它包括一个大小与月球相当的直径为2400公里的固态内核，和直径为 7000公里的液态 外核。科学家们认为，内核在产生地球磁场的地球动力学中发挥了重要作用www.ddhw.com 地球是同心球层构造。地球外核是液体，液体外核把地球分成能相对运动的两大部分，液体外核的潮汐使地壳和地幔在固体内核上能整体弦动[3]。什么是弦动？弦动就是：“地壳和地幔与固体内核在差速的同时在纬度方向也有运动，从而导致地壳和地幔在固体内核上南北极来回换位”。地球轨道和月球轨道并不是正圆导致天体引力有规律的变化。牛顿的万有引力定律是：引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比。www.ddhw.com 用公式表示爲：  。公式中；m1、m2是两个物体的质量，r 是两个物体之间的距离，G是常数（6.67×10-11）。www.ddhw.com 我们知道地球的远日点15210万KM，近日点357159KM，远近相差500万KM。月亮与地球的距离，远地点406445KM，近地点357159KM，远近相差49286KM。从公式看r相差值的平方，就知道天体远近引力相差很大。www.ddhw.com 地极移动，简称为极移，是地球自转轴在地球本体内的运动。1765年，欧拉最先从力学上预言了极移的存在。1888年，德国的屈斯特纳从纬度变化的观测中发现了极移。1891年，美国天文学家张德勒指出，极移包括两个主要周期成分：一个是周年周期，另一个是近14个月的周期，称为张德勒周期。前者主要是由于大气的周年运动引起地球的受迫摆动，后者是由于地球的非刚体引起的地球自由摆动。极移的振幅约为±0.4角秒，相当于在地面上一个12×12平方米范围。所谓的地极移动实际是地壳地幔的离极运动。www.ddhw.com 从日、地系统分析看，地壳和地幔与固体内核的差速在夏至点和冬至点在纬度上方向相反，距离不等，产生一个累计误差。www.ddhw.com 从地、月系统分析看，地壳和地幔与固体内核的差速周期是月亮围绕地球公转的周期，也就是月亮的近地点与月亮的远地点引起的地壳和地幔与固体内核的差速在纬度上方向相反，距离不等，也产生一个累计误差。长期的累计误差导致地壳、地幔在内核上南北极换向。www.ddhw.com 月亮每年都在缓慢的远离地球，所以月亮围绕地球公转的周期是一个变化数值。这样一来日、地系统和地、月系统引起的累计误差时而相加，时而抵消。所以地壳和地幔南北极的调换不但受两个系统条件的同时影响，而且还受地球自转速度的影响。这也就是我们发现岩石感应剩磁场来回反向在时间上不规律的原因。www.ddhw.com 地壳和地幔在固体内核上整体弦动，使两极的板块能到赤道，而赤道某两点的板块也能到两极。地球是一个自转体，纬度的线速度都不同，在赤道线速度超过音速（465米／秒），在两极点线速度（0米／秒）。这样一来从两极到赤道的板块得到线速度而膨胀、开裂，从赤道到两极的板块失去线速度而沉降、收缩。这样地球就是一个即有膨胀，又有收缩的相互矛盾的统一体。www.ddhw.com 从东非裂谷“开口笑”，海底扩张地球可能在膨胀。2004年12月26日发生在印度洋的强烈地震因地壳“开口笑”使海水有了动力产生巨大海啸事件。2005年从9月14日至11月初发生在东非的强烈地震所导致的宽8米、长达60公里的地裂谷事件，从理论观点来分析，这些事件可能是地球正在膨胀的信号。地壳存在低纬度向外膨胀而高纬度沉降收缩的周期往复运动。这种观点不是心血来潮，确实是存在这样的证据。首先，地球各大洲的大陆板块是有拼接“缝隙”的，比如东非裂谷地带，喜马拉雅山脉，美洲西海岸，贝加尔湖地区等等，这些地区按一般的板块来讲是比较牵强的，但如果考虑到地球定期膨胀和收缩的问题，那么，许多地质问题都将迎刃而解。www.ddhw.com 一个明显的事实是，地壳表面板块裂化并不均匀。如此大块大板地整体开裂又弥合，只有地球周期性膨胀和收缩模型才能完美解释。不仅如此，各个板块开合“缝隙”所涌出的岩流经冷却磁化，其表现的年轮都大体一致暗合。这就是说，板块裂化具有十分近似的同期性。时间上的近似同步，表明地球膨胀收缩对于整个板块都具有决定作用。各大洋盆底的地形也表明地球会周期膨胀和收缩。从我们已知的海盆形态来看，始终存在一些大的“缝隙”区域，这些区域也是易于喷发岩流的地区。为什么会有如此大的“缝隙”区域呢？这完全是地球膨胀过程中撕开的大口子。www.ddhw.com 东非出现裂谷而将地球的海洋再度分裂并形成一大新的海洋。我们趋向于认为，地球板块的漂移是有限的。地球板块移动是需要外在天体的规模性碰撞才能充分实现。www.ddhw.com 大地深处发出隆隆巨响、地面裂开巨缝……这一场景通常只在神话中出现，如今却在埃塞俄比亚真实上演。仅仅7个星期时间，埃东北部出现一条60公里长、8米宽的裂缝。科学家说，如此大的裂缝通常需要几百万年地质运动才能形成，因此为地质学研究提供了一个非常难得的机会。这一裂谷出现在埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴东北方300多公里处的阿法尔盆地。www.ddhw.com 亚的斯亚贝巴大学今年9月14日记录了发生在阿法尔盆地达斡尔地区的一场地震。从地质图上看，达斡尔位于西埃塞俄比亚断崖的低地地区。 地震起因于当地一场火山运动。据亚的斯亚贝巴大学测算，火山运动地点位于北纬12.651度、东经40.519度处。 火山连续3天喷涌而出，当地牧民还听到大地深处传来隆隆声。3天后，地面出现了无数裂缝。 www.ddhw.com 调查结果令所有人啧啧称奇。 美国国家航空和航天局卫星拍摄的图片显示，达斡尔地区地面已经裂开一条长60公里、宽8米的巨大缝隙。 阿塔莱对这个裂谷的形成速度惊叹不已：“从9月14日至11月初不过两月时间，这是一个相当快的地壳张裂速度。对科学界而言，这是一件令人兴奋的大事。”www.ddhw.com 从达斡尔地区地面裂开长60公里、宽8米的巨大缝隙说明低纬度地区是在膨胀。两级地区很少有地震发生说明地质结构紧密，但应力也大，如果在两级发生地震那将是特大灾害性的。www.ddhw.com 是内、外两大因素决定了地球膨胀和收缩的动力机制，天体引力是外因。地球内部的热量和地球的倾斜自转是内因。www.ddhw.com 参考文献；www.ddhw.com [1]Su W J，Dgiewonski AM.lnner core anisotropy in three dimensions.Jgeophys Res,1995,100:9831~9852。www.ddhw.com [2] Song X D.,paul G Richands.Seismological evidence for differential rotation of the Earth’ s inner core.Na-ture,1996,382:221~224.www.ddhw.com [3] 自然科学研究（中文版）王金甲　美國自然科學研究會 41页Volume 4, number 2,April 2006www.ddhw.com 作者；王金甲  王鎭  刘春义等

爱仕达

总结的很全面，很有借鉴意义。 www.ddhw.com