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在电磁学里,当两块磁铁或磁石相互吸引或排斥时,或当载流导线在周围产生磁场,促使磁针偏转指向,或当闭电路移动于不均匀磁场时,会有电流出现于闭电路,这些都是与磁有关的现象。凡是与磁有关的现象也都会与磁场有关。

种类

磁铁的种类很多 ,一般分为硬〈永〉磁体(磁性保持较长或永久时间)和软磁体(较短时间内有磁性)两大
类,我们所说的磁铁,一般都是指永磁磁铁。永磁磁铁又分二大分类:
第一大类是:金属合金磁铁包括钕铁硼磁铁(Nd2Fe14B)、铝镍钴磁铁(ALNiCO)、钐钴磁铁(SmCo),包括: 1、钕铁硼磁铁:它是目前发现商品化性能最高的磁铁,被人们称为磁王,拥有极高的磁性能其最大磁能积(BHmax)高过铁氧体(Ferrite)10倍以上。其本身的机械加工性能亦相当之好。工作温度最高可达200摄氏度。而且其质地坚硬,性能稳定,有很好的性价比,故其应用极其广泛。但因为其化学活性很强,所以必须对其表面涂层处理。(如镀Zn,Ni,电泳钝化等)。2. 铝镍钴磁铁:是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状,可加工性很好。铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数,工作温度可高达600摄氏度以上。铝镍钴永磁产品广泛应用于各种仪器仪表和其他应用领域。3.钐钴(SmCo)依据成份的不同分为SmCo5和Sm2Co17。由于其材料价格昂贵而使其发展受到限制。钐钴(SmCo)作为稀土永磁铁,不但有着较高的磁能积(14-28MGOe)、可靠的矫顽力和良好的温度特性。与钕铁硼磁铁相比,钐钴磁铁更适合工作在高温环境中。
第二大类是:铁氧体永磁材料(Ferrite),它主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。通过陶瓷工艺法制造而成,质地比较硬,属脆性材料,由于铁氧体磁铁有很好的耐温性、价格低廉、性能适中,已成为应用最为广泛的永磁体
电磁学里,当两块磁铁磁石相互吸引或排斥时,或当载流导线在周围产生磁场,促使磁针偏转指向,或当闭电路移动于不均匀磁场时,会有电流出现于闭电路,这些都是与 有关的现象。凡是与磁有关的现象也都会与磁场有关。
磁性是物质响应磁场作用的属性。每一种物质或多或少地会被磁场影响。铁磁性是最强烈、最为人知的一种磁性。由于具有铁磁性磁石或磁铁会产生磁场。另外,顺磁性物质会趋向于朝着磁场较强的区域移动,即被磁场吸引;反磁性物质则会趋向于朝着磁场较弱的区域移动,即被磁场排斥;还有一些物质会与磁场有更复杂的关系,例如,自旋玻璃的性质、反铁磁性等等。外磁场对于某些物质的影响非常微弱。
物质的磁态与温度压强、外磁场等等有关,依照温度或其它参数的不同,物质会显示出不同的磁性

发展

在中国的发展历程

先秦时代我们的先人已经积累了许多这方面的认识,在探寻铁矿时常会遇到磁铁矿,即磁石(主要成分是四氧化三铁)。这些发现很早就被记载下来了。《管子·地数》篇中最早记载了这些发现:“上有慈石者,其下有铜金。”其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:“慈招铁,或引之也。”那时的人称“磁”为“慈”他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为:“石是铁的母亲,但石有慈和不慈两种,慈爱的石头能吸引他的子女,不慈的石头就不能吸引了。” 汉以前人们把磁石写做“慈石”,是慈爱石头的意思。
既然磁石能吸引铁,那么是否还可以吸引其他金属呢?我们的先民做了许多尝试,发现磁石不仅不能吸引金、银、铜等金属,也不能吸引砖瓦之类的物品。西汉的时候人们已经认识到磁石只能吸引铁,而不能吸引其他物品。
当把两块磁铁放在一起相互靠近时,有时候互相吸引,有时候相互排斥。现在人们都知道磁体有两个极,一个称N极,一个称S极。同性极相互排斥,异性极相互吸引。那时的人们并不知道这个道理,但对这个现象还是能够察觉到的。
到了西汉,有一个名叫栾大的方士,他利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西,通过调整两个棋子极性的相互位置,有时两个棋子相互吸引,有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝,并当场演示。汉武帝惊奇不已,龙心大悦,竟封栾大为“五利将军”。
地球也是一个大磁体,它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此地球表面的磁体,可以自由转动时,就会因磁体同性相斥,异性相吸的性质指示南北。这个道理古人不够明白,但这类现象他们很清楚。
第一个描述了磁偏角的是沈括。他在《梦溪笔谈》里描述了他对磁的探究,描述了磁偏角。中国古代的先民们利用磁,先后制成了司南、指南鱼、指南针。指南针被应用于航海的典型是郑和下西洋。指南针通过阿拉伯人传入欧洲后促进了欧洲航海技术的发展,为新航路的开辟提供了有利的帮助。

在西方电磁场理论的历史

人们很早就接触到电和磁的现象,并知道磁棒有南北两极。在18世纪,发现电荷有两种:正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥,异性相吸,作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上,力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动,这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。
19世纪前期,奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向,以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后,法拉第又发现,当磁棒插入导线圈时,导线圈中就产生电流。这些实验表明,在电和磁之间存在着密切的联系。在电和磁之间的联系被发现以后,人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似,另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念,认为电流产生围绕着导线的磁力线,电荷向各个方向产生电力线,并在此基础上产生了电磁场的概念。
现在人们认识到,电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场,这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场,而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量,是传递电磁力的媒介,它弥漫于整个空间。
19世纪下半叶,麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律,并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是:变化着的电场能产生磁场;变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组,是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在,其传播速度等于光速,这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律,肯定了光也是一种电磁波。由于电磁场能够以力作用于带电粒子,一个运动中的带电粒子既受到电场的力,也受到磁场的力,洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式,人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。

常见现象

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。
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极靠近时会相互吸引,而N极和N极靠近时会互相排斥。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。

磁性

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。右图是测量物质磁性的磁天平仪
磁天平仪
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(感)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(感)线,而且离磁极近的地方磁力线密,而远处磁力(感)线稀疏。铁粉末的排列形状就是磁力线的走向。
有了磁力(感)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(感)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(感)线,而是一种场,我们称之
磁感线
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(感)线数量来表示,磁力(感)线密的地方磁场强,磁力(感)线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力(感)线数目称为磁通量密度。
在磁体外部,磁力(感)线方向由N极出发进入S极,磁体内部磁力(感)线由S极出发进入N极。

磁场

对放入其中的其他磁体产生磁力(吸引和排斥)作用的区域(一般所称的「场」指的是空间中的一个区域。)
:1.磁场是有方向的
2.磁场方向:物理学规定自由转动的小磁针静止时N极的指向为该点的磁场方向。
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兹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)(1856~1943)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。

磁性来源

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?
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(像铁、钴、镍等)才具有磁性呢?实际上原子中电子产生的磁矩分为三种情况:由于电子的自转方向总共有上下两种,且自转方向相反的电子产生的磁极能够相互抵消。第一种情况是在一些数物质中,具有向上自转和向下自转的电子数目一样多,如图8所示,它们产生的磁极完全互相抵消,整个原子,以至于整个物体对外没有磁性。第二种情况是自转方向不同的电子数目不同,虽然这些电子所产生磁矩不能相互抵消,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。第三种情况是少数物质(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,所以它的磁性比较弱。

地球磁场

地球的磁性,是地球内部的物理性质之一。地球是一个大磁体,在其周围形成磁场,即表现出磁力作用的空间,称作地磁场。它和一个置于地心的磁偶极子的磁场很近似,这是地磁场的最基本特性。地球磁场的磁极和地理上的南北极方向正相反,而且和地球南北极并不重合,两者之间有一个11度左右的夹角,叫磁偏角。此外地球磁场的磁极位置不是固定的,它有一个周期性变化...地磁场强度很弱,这是地磁场的另一特性,在最强的两极其强度不到10-4(T),平均强度约为0.6x10-4(T),而它随地点或时间的变化就更小,因此常用(γ),即10 -9(T)做为磁场强度单位。
地磁场

电磁场

静止的电荷会产生静电场;静止的磁偶极子会产生静磁场。运动的电荷被称为电流,会产生电场和磁场。
所谓的电磁场是电场与磁场的统称。在固定(静)电荷和电偶极化物质的四周会建立电场,当身体靠近电视或电脑荧幕前,会感受到毛发竖立。就是因为(静)电场存在;磁场则源于电荷的移动,电流量愈大,磁场愈强。磁场强度的单位是A/m。而我们一般讲的磁场其实指的是磁场密度,单位是T/Tesla或G/GAUSS(1T=1000G)。
一般所称的「场」指的是空间中的一个区域,进入的物体都会感受到力的作用。例如我们生活在地球的重力场中,也生活在地磁的磁场中,闪电时我们更笼罩在强大的电场中。
电场:我们生活中常常会发现电场的存在,例如冬季脱毛衣发生的爆裂声、接触门把手的触电感觉,这些都是因摩擦而产生的静电现象。在电力的使用中,只要有电压存在,电线或电器设备周围就会有电场。电场一般是以千伏/米(KV/M)作单位。例如,闪电时地表约有30KV/M~150KV/M之直流电场强度,输电线下之60赫电场强度在3KV/M~5KV/M以下。
◎磁场:将磁铁置于纸板下,洒铁粉在纸板上,就会发现北极与南极间产生相连的几圈条纹,这就是磁场。在电力使用中,只要有电流通过,导线的周围就会产生磁场,磁场的单位是以特斯拉(T)或高斯(G)或毫高斯(mG)表示。

回旋共振

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)。

比较

电磁场与一般辐射的比较

辐射是能量传递的一种方式,辐射依能量的强弱分为三种:

游离辐射

能量最强,可以破坏生物细胞分子,如α、β、γ射线。

非游离辐射(有热效应)

能量弱,不会破坏生物细胞分子,但会产生温度,如微波、光。

非游离辐射(无热效应)

能量最弱,不会破坏生物细胞分子,也不会产生温度,如无线电波、电力电磁场。
电磁场会衰减吗?可以设法隔绝吗?
电磁场的强度会随着与发生源的距离加大而急速的降低。电场很容易被金属的外壳、钢筋混凝土的建筑物隔绝。电力设备如变压器、因有金属外壳,故外面几乎没有电场。磁场却很难隔绝,但如方向相反、大小相同的电流产生的磁场可以互相抵消。因此,三相输电的电力线较单相电力线产生的磁场会小得多。

情况

家电器具使用低压,即110伏特或220伏特电压,因此电场强度很小。至于磁场大小又与耗电量、厂牌及距离有很大的差异。
下表是英国国家辐射保护局(NRPB)公布之磁场资料:
距离
电器品
3公分
1公尺
电视
25~500(毫高斯)
0.1~1.5(毫高斯)
微波炉
750~2000(毫高斯)
2.5~6(毫高斯)
吹风机
60~2000(毫高斯)
0.1~3(毫高斯)
冰箱
5~17(毫高斯)
<0.1(毫高斯)
电胡刀
150~15000(毫高斯)
0.1~3(毫高斯)
洗衣机
8~500(毫高斯)
0.1~1.5(毫高斯)
吸尘器
2000~8000(毫高斯)
1.3~20(毫高斯)
台灯
400~4000(毫高斯)
0.2~2.5(毫高斯)
架空输电线下的电磁场大小情况
电场大小与电压及距离有关,磁场大小与电流及距离有关,由于电流大小随负载而变,并不是一个定值,因此磁场值也是在一个范围内变动。
目前国外先进国家对磁场之限制标准情况
下表为目前各国在一般情况下,对电力频率磁场所定之限制标准,其中国际非游离辐射保护协会(IRPA)所定之标准最为严格。
先进国家对于50/60赫磁场限制之推荐值
国 家
限制值 (毫高斯)
职业人员
一般民众
国际辐射保护协会
(IRPA)
全天
5,000
1,000
数小时
50,000
10,000
连续暴露
50,000
2,000
短时间暴露
100,000
10,000
苏 联
8小时
18,000
1小时
75,000
英国国家辐射保护局
(NRPB)
20,000
20,000
美国政府工卫学者联会
(ACGIH)
10,000
德 国
50,000
50,000
澳 洲
同IRPA
同IRPA

危害

近年来,科学家一般认为极低频的电磁场(就是一般电力线及电力设备所产生的电磁场),就能量观点而言,既不能打断分子键或化学键,也不会因微量的热而对人体健康产生不良影响。
虽然某些流行病学的研究怀疑少部份癌症与电磁场有关系(统计学上的相关性),但是一些细心且负责的科学家在研究后,指出这些研究在设计及解释上还有很多问题存在。
国外自1979年开始此方面研究以来,发表之论文、报告超过1000篇,由于病例百分比低,且致癌因素种类多,难以排除其它因素,所得结果,有些显示有少许关连性,有些又否定了会有关连性。
1989年10月美国劳工部(DOL)要求辐射研究及政策协调委员会(CIRRPC)协助评估过去有关暴露在电磁场影响之报告,CIRRPC委托橡树岭附属大学(ORAU)组成一个包括全美杰出科学家的11人小组,自1991年9月至1992年5月,对最近10余年约1000篇论文分析整理,评估结论为:从以往已发表的文献中,没有可确信的证据支持暴露在家电器具、电力线及显示屏之极低频磁场会产生健康危害。

评断

国际非游离辐射保护协会(IRPA)
虽有一些流行病学研究认为暴露在50/60赫电磁场与癌症有关连,但无法证实,也有一些认为没有关连。

世界卫生组织(WHO)

暴露在极低频电磁场不会产生生理影响。

美国国会技术评核室(OTA)

所有的研究迄今仍是有争议的,许多实验发现暴露在电磁场与否对生物并无差异,我们无法证实在危险性存在。

美国南加州电力公司(SCE)

南加州电力公司针对1960年至1988年间在该公司服务一年以上之36221名员工做职业流行病学调查,于1993年3月15日发表调查结果,结论为:员工工均暴露在磁场之量较一般民众高,惟罹患白血病或脑瘤之可能性并无较高,且罹患癌症死亡年龄亦未提早。

瑞典国家电力安全局(NESB)

于1994年发表电磁场信息小册,说明磁场对人体是否有影响尚无法证实,因而没有足以订定限制值之参考基准,故短期内不会订定任何磁场强度之限制值。
相对于电磁场对人体可能造成影响的说词,目前坊间正流行一些以强度高达550000毫高斯之60赫磁场治疗器来治疗各种慢性疾病,且声称获医学临床证明,至于其长期的影响如何,尚无人做此方面研究。
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