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什么是电偶极距和磁偶极距此文可以帮你了解

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-06-03

  导读:本章摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的,但世界的确定性不是我们能把我的。

  我之前就说过,任何时候思想都是宝贵的。任何一个时代当思想不具有价值的时候。我们就应该悲哀。我从来不敢说自己想的东西是正确的,但我提供了一种思路。人们需要这样的思路,需要这样的思考。人类的繁荣不是一步走到位的,就像认识从地心说,到日心说,到现在不知道“中心”在哪里。这些简单的文字,不是我发明的;这些实验和实验内容,更不是我实践的。我也和你一样,作为好奇者,是想去理解它的人,诠释它的人。然后还想知道更多东西的人。

  一般而言,我们看不到的东西,我们说是很抽象的东西。你以为现实中看到的东西远远多于看不见的东西,其实你错了。我们看不到的东西,远远多于我们可以看见的东西。

  所以你只相信你看到的东西,这是多么大的错误。但人又固执的相信自己,所以你会错的有多深,只有在最后你自己懂的。一个人应该相信他所看到的东西,还应该相信他所看不到的东西。但对于不能想象的事件,要保持谨慎。这是我给你们的建议。

  我们在要了解磁偶极距和电偶极距之前,应该先知道什么是电偶极子,磁偶极子。

  在电磁学里,有两种偶极子:电偶极子是两个分隔一段距离,电量相等,正负相反的电荷。磁偶极子是一圈封闭循环的电流,例如一个有常定电流运行的线圈,称为载流回路。偶极子的性质可以用它的偶极矩描述。

  电偶极子是两个等量异号点电荷组成的系统。电偶极子的特征用电偶极矩p=ql描述,其中l是两点电荷之间的距离,l和p的方向规定由-q指向+q电荷。

  电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转,使其电偶极矩转向外电场方向。电偶极矩就是电偶极子在单位外电场下可能受到的最大力矩,故简称电矩。

  如果外电场不均匀,除受力矩外,电偶极子还要受到平移作用。电偶极子产生的电场是构成它的正、负点电荷产生的电场之矢量和。

  而磁偶极子是类比电偶极子而建立的物理模型。具有等值异号的两个点磁荷构成的系统称为磁偶极子。但由于没有发现单独存在的磁单极子,因此磁偶极子的物理模型不是两个磁单极子,而是一段封闭回路电流。磁偶极子模型能够很好地描述小尺度闭合电路元产生的磁场分布 。

  比如,一根小磁针就可以视为一个磁偶极子。地磁场也可以看作是由磁偶极子产生的场。磁偶极子受到力矩的作用会发生转动,只有当力矩为零时,磁偶极子才会处于平衡状态。利用这个道理,可以进行磁场的测量。但由于没有发现单独存在的磁单极子,故我们将一个载有电流的圆形回路作为磁偶极子的模型。

  地球磁场可以近似为一个磁偶极子的磁场。但是,图内的 N 和 S 符号分别标示地球的地理北极和地理南极。这标示法很容易引起困惑。实际而言,地球的磁偶极矩的方向,是从地球位于地理北极附近的地磁北极,指向位于地理南极附近的地磁南极;而磁偶极子的方向则是从指南极指向指北极。

  那么什么是电偶极距?在物理学里,电偶极矩衡量正电荷分布与负电荷分布的分离状况,即电荷系统的整体极性。

  这方程意味着电偶极矩p的方向是从负电荷指向正电荷。注意到这跟在正电荷与负电荷之间的电场线的方向相反——从正电荷开始,在负电荷结束。这里并没有矛盾,因为电偶极矩与电偶极子的取向有关,即与电荷的相对位置有关;它不能单独直接地表示出电场线的方向。

  称这双电荷系统为“物理电偶极子”。在距离超远于两个点电荷相隔距离之处,物理电偶极子所产生的电场,可以近似为其电偶极矩所产生的电场。令物理电偶极子的两个点电荷相隔距离d趋向于 0 ,同时保持其电偶极矩p不变,则极限就是“点电偶极子”,又称为“纯电偶极子”。物理电偶极子产生的电场,其多极展开式的一次项目就是点电偶极子产生的电场。

  磁偶极矩是矢量,方向由负磁荷指向正磁荷。与“电偶极矩”相对应。历史上,人们最早认为天然磁体(或人造磁铁)是由无数小的磁偶极子组成,每一个小的磁偶极子由相距很近的等量正、负磁荷构成。

  后来人们认识到磁荷并不存在,物质的磁性乃是由分子电流定向排列而产生,于是用闭合元电流I重新定义这个量,使等效“磁偶极矩的概念保存下来。

  载流回路中的磁场 在一个载流回路中,磁矩的计算是电流乘于回路面积:m=I*a(m为磁矩,I 为电流,a 为面积矢量:它与电流I的流向遵守右手螺旋定则);磁偶极矩(Pm)计算公式:Pm=μ0*m。载流回路在磁场中的力矩M和能量 U ,与磁矩的关系为:M=m×B U=-m·B 其中,B 为磁场。

  磁矩是磁铁的一种物理性质。处于外磁场的磁铁,会感受到力矩,促使其磁矩沿外磁场的磁场线方向排列。磁矩可以用矢量表示。磁铁的磁矩方向是从磁铁的指南极指向指北极,磁矩的大小取决于磁铁的磁性与量值。不只是磁铁具有磁矩,载流回路、电子、分子或行星等等,都具有磁矩。

  科学家至今尚未发现宇宙中存在有磁单极子。一般磁性物质的磁场,其泰勒展开的多极展开式,由于磁单极子项目恒等于零,第一个项目是磁偶极子项、第二个项目是磁四极子项,以此类推。

  磁矩也分为磁偶极矩、磁四极矩等等部分。从磁矩的磁偶极矩、磁四极矩等等,可以分别计算出磁场的磁偶极子项目、磁四极子项目等等。随着距离的增远,磁偶极矩部分会变得越加重要,成为主要项目,因此,磁矩这术语时常用来指称磁偶极矩。有些教科书内,磁矩的定义与磁偶极矩的定义相同。

   电荷的运动,像电流,会产生磁矩。只要知道物理系统内全部的电流密度分布(或者所有的电荷的位置和速度),理论上就可以计算出磁矩。

   像电子、质子一类的基本粒子会因自旋而产生磁矩。每一种基本粒子的内禀磁矩的大小都是常数,可以用理论推导出来,得到的结果也已经通过做实验核对至高准确度。

   例如,电子磁矩的测量值是9.284764×1024焦耳/特斯拉。磁矩的方向完全决定于粒子的自旋方向(电子磁矩的测量值是负值,这意味着电子的磁矩与自旋呈相反方向)。

  整个物理系统的净磁矩是所有磁矩的矢量和。例如,氢原子的磁场是以下几种磁矩的矢量和:

  再举个例子,构成条形磁铁的物质,其未配对电子的内禀磁矩和轨域磁矩的矢量和,是条形磁铁的磁矩。

  对于计算磁偶极距的方法,要具体分析问题,比较复杂。需要用到高等数学,本人也不擅长,故不做计算。可以给大家列出一些计算结果。

  在原子物理学和核子物理学里,磁矩的大小标记为u{\displaystyle \mu \,\!}U ,通常测量单位为玻尔磁子或核磁子。磁矩关系到粒子的自旋,和/或粒子在系统内的轨域运动。以下列表展示出一些粒子的内禀磁矩:

  大家看到了,有电子磁偶极距,质子磁偶极矩,中子磁偶极距等。当然还有核子磁偶极矩,分子磁偶极距。

  核子系统是一种由核子(质子和中子)组成的精密物理系统。自旋是核子的量子性质之一。由于原子核的磁矩与其核子成员有关,从核磁矩的测量数据,更明确地,从核磁偶极矩的测量数据,可以研究这些量子性质。

  虽然有些同位素原子核的激发态的衰变期超长,大多数常见的原子核的自然存在状态是基态。

  每一个同位素原子核的能态都有一个独特的、明显的核磁偶极矩,其大小是一个常数,通过细心设计的实验,可以测量至非常高的精确度。这数值对于原子核内每一个核子的独自贡献非常敏感。若能够测量或预测出这数值,就可以揭示核子波函数的内涵。现今,有很多理论模型能够预测核磁偶极矩的数值,也有很多种实验技术能够进行原子核测试。

  任何分子都具有明确的磁矩。这磁矩可能会跟分子的能态有关。通常而言,一个分子的磁矩是下列贡献的总和,按照典型强度从大至小列出:

  2、电子的轨域运动,处于基态时,所产生常与外磁场成正比的磁矩(抗磁性贡献)

  磁化强度,又称磁化矢量,是衡量物体的磁性的一个物理量,定义为单位体积的磁偶极矩,如下方程:

  当施加外磁场于物质时,物质的内部会被磁化,会出现很多微小的磁偶极子。磁化强度描述物质被磁化的程度。采用国际单位制,磁化强度的单位是安培/米。

  一种是由在原子内部的电子,由于外磁场的作用,其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动,从而产生的额外磁矩,累积凝聚而成。

  另外一种是在外加静磁场后,物质内的粒子自旋发生“磁化”,趋于依照磁场方向排列。这些自旋构成的磁偶极子可视为一个个小磁铁,可以以矢量表示,作为自旋相关磁性分析的经典描述。例如,用于核磁共振现象中自旋动态的分析。

  物质对于外磁场的响应,和物质本身任何已存在的磁偶极矩(例如,在铁磁性物质内部的磁偶极矩),综合起来,就是净磁化强度。

  在一个磁性物质的内部,磁化强度不一定是均匀的,磁化强度时常是位置矢量的函数。

  但还有一些物质表现出抗磁性,这是为什么呢?抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向,因此会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是,对于具有顺磁性的物质,顺磁性通常比较显著,遮掩了抗磁性。

  只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如,惰性气体元素和抗腐蚀金属元素(金、银、铜等等)都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时,抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除,则抗磁性也会遁隐形迹。

  在具有抗磁性的物质里,所有电子都已成对,内秉电子磁矩不能集成宏观效应。抗磁性的机制是电子轨域运动,用经典物理理论解释如下:

  由于外磁场的作用,环绕着原子核的电子,其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动,从而产生额外电流与伴随的额外磁矩。

  但是大家一定不要忘记,以上所有物理概念,电偶极距,磁偶极距,磁化强度等,都是需要和电磁场挂钩,只有在电磁场“平台”上才能实现这种计算。这正是麦克斯电磁学方程的精髓。

  而我上面所描述的这些概念现象,我们都是看不见的。但是通过它们,我们看到了更多的东西,更远的东西,电磁学发展,带来了人类生活革命性的改变,我们也将走的更远。

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