老年时期才有系统的观察。英国工程师斯特金于1824年创制了电磁体,故那时实验室可有较强的磁场设备,但法拉第在需要高度稳定的磁场时仍用了大的永磁体。
法拉第测量了样品在不均匀磁场中被磁化时所受到的力,这个方法后来有了不少改进,至今仍广泛用于观测弱磁物质的磁化率,也用于观测铁等强磁物质的饱和磁化强度。 法拉第发现,一般的物质在较强磁场作用下都显示一定程度的磁性,只是除了极少数像铁那样的强磁性物质外,一般物质的磁化率的绝对值都是很小的。它们又可分为两类:一类物质的磁化率是负的,称之为抗磁性物质。这些物质在磁场中获得的磁矩方向与磁场方向相反,故在不均匀磁场中被推向磁场减弱的方向,即被磁场排斥;另一类物质的磁化率是正的,在不均匀磁场中被推向磁场增强的方向,即被磁场吸引,法拉第称它们为顺磁性物质。像铁那样强的磁性显然是特殊的,应另属一类,后来称为铁磁性。这样,在法拉第以后的近百年中,物质的磁性分三大类。
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
16
而与绝对温度成反比(这被称为居里定律);铁在某一温度(后被称为居里点)以上失去其强磁性。
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。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。
法国物理学家朗之万于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。今天对这两种磁化率的粗浅理论公式已经过量子力学的改正,但还保留着朗之万理论的基本形式。 二、电磁学的基本内容 1 电磁学的研究对象
电磁学是经典物理学的一部分。它主要是研究电荷、电流产生电场、磁场的规律,电场和磁场的相互联系,以及电磁场对物质的各种效应等。电磁现象是自然界存在的一种极为普遍的现象,它涉及到很广泛的领域;电的研究和应用在
17
认识客观世界和改造客观世界中展现了巨大的活力。所以,电磁学是理科和技术学科的一门重要基础课。
根据近代物理学的观点,磁的现象是由运动电荷所产生的,因而在电学的范围内必然不同程度地包含磁学的内容。所以,电磁学和电学的内容很难截然划分,而“电学”有时也就作为“电磁学”的简称。 2 电学的研究内容
电学研究的内容主要包括静电、静磁、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。
静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷作用规律的学科。电荷只有两种,称为正电和负电。同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。电荷遵从电荷守恒定律。电荷可以从一个物体转移到另一个物体,任何物理过程中电荷的代数和保持不变。所谓带电,不过是正负电荷的分离或转移;所谓电荷消失,不过是正负电荷的中和。
静止电荷之间相互作用力符合库仑定律:在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与它们的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比;作用力的方向沿着它们之间的联线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。
18
电荷之间相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的。电荷产生的电场用电场强度(简称场强)来描述。空间某一点的电场强度用正的单位试探电荷在该点所受的电场力来定义,电场强度遵从场强叠加原理。
通常的物质,按其导电性能的不同可分两种情况:导体和绝缘体。导体体内存在可运动的自由电荷;绝缘体又称为电介质,体内只有束缚电荷。
在电场的作用下,导体内的自由电荷将产生移动。当导体的成分和温度均匀时,达到静电平衡的条件是导体内部的电场强度处处等于零。根据这一条件,可导出导体静电平衡的若干性质。
静磁学是研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的学科。
电荷的定向流动形成电流。电流之间存在磁的相互作用,这种磁相互作用是通过磁场传递的,即电流在其周围的空间产生磁场,磁场对放臵其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。
电磁场是研究随时间变化下的电磁现象和规律的学科。
19
当穿过闭台导体线圈的磁通量发生变化时,线圈上产生感应电流。感应电流的方向可由楞次定律确定。闭合线圈中的感应电流是感应电动势推动的结果,感应电动势遵从法拉第定律:闭台线圈上的感应电动势的大小总是与穿过线圈的磁通量的时间变化率成正比。
麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来,原则上可以解决各种宏观电动力学问题。
根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波,变化的电磁场以电磁波的形式传播,电磁波在真空中的传播速度等于光速。这也说明光也是电磁波的一种,因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。
电路 包括直流电路和交流电路的研究,是电学的组成部分。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质;交流电路研究电流周期性变化条件下的电路定律和性质。 直流电路由导体(或导线)连结而成,导体有一定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变化,电场亦不随时间变化。 根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念,可导出直流电路的各个实用定律:欧姆定律、基尔霍夫电路定律,以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理:等
20