[科普中国]-感生磁矩

简介

感生磁矩是指一些材料（如碱金属）本身不具有自发磁性，外层电子之间不存在交换作用，但是在磁场中会产生一定的磁矩就叫做感生磁性。该材料也因而具有较弱的顺磁性。

金属中自由电子会感生顺磁性，称之为泡利顺磁性。1

磁性能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性.

说明：

①把铁钉、大头针等铁制的物品靠近条形磁铁和蹄形磁铁，由我们感受到磁铁对铁制物品的吸引可知：某些物体能吸引铁制的物品，就具有磁性.具有磁性的物体除了具有吸铁性的特点外，还有指向性;具有磁性的物体之间可能产生吸引力，也可能产生排斥力.

②磁体和铁制品之间放了另一个物体后，它们之间还有吸引力.这说明不相互接触，磁性所产生的磁力也有作用.

③磁性起源于电流或物体内部电荷(电子、原子核)的运动.

理解与应用

例 有两根外形完全相同的钢棒，已知其中一根有磁性，另一根没有磁性，如何鉴别出有磁性的一根?

解析： 方法一：吸铁性.观察它们能否吸引铁、钴、镍等物质，能吸引的说明它有磁性，不能吸引的就没有磁性.

方法二：指向性.分别将两根钢棒用线水平悬挂起来，使它能在水平面自由转动，静止时总是指向南北的一根有磁性.

方法三：找一个具有磁性的物体，分别将两根钢棒的两端靠近这个具有磁性的物体，只产生吸引力的一根是钢棒;既产生吸引力，又产生排斥力的一根有磁性.

方法四：将两根钢棒放成T字形，若它们相互吸引，则上面一根是钢棒，下面一根有磁性;若它们相互不吸引，则上面一根有磁性，下面一根是钢棒.

注意

第三、四种方法是运用磁性物体的特点，也就是后面所说的磁极间的相互作用规律和磁极的磁性最强.

磁矩描述载流线圈磁性质及微观粒子物理性质的物理量。载有电流I、面积为S的平面线圈的磁矩m定义为：

式中，n为沿平面线圈法线方向的单位矢量，其指向与电流I环绕方向间成右螺旋关系，磁矩为m的载流小线圈在磁感应强度为B的磁场中受到的磁力F、磁力矩L分别为：

磁矩为m的载流小线圈所产生的磁场的磁感应强度B在远处可表示为：

式中r为磁矩到场点的位矢;μ0为真空中的磁导率。

通常讲磁矩都是指上面定义的磁偶极矩，此外尚有磁多极矩，其极次以2(l=1，2，…)表示。l=1时，即为上述磁偶极矩;l=2时，即为磁四极矩等。磁多极矩概念用于电磁辐射理论中。2

近代物理理论和实验研究表明，电子有磁矩，原子和原子核一般也有磁矩。原子中电子绕核的轨道运动相当于一个环形电流，相应地有轨道磁矩μe;电子本身还具有自旋运动，相应地具有自旋磁矩μs，原子磁矩则等于原子核磁矩和原子中各电子磁矩的总和，但原子核磁矩很小，要比电子磁矩小三个数量级，因此可以认为原子磁矩等于原子中各电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。无论是电子轨道磁矩、自旋磁矩，还是原子磁矩都是量子化的。不仅如此，它们沿空间任一方向Z (例如外磁场方向)的投影也都是量子化的。

近代物理理论和实验还证明，质子、中子和其他微观粒子也都有磁矩。熟悉微观粒子磁矩在研究粒子、原子核、原子和分子物理学，以及光谱、磁共振等近代实验技术方面都有着重要意义。

通常说的条形磁铁的磁矩等于磁铁两磁极间的距离和一个磁极强度的乘积。它也是一个矢量，方向规定为沿着两磁极的连线，自南极指向北极。

实例——碱金属碱金属元素包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr)6种元素，是周期表中第一主族元素。由于钠、钾的氢氧化物易溶于水，几乎全部电离，具有强碱性，故称碱金属。本族其他元素也有相似的性质，故这一族统称碱金属。其中铷和铯是稀有元素，钫是放射性元素。

碱金属元素区别于其他元素的显著特点是：(1)金属性很强，是最典型的金属。金属单质化学活泼性很高，还原能力(即失电子能力)很强。(2)它们的氧化物和氢氧化物易溶于水，显强碱性。(3)它们的盐类是典型的离子型化合物，而且绝大多数易溶于水。

碱金属元素原子结构的特点是：次外层有8个电子sp(锂的次外层只有ls两个电子)，与稀有气体原子最外层电子结构相似，而最外层仅一个电子ns。每一周期中，碱金属元素的原子半径最大。碱金属在化学反应中极容易失去最外层电子，成为+Ⅰ价的阳离子。它们没有变价，也不易形成配合物。它们的阳离子获得一个电子而被还原为金属单质是很困难的。因此，表现出最典的金属的化学性质，本族元素自上而下随着原子序数的增加，原子半径增大，金属性随之而增强。

碱金属共同的物理特征是密度小，是金属中最轻的，故它们属于轻有色金属。它们的熔点也较低。碱金属晶格中自由电子活动性强，导电性良好，当它们受到光照射时，电子可以从表面脱出，利用这种性质，铷和铯用于制造光电管。碱金属也能形成在常温下为液态的合金，最重要的有钾、钠合金(77.2%K和22.8%Na，熔点260.7K)和钠汞齐(熔点236.2K)，前者由于具有高的比热而被用作核反应堆的冷却剂。后者由于具有缓慢的还原性而常在有机合成上用作还原剂。碱金属及其挥发性的化合物在灼烧时，发出特殊的光，使火焰表现出特征的颜色，如锂的火焰呈红色，钠是黄色，钾、铷、铯呈紫色。在分析化学上常用火焰的颜色来鉴定钠和钾。

顺磁性物质受外磁场作用时呈现微弱的磁性，且其磁化强度M方向与磁场强度H方向相同的性质，也称常磁性。通常把具有顺磁性的物质称为顺磁质。由磁化率的定义M=χmH知，顺磁质的磁化率为正的，数量级在室温时一般为10-4～10。

顺磁质分子的磁矩不为零，无外加磁场时，由于分子热运动，各分子磁矩取向无规则，因此宏观上对外不呈现磁性。在外磁场作用下，顺磁质中的每个分子都受到一个使分子磁矩沿外磁场方向排列起来的力矩的作用，使得分子磁矩有沿外磁场方向排列的趋势，因此在外磁场中顺磁质的磁化强度M方向与磁场强度H方向相同。对顺磁质来说，抗磁性效应也是存在的，只是它们的顺磁性效应比抗磁性效应强，以致抗磁性效应被掩盖。

顺磁质的磁化率是与温度有关的。对分子间相互作用可忽略的气体常磁质，在温度不很低、磁场不很强的情况下，磁化率χm与温度T成反比，即：

χm=C/T

这称为居里定律，式中C称为居里常数。

对分子间相互作用不可忽略的液体、固体顺磁质，遵从居里-外斯定律，即：

χm=C/(T-θ)

式中C为居里常数;θ为具有温度量纲的常数，称为外斯常数。不同顺磁质，分子间相互作用不同，一般说来外斯常数也不相同，它可正可负。居里-外斯定律适用范围为T>|θ|。

从原子结构看，顺磁性是与原子、离子或分子具有未被电子填满的内壳层有关。常见的顺磁性气体有O2和NO等，固态顺磁质有过渡族金属的盐类、稀土金属的盐类及氧化物等。温度高于转变温度时，铁磁质可转变为顺磁质。3