基本介紹
- 中文名：磁學
- 外文名：magnetism
- 別稱：鐵磁學
- 類別：是現代物理學的一個重要分支
- 研究內容：磁，磁場，磁材料，磁效應等
- 學科：物理學
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簡介
磁學和電學有著直接的聯繫。經典磁學認為如同電荷一樣，自然界中存在著獨立的磁荷。相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。而現代磁學則認為環形電流元是磁極產生的根本原因，相同的磁極互相排斥，不同的磁極互相吸引。
磁場圖
磁場圖獨立的磁荷是不存在的。由於電子圍繞原子核的運動，所有的物質都具有某種特別的磁學效應。但是在自然界，鐵，鎳，鈷等材料表現了很強的磁特性，所以磁學又被稱為鐵磁學。
磁石套用
歷史記載
我國是對磁現象認識最早的國家之一，公元前4世紀左右成書的《管子》中就有“上有慈石者，其下有銅金”的記載，這是關於磁的最早記載。類似的記載，在其後的《呂氏春秋》中也可以找到：“慈石召鐵，或引之也”。東漢高誘在《呂氏春秋注》中談到：“石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。在東漢以前的古籍中，一直將磁寫作慈。相映成趣的是磁石在許多國家的語言中都含有慈愛之意。
古代典籍
我國古代典籍中也記載了一些磁石吸鐵和同性相斥的套用事例。例如《史記·封禪書》說漢武帝命方士欒大用磁石做成的棋子“自相觸擊”；而《椎南萬畢術》（西漢劉安）還有“取雞血與針磨搗之，以和磁石，用塗棋頭，曝乾之，置局上則相拒不休”的詳細記載。南北朝（512～518年）的《水經注》（酈道元）和另一本《三輔黃圖》都有秦始皇用磁石建造阿房宮北闕門，“有隱甲懷刃入門”者就會被查出的記載。
磁學
磁學《晉書·馬隆傳》的故事可供參考：相傳3世紀時智勇雙全的馬隆在一次戰役中，命士兵將大批磁石堆壘在一條狹窄的小路上。身穿鐵甲的敵軍個個都被磁石吸住，而馬隆的兵將身穿犀甲，行動如常。敵軍以為馬隆的兵是神兵，故而大敗（“夾道累磁石，賊負鐵鏜，行不得前，隆卒悉被犀甲，無所溜礙”）。古代，還常常將磁石用於醫療。《史記》中有用“五石散”內服治病的記載，磁石就是五石之一。晉代有用磁石吸出體內鐵針的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳內，口含鐵塊，因而治癒耳聾。
磁石
磁石只能吸鐵，而不能吸金、銀、銅等其它金屬，也早為我國古人所知。《淮南子》中有“慈石能吸鐵，及其於銅則不通矣”，“慈石之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣”。
指向性
司南
磁學磁性
這種利用地磁場進行磁化的方法，是一個非常了不起的發現和發明，包含有豐富的科學道理。近代科學表明，磁鐵的磁性是由磁疇的規則排列形成的，非磁鐵由於磁疇排列雜亂無章而不具磁性。魚形薄鐵片燒紅以後，內部磁疇活動加劇，沿南北方向放置，可以在強大的地磁場作用下，使磁疇順著地磁場的方向排列。蘸入水中，則可以使磁疇的規則排列比較快地固定下來。至於魚尾稍微向下傾斜，是由於地球磁場的磁傾角作用，可以增大磁化的程度，這也反映了當時中國已經發現了地球的磁傾角。歐洲人用同樣的方法進行人工磁化，比中國晚了四百多年，磁偏角的發現是哥倫布在航海探險中於1492年發現的，而磁傾角的發現則還要更晚一些時候。
古籍
我國古籍中，關於指南針的最早記載，主要的有如下幾條：
《塋原總錄》卷一說：客主的取，宜匡四正以無差，當取丙午針。於其正處，中而格之，取方直之正也。
意思是說，要定東西南北四正的方向，必須取丙午向的針，然後在丙、午的位置，“中而格之”，找出正南的方向。亦即讓針指丙午中間的方向，則午向就是正南方向。《塋原總錄》是一部相墓書，撰於宋仁宗慶曆元年（1041年）。作者楊維德是當時的天文學家、星占學家和堪輿學家，大中祥符三年（1010年）左右任司天監保章正，專司占候變異。這條記載中所說的針，雖沒有明確指出是什麼針，但從字裡行間可以斷定是磁針無疑，說明當時已把磁針與羅經盤配套，作為定向的儀器，並且已發現了地球的磁偏角，定為正南偏東7.5度。
《夢溪筆談》卷二十四說：方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多盪搖，指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。
《夢溪筆談》是北宋沈括所著，撰於公元1088—1095年間。這條記載明確指出指南針是方家（堪輿家）首先發明和使用的，用的是“磁石磨針鋒”的人工磁化方法製成，並且記述了水浮、置指甲上、置碗唇上和懸絲等四種指南針的裝置方法，以及各種方法的長處和缺陷，使人們對當時的指南針有較清晰的認識。文中所說的指南針“常微偏東”，說明沈括也已注意到磁偏角。
從上述材料中，我們可以看到，指南針在十一世紀時已是常用的定向儀器，有多種裝置方法，並已由指南針發現了地球的磁偏角，從而也表明指南針至少已經行用了一段時期。由此可以推斷，指南針至遲發明於十一世紀初期。如果把指南針的發明時代上溯到十世紀時的唐末或五代，也是不無根據的。如王伋（王趙卿，約十世紀末）曾留有“虛危之間針路明”的詩句；(10)佚名的《九天玄女青囊海角經》（約900年）中說：“今之象占，以正針天盤，格龍以縫針地盤”(11)等。這裡所說的“針路”、“正針”、“縫針”等，極可能就是用指南針與羅經盤配套定向的術語。
航海
經典磁學
磁學在磁場的經典理論中，一個最基本的公式就是一個單獨的沒有任何尺寸大小的磁極在磁場中所受到的作用力的公式。但是和電場理論中的電荷的概念不一樣，電場中的獨立的正負電荷可以單獨存在，而單獨的正負磁極實際上是不存在的，磁極從來都是成對出現的。正負磁極一般稱為磁北極和磁南極。為了避免這種理論上的困難，經典磁場理論認為一個非常細長的磁鐵中的一個磁極則可以被近似地看著是一個單獨的磁極。根據這樣一個假設，從而可以得出一個單獨的磁極在磁場中所受到的力和磁極本身的強度成正比，和磁極所在地點的磁場強度成正比的關係式。
現代磁學
電磁理論
經典磁場理論中，絕大多數的公式都是正確的，並且也一直沿用至今，但是在整個理論中最根本的問題是它採用了一個實際上並不存在的所謂單獨的磁極的假設。這就是經典磁學理論中的所謂庫倫方法的一個致命弱點。
丹麥物理學家奧斯特在1820年發現，一條通過電流的導線會使其近處靜懸著的磁針偏轉，顯示出電流在其周圍的空間產生了磁場，這是證明電和磁現象密切結合的第一個實驗結果。緊接著，法國物理學家安培等的實驗和理論分析，闡明了載著電流的線圈所產生的磁場，以及電流線圈間相互作用著的磁力。通過套用電流元產生磁場的方法，磁場理論中的很多概念和電場理論中的很多概念十分相近。
安培同時提出，鐵之所以顯現強磁性是因為組成鐵塊的分子記憶體在著永恆的電流環，這種電流沒有像導體中電流所受到的那種阻力，並且電流環可因外來磁場的作用而自由地改變方向。這種電流在後來的文獻中被稱為“安培電流”或分子電流。
洛倫茲公式
磁場和電場有很多的相似點，但是它們有著根本的差別。
磁學理論
磁材料
磁學1895年，法國物理學家居里發表了他對三類物質的磁性的大量實驗結果，他認為：抗磁體的磁化率不依賴於磁場強度且一般不依賴於溫度；順磁體的磁化率不依賴於磁場強度而與絕對溫度成反比(這被稱為居里定律)；鐵在某一溫度(後被稱為居里點)以上失去其強磁性。
19世紀30年代初，法國物理學家奈耳從理論上預言了反鐵磁性，並在若干化合物的巨觀磁性方面獲得了實驗證據。1948年他又對若干鐵和其他金屬的混合氧化物的磁性與鐵磁性的區別作了詳細的闡釋，並稱這類磁性為亞鐵磁性。於是就有了五大類磁性。從20世紀末至今又有些學者提出了幾種磁性的新名稱，但這些都屬於鐵磁性的分支。
法國物理學家朗之萬於1905年提出了抗磁性和順磁性的經典理論，但十多年後范列文證明，朗之萬理論中的某些假設不合於經典統計力學原理，及至原子結構的量子論模型興起後，朗氏的假設又成為可允許的。今天對這兩種磁化率的粗淺理論公式已經過量子力學的改正，但還保留著朗之萬理論的基本形式。
磁學內容
一個永磁體與另一個永磁體能夠不接觸而互相施加力，人們曾經稱這樣的現象為超距作用。近代的物理學家為了解釋電荷之間的和永磁體之間的相互作用力引入了“場”的概念：在一個永磁體周圍的空間中存在著一個磁場，使處於這空間中任何位置的另一個永磁體受到磁場所施加力的作用，同時第二個永磁體所產生的磁場也對第一個永磁體施加著反作用力。因為力是矢量，所以磁場是矢量場。許多實驗事實都證明，磁場是真實的存在。
一塊鐵被一個永磁體吸一段時間以後，就被永磁體附近的較強的磁場所“磁化”，也成為一個永磁體了，有時也稱磁化一個物體的作用力為“磁化力”。一般的鐵塊在從磁場較強的地方移到磁場很弱的地方就失掉其磁化了的狀態稱為“去磁”或“退磁”。容易磁化、也容易去磁的材料通稱為軟磁材料，成分近於純鐵的低碳鋼就是一個例子；難於磁化、也不易去磁的材料通稱為硬磁或永磁體材料，淬火了的、含碳和錳各約1%的鐵就是最低級的硬磁材料。兩個永磁體之間的相互作用也就是它們的磁極之間通過磁場的相互作用。
每一個永磁體都有兩個性質不同的磁極，通常利用永磁體能指示南北方向，稱指北的一極為N極，指南的一極為S極；同名極相斥，異名極相吸。
歷史上曾把永磁體與帶電物體相類比而構想磁極是由“磁荷”的分布形成的。不過，這完全是一種類比，實質上磁荷並不存在，而是作為一個等效物而引入的。磁極總是以異名的一對出現在同一磁體上，兩個極從來不能分離而獨立存在。把一條永磁棍截成兩段，就會得到兩個短一些的永磁棍，各段新形成的一端上出現一個與該段原有磁極異名的新磁極。
磁學
磁學磁針可以用於測定磁通量密度。在一磁場中，磁針在其平衡方向左右的小幅擺動(振盪)的周期是與磁通量的二次方根成反比的，故比較磁針分別在兩個磁場中振盪的周期或頻率即可求得兩磁通量值之比。如磁針的磁矩和轉動慣量是已知的，則可以一次測定磁通量的絕對值。
抗磁性的基本來源是電磁感應。電磁感應是法拉第的重大發現：圍繞著隨時間變化著的磁通量，有感應電動勢(或即電場)產生，故能在導線電路中產生電流或在大塊導體中產生渦流。這裡感應電流所產生的磁場對感應起它們的磁場變化起著反抗作用，這就是楞次定律。
