我之前就说过,任何时侯思想都是宝贵的。任何一个时代当思想不具有价值的时侯。我们就应当悲凉。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。人们须要这样的思路,须要这样的思索。人类的繁荣不是一步走到位的磁矩方向,如同认识从地心说,到日心说,到如今不晓得“中心”在那里。这种简单的文字,不是我发明的;这种实验和实验内容,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,展现它的人。之后还想晓得更多东西的人。
这一章我要为你们介绍哪些是电偶极距,磁偶极距,磁化硬度等具象数学概念。
通常而言,我们看不到的东西,我们说是很具象的东西。你以为现实中见到的东西远远少于看不见的东西,当然你错了。我们看不到的东西,远远少于我们可以看到的东西。
所以你只相信你听到的东西,这是多么大的错误。但人又执拗的相信自己,所以你会错的有多深,只有在最后你自己懂的。一个人应当相信他所见到的东西,还应当相信他所看不到的东西。但对于不能想像的风波,要保持慎重。这是我给大家的建议。
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我们在要了解磁偶极距和电偶极距之前,应当先晓得哪些是电偶极子,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压,比如一个有常定电压运行的线圈,称为载流回路。偶极子的性质可以用它的偶极矩描述。
这个描述很简略,而且很清晰。接出来我们具体瞧瞧它们的定义。
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转矩作用而旋转,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遭到的最大扭矩,故简称电矩。
假如外电场不均匀,除受转矩外,电偶极子还要遭到平移作用。电偶极子形成的电场是构成它的正、负点电荷形成的电场之矢量和。
而磁偶极子是类比电偶极子而构建的化学模型。具有等值异号的两个点磁荷构成的系也称为磁偶极子。但因为没有发觉单独存在的磁单极子,因而磁偶极子的数学模型不是两个磁单极子,而是一段封闭回路电压。磁偶极子模型还能挺好地描述小尺度闭合电路元形成的磁场分布。
例如,一根小n极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形成的场。磁偶极子遭到扭矩的作用会发生转动,只有当扭力为零时,磁偶极子就会处于平衡状态。借助这个道理,可以进行磁场的检测。但因为没有发觉单独存在的磁单极子,故我们将一个载有电压的方形回路作为磁偶极子的模型。
月球磁场可以近似为一个磁偶极子的磁场。并且,图内的N和S符号分别标识月球的地理南极和地理北极。这标识法很容易造成困扰。实际而言,月球的磁偶极矩的方向,是从月球坐落地理南极附近的地磁南极,指向坐落地理北极附近的地磁北极;而磁偶极子的方向则是从手册极指向指南极。
这么哪些是电偶极距?在数学学里,电偶极矩评判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。
对于分别带有正电量+q{{+}q}+=、负电量-q的两个点电荷的简单案例,电偶极矩{\{p}}为:p=qd;其中d是从负电荷位置指至正电荷位置的位移矢量。
这等式意味着电偶极矩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。这儿并没有矛盾,由于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,化学电偶极子所形成的电场,可以近似为其电偶极矩所形成的电场。令化学电偶极子的两个点电荷相隔距离d趋于于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”。化学电偶极子形成的电场,其多极展开式的一次项目就是点电偶极子形成的电场。
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,人们最早觉得天然磁极(或人造吸铁石)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压定向排列而形成,于是用闭合元电压I重新定义这个量,使等效“磁偶极矩''的概念保存出来。
载流回路中的磁场在一个载流回路中,磁矩的估算是电压乘于回路面积:m=I*a(m为磁矩,I为电压,a为面积矢量:它与电压I的流向遵循左手螺旋定则);磁偶极矩(Pm)估算公式:Pm=μ0*m。载流回路在磁场中的扭矩M和能量U磁矩方向,与磁矩的关系为:M=m×BU=-m·B其中,B为磁场。
磁矩是吸铁石的一种化学性质。处于外磁场的吸铁石,会感遭到转矩,使得其磁矩沿外磁场的磁场线方向排列。磁矩可以用矢量表示。吸铁石的磁矩方向是从吸铁石的手册极指向指南极,磁矩的大小取决于吸铁石的磁性与量值。不只是吸铁石具有磁矩,载流回路、电子、分子或行星等等,都具有磁矩。
科学家至今仍未发觉宇宙中存在有磁单极子。通常磁性物质的磁场,其泰勒展开的多极展开式,因为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,以这种推。
磁矩也分为磁偶极矩、磁四极矩等等部份。从磁矩的磁偶极矩、磁四极矩等等,可以分别估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,磁偶极矩部份会显得越加重要,成为主要项目,因而,磁矩这术语经常拿来指斥磁偶极矩。有些教科书内,磁矩的定义与磁偶极矩的定义相同。
但你们要晓得,在任何化学系统里,磁矩最基本的源头有两种:
§电荷的运动,像电压,会形成磁矩。只要晓得化学系统内全部的电压密度分布(或则所有的电荷的位置和速率),理论上就可以估算出磁矩。
§像电子、质子一类的基本粒子会因载流子而形成磁矩。每一种基本粒子的内禀磁矩的大小都是常数,可以用理论推论下来,得到的结果也早已通过做实验核实至高确切度。

§例如,电子磁矩的检测值是−9.×10−24焦耳/特斯拉。磁矩的方向完全决定于粒子的载流子方向(电子磁矩的检测值是负值,这意味着电子的磁矩与载流子呈相反方向)。
整个化学系统的净磁矩是所有磁矩的矢量和。诸如,氢原子的磁场是以下几种磁矩的矢量和:
§电子的载流子。
§电子环绕着质子的轨域运动。
§质子的载流子。
再举个反例,构成条形吸铁石的物质,其未配对电子的内禀磁矩和轨域磁矩的矢量和,是条形吸铁石的磁矩。
对于估算磁偶极距的方式,要具体剖析问题,比较复杂。须要用到高等物理,本人也不擅长,故不做估算。可以给你们列举一些估算结果。
在原子化学学和核子化学学里,磁矩的大小标记为u{\mu,!}U,一般检测单位为玻尔磁子或核磁子。磁矩关系到粒子的载流子,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:
一些基本粒子的内禀磁矩和载流子
粒子
内禀磁矩(10−27焦耳/特斯拉)
载流子量子数
电子
-9284.764
1/2
质子
+14.
1/2
中子
-9.66236
1/2
μ子
-44.
1/2
重氢
+4.
氢-3
+15.
1/2

你们看见了,有电子磁偶极距,质子磁偶极矩,中子磁偶极距等。其实还有核子磁偶极矩,分子磁偶极距。
核子系统是一种由核子(质子和中子)组成的精密化学系统。载流子是核子的量子性质之一。因为原子核的磁矩与其核子成员有关,从核磁矩的检测数据,更明晰地,从核磁偶极矩的检测数据,可以研究这种量子性质。
尽管有些核素原子核的迸发态的衰变期超长,大多数常见的原子核的自然存在状态是能级。
每一个核素原子核的能态都有一个奇特的、明显的核磁偶极矩,其大小是一个常数,通过悉心设计的实验,可以检测至特别高的精确度。这数值对于原子核内每一个核子的只身贡献十分敏感。若才能检测或预测出这数值,就可以阐明核子波函数的内涵。现在,有好多理论模型就能预测核磁偶极矩的数值,也有好多种实验技术才能进行原子核测试。
任何分子都具有明晰的磁矩。这磁矩可能会跟分子的能态有关。一般而言,一个分子的磁矩是下述贡献的总和,根据典型硬度从大至小列举:
1、假若有未配对电子,则是其载流子所形成的磁矩(顺磁性贡献)
2、电子的轨域运动,处于能级时,所形成常与外磁场成反比的磁矩(抗磁性贡献)
3、依照核载流子组态,核载流子所形成的总磁矩。
还有一个我们须要了解和晓得的概念叫磁化硬度,也是常常出现的。
磁化硬度,又称磁化矢量,是评判物体的磁性的一个数学量,定义为单位容积的磁偶极矩,如下等式:
其中,M{\{M}}是磁化硬度,n是磁偶极子密度,m{\{m}}是每一个磁偶极子的磁偶极矩。
当施加外磁场于物质时,物质的内部会被磁化,会出现好多微小的磁偶极子。磁化硬度描述物质被磁化的程度。采用国际单位制,磁化硬度的单位是安培/米。
物质被磁化所形成的磁偶极矩有两种起源。
一种是由在原子内部的电子,因为外磁场的作用,其轨域运动形成的磁矩会做拉莫尔进动,因而形成的额外磁矩,累积汇聚而成。
另外一种是在外加静磁场后,物质内的粒子载流子发生“磁化”,趋向按照磁场方向排列。这种载流子构成的磁偶极子可视为一个个小吸铁石,可以以矢量表示,作为载流子相关磁性剖析的精典描述。诸如,用于核磁共振现象中载流子动态的剖析。
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(比如,在铁磁性物质内部的磁偶极矩),综合上去,就是净磁化硬度。
在一个磁性物质的内部,磁化硬度不一定是均匀的,磁化硬度常常是位置矢量的函数。
麦克斯韦多项式组就是描述磁感应硬度{\{B}}、磁场硬度{\{H}}、电场{\{E}}、电势移{\{D}}、电荷密度{\rho}和电压密度{\{J}}的化学行为。
但还有一些物质表现出抗磁性,这是为何呢?抗磁性是物质抗拒外磁场的趋于,因而会被磁场抵触。所有物质都具有抗磁性。而且,对于具有顺磁性的物质,顺磁性一般比较明显,遮掩了抗磁性。
只有纯抗磁性物质能够显著地被观测到抗磁性。诸如,惰性二氧化碳元素和抗腐蚀金属元素(金、银、铜等等)都具有明显的抗磁性。当外磁场存在时,抗磁性才能表现下来。假定外磁场被撤消,则抗磁性也会遁隐行迹。
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,用精典化学理论解释如下:
因为外磁场的作用,环绕着原子核的电子,其轨域运动形成的磁矩会做拉莫尔进动,因而形成额外电压与伴随的额外磁矩。
然而你们一定不要忘掉,以上所有化学概念,电偶极距,磁偶极距,磁化硬度等,都是须要和电磁场挂钩,只有在电磁场“平台”上能够实现这些估算。这正是麦克斯电磁学多项式的真谛。
而我里面所描述的这种概念现象,我们都是看不见的。并且通过它们,我们看见了更多的东西,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。
摘自独立学者灵遁者量子热学书籍《见微知著》。
