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磁性材料测量——历史背景

2.1 历史背景

磁性和磁场时最早通过测量研究的物理现象之一。古代人类从冶铁开始,就已经知道了两块磁石之间吸引力(或排斥力)的影响。此外,人们观察到小磁石沿南北方向自发旋转,因此,无疑这种效果应用到指向北边方向的指南针——文字记载公元前 300 至公元前 200年,中国古代就已经使用指南针(司南)。

根据其他文献记载,“哲学之父”泰勒斯时期的米利都(Miletus)(公元前 640—前 546 年)研究了磁石和铁之间的吸引力。苏哥拉底(Socrates)(公元前 470—前 399 年)写道:“铁磁石不仅仅吸引铁环,而且赋予他们一个类似的磁力”(Keithley 1999 年)。

一个更详细记载磁性和指南针的研究是由德·马里孔特(Pierre de Maricourt)又名彼得·皮埃尔完成的。1269年,他出版了《磁石书信(Epistola demagnete)》。在这部作品中,首次描述了磁铁极性(也证实了两种磁极——当磁铁分裂成两个较小部分之后,极性仍被保留)。他很可能是首次提出在机械结构中使用磁铁以获得永恒活动的人。威利·姆吉尔伯特(1544—1603 年)继续了皮埃尔的工作,他第一次在著作《论磁石(De magnete)》(1600年出版)中,描述了一个由地球磁场引起的指南针运动——得出地球是一个巨大球形磁铁的结论。

        夏尔·奥古斯丁·库仑(Charles-Augustin de Coulomb,1736—1806年)构建了一个扭秤(利用扭力测量微力的一种仪器),研究了静电和磁力之间的吸引力【约翰·米切尔(John Michell)1750 年也独立完成】。他提出了库仑定律,用数学方法描述了距离为 r 的假象磁极 m1、m2 之间的库仑力 F(磁偶极子如图 2.1a 所示)。

C2 1

式中,μ0 是真空磁导率(μ0 = 4π×10-7Wb/Am)。

        磁场产生促使磁偶极子平行方向的磁场转矩τ:τ = M × B………………………(2.2)

1820年,汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Oersted)发现当一个磁针靠近一个带电流的金属线圈时,线圈周围会产生磁场。这个革命性的发现启发安德烈·玛丽·安培(Andre Marie Ampere)(1775—1836年)得出假设,任何磁场的产生可以来源于电流(也可由磁场产生)(见图 2.1b)。1820年,他证明了两个并行载流导线相互吸引。

C2 2

同年,让·巴蒂斯特(Jean-Baptiste Biot)和费利克斯·比(Felix Savart)提出了毕奥-萨伐尔定律,确定了通电导线周围磁场强度和电流的关系。一个通过电流为i的无穷小长度 δL 的导体,在径向距离 a 处产生的磁场强度 δH 为:

C2 3

式中,u 是沿半径的单位矢量。因此,电流回路 C 所生产的磁场强度 H 为:

C2 4

计算半径为 r 的环形截流导线在 A 点产生的磁场 H(见图 2.2),其轴向分量是

C2 5

C2 6

C2 7

  由于∮dl = 2πr,轴距离为x的磁场H为:

C2 8

  因此,圆环中心x=0处的磁场强度为 H = I/2r。

  1826 年,安培发现了磁学的一个基本定律——安培环路定律

C2 9

式中,n 为环形线圈的匝数,每匝导线的电流为I。

1831年,迈克尔•法拉第(Michael Faraday)发现了另一个磁学基本定律,他指出,如果一个电路与变化磁链 Φ相交,其产生的感应电动势(电压)V与磁通量变化率成比例: V = -dΦ/dt…………..(2.8),这种效应被称之为电磁(EM)感应。式(2.8)的负号表明,感应电压与产生它的磁通量变化方向相反(楞次定律)。

詹姆斯•克拉克•麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在其1873年出版的著作中阐述了磁学的许多重大发现,在《电学与磁学论》一书中,他提出了一组 20 个分析基本磁场和电场的方程(最后总结成一组4个方程:二个高斯定理,一个爱培定理,一个法拉第定理)。


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