磁源

磁學(xué)和電學(xué)有著直接的聯(lián)系，合并稱為電磁學(xué)。電磁學(xué)是研究電與磁彼此之間相互關(guān)系的一門學(xué)科。靜磁學(xué)是電磁學(xué)的一個(gè)分支，研究穩(wěn)定磁場(chǎng)下的性質(zhì)。微磁學(xué)是研究介觀尺度下鐵磁體的磁化過(guò)程。磁化學(xué)是研究化學(xué)物質(zhì)與電磁場(chǎng)的關(guān)系。

磁源抗磁性

抗磁性是物質(zhì)抗拒外磁場(chǎng)的趨向，因此，會(huì)被磁場(chǎng)排斥。所有物質(zhì)都具有抗磁性。可是，對(duì)于具有順磁性的物質(zhì)，順磁性通常比較顯著，遮掩了抗磁性。只有純抗磁性物質(zhì)才能明顯地被觀測(cè)到抗磁性。例如，惰性氣體元素和抗腐蝕金屬元素（金、銀、銅等等）都具有顯著的抗磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)存在時(shí)，抗磁性才會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。假設(shè)外磁場(chǎng)被撤除，則抗磁性也會(huì)遁隱形跡。

在具有抗磁性的物質(zhì)里，所有電子都已成對(duì)，內(nèi)秉電子磁矩不能集成宏觀效應(yīng)?？勾判缘臋C(jī)制是電子軌域運(yùn)動(dòng)，用經(jīng)典物理理論解釋如下：

由于外磁場(chǎng)的作用，環(huán)繞著原子核的電子，其軌域運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁矩會(huì)做拉莫爾進(jìn)動(dòng)，從而產(chǎn)生額外電流與伴隨的額外磁矩。這額外磁矩與外磁場(chǎng)呈相反方向，抗拒外磁場(chǎng)的作用。由這機(jī)制所帶來(lái)的磁化率與溫度無(wú)關(guān)，以方程表達(dá)為

特別注意，這解釋只能用來(lái)啟發(fā)思考。正確的解釋需要依賴量子力學(xué)。

磁源順磁性

堿金屬元素和除了鐵、鈷、鎳以外的過(guò)渡元素都具有順磁性。在順磁性物質(zhì)內(nèi)部，由于原子軌域或分子軌域只含有奇數(shù)個(gè)電子，會(huì)存在有很多未配對(duì)電子。遵守泡利不相容原理，任何配對(duì)電子的自旋，其磁矩的方向都必需彼此相反。未配對(duì)電子可以自由地將磁矩指向任意方向。當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，這些未配對(duì)電子的磁矩趨于與外磁場(chǎng)呈相同方向，從而使磁場(chǎng)更加強(qiáng)烈。假設(shè)外磁場(chǎng)被撤除，則順磁性也會(huì)消失無(wú)蹤。

一般而言，除了金屬物質(zhì)以外，順磁性與溫度相關(guān)。由于熱騷動(dòng)（thermal agitation）造成的碰撞會(huì)影響磁矩整齊排列，溫度越高，順磁性越微弱；溫度越低，順磁性越強(qiáng)烈。

磁源磁疇

在鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部，由于原子的磁矩不等于零，每一個(gè)原子的表現(xiàn)就好似微小的永久磁鐵。假設(shè)聚集于一個(gè)小區(qū)域的原子，其磁矩都均勻地同向平行排列，則稱這小區(qū)域?yàn)榇女牷蛲馑巩牐╓eiss domain）。使用磁力顯微鏡（magnetic force microscope），可以觀測(cè)到磁疇。

磁疇的存在是能量極小化的后果。這是物理大師列夫·朗道和葉津·李佛西茲（Evgeny Lifshitz）提出的點(diǎn)子。假設(shè)一個(gè)鐵磁性長(zhǎng)方體是單獨(dú)磁疇，則會(huì)有很多正磁荷與負(fù)磁荷分別形成于長(zhǎng)方塊的頂面與底面，從而擁有較強(qiáng)烈的磁能。假設(shè)鐵磁性長(zhǎng)方塊分為兩個(gè)磁疇，其中一個(gè)磁疇的磁矩朝上，另一個(gè)朝下，則會(huì)有正磁荷與負(fù)磁荷分別形成于頂面的左右邊，又有負(fù)磁荷與正磁荷相反地分別形成于底面的左右邊，所以，磁能較微弱，大約為一半。假設(shè)鐵磁性長(zhǎng)方塊是由多個(gè)磁疇組成，則由于磁荷不會(huì)形成于頂面與底面，只會(huì)形成于斜虛界面，所有的磁場(chǎng)都包含于長(zhǎng)方塊內(nèi)部，磁能更微弱。這種組態(tài)稱為“閉磁疇”（closure domain），是最小能量態(tài)。

將鐵磁性物質(zhì)置入外磁場(chǎng)，則磁疇壁會(huì)開始移動(dòng)，假若磁疇的磁矩方向與外磁場(chǎng)方向近似相同，則磁疇會(huì)擴(kuò)大；反之，則會(huì)縮小。這時(shí)，假若關(guān)閉磁場(chǎng)，則磁疇可能不會(huì)回到原先的未磁化狀態(tài)。鐵磁性物質(zhì)已被磁化，形成永久磁鐵。

假設(shè)磁化足夠強(qiáng)烈，所有會(huì)擴(kuò)大的磁疇吞并了其它磁疇，結(jié)果只剩下單獨(dú)一個(gè)磁疇，則此物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到磁飽和。再增強(qiáng)外磁場(chǎng)，也無(wú)法更進(jìn)一步使物質(zhì)磁化。

假設(shè)外磁場(chǎng)為零，現(xiàn)將已被磁化的鐵磁性物質(zhì)加熱至居里溫度，則物質(zhì)內(nèi)部的分子會(huì)被大幅度熱騷動(dòng)，磁疇會(huì)開始分裂，每個(gè)磁疇變得越來(lái)越小，其磁矩也呈隨機(jī)方向，失去任何可偵測(cè)的磁性。假設(shè)將物質(zhì)冷卻，則磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)自發(fā)地回復(fù)，就好像液體凝固成固態(tài)晶體一樣。

磁源亞鐵磁性

像鐵磁性物質(zhì)一樣，當(dāng)磁場(chǎng)不存在時(shí)，亞鐵磁性物質(zhì)仍舊會(huì)保持磁化不變；又像反鐵磁性物質(zhì)一樣，相鄰的電子自旋指向相反方向。這兩種性質(zhì)并不互相矛盾，在亞鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部，分別屬于不同次晶格的不同原子，其磁矩的方向相反，數(shù)值大小不相等，所以，物質(zhì)的凈磁矩不等于0，磁化強(qiáng)度不等于零，具有較微弱的鐵磁性。

由于亞鐵磁性物質(zhì)是絕緣體。處于高頻率時(shí)變磁場(chǎng)的亞鐵磁性物質(zhì)，由于感應(yīng)出的渦電流很少，可以允許微波穿過(guò)，所以，可以做為像隔離器、循環(huán)器、回旋器等等微波器件的材料。

由于組成亞鐵磁性物質(zhì)的成分必需分別具有至少兩種不同的磁矩，只有化合物或合金才會(huì)表現(xiàn)出亞鐵磁性。常見(jiàn)的亞鐵磁性物質(zhì)有磁鐵礦（Fe₃O₄）、鐵氧體（ferrite）等等。

磁源超順磁性

當(dāng)鐵磁體或亞鐵磁體的尺寸足夠小的時(shí)候，由于熱騷動(dòng)影響，這些奈米粒子會(huì)隨機(jī)地改變方向。假設(shè)沒(méi)有外磁場(chǎng)，則通常它們不會(huì)表現(xiàn)出磁性。但是，假設(shè)施加外磁場(chǎng)，則它們會(huì)被磁化，就像順磁性一樣，而且磁化率超大于順磁體的磁化率。

追根究柢，磁有兩種源頭：

1. 電流是一群移動(dòng)的電荷。電流或移動(dòng)的電荷，會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。

2. 很多種粒子具有內(nèi)秉的磁矩──自旋磁矩。這些磁矩，會(huì)在四周產(chǎn)生磁場(chǎng)。

對(duì)于磁性物質(zhì)，磁極化的主要源頭是以原子核為中心的電子軌域運(yùn)動(dòng)，和電子的內(nèi)秉磁矩（請(qǐng)參閱條目電子磁偶極矩）。與這些源頭相比，核子的核子磁矩顯得很微弱，強(qiáng)度是電子磁矩的幾千分之一。當(dāng)做一般運(yùn)算時(shí)，可以忽略核子磁矩。但是，核子磁矩在某些領(lǐng)域很有用途，例如，核磁共振、核磁共振成像。

通常而言，在物質(zhì)內(nèi)部超多數(shù)量的電子，它們各自的磁矩（軌域磁矩和內(nèi)稟磁矩）會(huì)互相抵銷。這是因?yàn)閮煞N機(jī)制：一種機(jī)制是遵守泡利不相容原理的后果，匹配成對(duì)的電子都具有彼此方向相反的內(nèi)秉磁矩；另一種機(jī)制是電子趨向于填滿次殼層，達(dá)成凈軌域運(yùn)動(dòng)為零。對(duì)于這兩種機(jī)制，電子排列會(huì)使得每一個(gè)電子的磁矩被完全抵銷。當(dāng)然，不是每一種物質(zhì)都具有這么理想的屬性，但甚至當(dāng)電子組態(tài)仍有尚未配對(duì)的電子或尚未填滿的次殼層，通常，在物質(zhì)內(nèi)部的各個(gè)電子，會(huì)貢獻(xiàn)出隨機(jī)方向的磁矩，結(jié)果是這些物質(zhì)不具有磁性。

但是，有時(shí)候，或許是自發(fā)性效應(yīng)，或許是由于外磁場(chǎng)的施加，物質(zhì)內(nèi)的電子磁矩會(huì)整齊地排列起來(lái)。由于這動(dòng)作，很可能會(huì)造成強(qiáng)烈的凈磁矩與凈磁場(chǎng)。

由于前面表述的原因，物質(zhì)的磁行為與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是其電子組態(tài)。在高溫狀況，隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使得電子磁矩的整齊排列更加困難。

磁源恒磁磁源

常見(jiàn)的永磁體如：鐵氧體磁鐵，釹鐵硼磁體，地球磁場(chǎng)，太陽(yáng)磁場(chǎng)，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，我們可以稱為恒磁磁源。

恒磁磁源做功一般我們只能利用它的磁力勢(shì)能。磁力勢(shì)能做功表現(xiàn)為磁源對(duì)導(dǎo)磁體的引力，磁源與磁源的引力 斥力及扭力（如指南針的指向扭力）；磁力常數(shù)是個(gè)對(duì)數(shù)（即：S極和N極產(chǎn)生的磁通閉合回路），因磁路長(zhǎng)度有限，因此磁程也有限，所以磁力常數(shù)不同于萬(wàn)有引力常數(shù)。

磁源交流磁源

交流電流產(chǎn)生的磁通，交變電場(chǎng)產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)屬于交流磁源，是近代人類的輝煌成果，也是人類利用最多的能源，如：電動(dòng)機(jī)，變壓器，電磁波都屬交流磁源的利用。

• 磁滯現(xiàn)象簡(jiǎn)稱磁滯，是指由于磁性體在磁化過(guò)程中存在的不可逆性，使磁性體中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化的物理現(xiàn)象。

• 電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，或?qū)w處在變化的磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的物理現(xiàn)象。

• 電

• 以“磁”開頭的條目

電磁探測(cè)特種電源瞬變電磁法基本原理

電磁探測(cè)技術(shù)是地球物理勘探技術(shù)的一大種類，從場(chǎng)源的形式，分為人工場(chǎng)源和天然場(chǎng)源；從場(chǎng)源的性質(zhì)，分為電耦源和磁耦源兩類；按響應(yīng)的性質(zhì)，分為頻域電磁法和時(shí)間域電磁法。

瞬變電磁法（TransientElectroMagnetic，簡(jiǎn)稱TEM），或稱時(shí)間域電磁法（Timedomainelectromagnetic，簡(jiǎn)稱TDEM），是一種利用電磁法原理進(jìn)行地質(zhì)勘探的先進(jìn)技術(shù)。以接地導(dǎo)線通以脈沖電流為激勵(lì)場(chǎng)源，稱電耦源瞬變電磁法；以不接地導(dǎo)線通以脈沖電流為激勵(lì)場(chǎng)源，稱磁耦源瞬變電磁法。TEM最早由Ward于1938年提出，50年代，原蘇聯(lián)提出了遠(yuǎn)區(qū)和近區(qū)建場(chǎng)法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系統(tǒng)投入使用。此后，國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家,不斷推出智能化瞬變電磁儀。

磁耦源瞬變電磁法工作模式分同點(diǎn)裝置、偶極裝置和大定回線裝置三種。圖1為大定回線裝置系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

系統(tǒng)各部分作用如下：

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)：由電池組、瞬變電磁發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈、GPS同步控制器組成，用于產(chǎn)生激勵(lì)電流波形，負(fù)載為發(fā)射線圈。激勵(lì)電流有雙極性電流脈沖、三角波和半正弦波幾種。但最常用的是雙極性電流脈沖，發(fā)射波形頻率在0.0625~32Hz之間，發(fā)射功率為數(shù)百瓦~數(shù)十千瓦，發(fā)射電流為幾安培至上百安培，發(fā)射時(shí)序由GPS同步控制器產(chǎn)生。

接收機(jī)系統(tǒng)：由瞬變電磁信號(hào)接收機(jī)、接收線圈、GPS同步控制器組成。接收地質(zhì)體的感應(yīng)信號(hào)，傳感器為接收線圈、有源磁探頭或高溫超導(dǎo)量子干涉儀，接收由GPS同步控制器控制。

GPS同步控制器：用于協(xié)調(diào)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的時(shí)序（在同點(diǎn)裝置或小回線應(yīng)用時(shí)也可采用電纜同步）。

在大定回線裝置系統(tǒng)中，為了提高工作效率，多套接收系統(tǒng)可以同時(shí)同步工作。

電磁探測(cè)特種電源瞬變電磁法發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題

實(shí)際的發(fā)射機(jī)不可能做到理想的階躍電流激勵(lì)，存在關(guān)斷延時(shí)，在電流下降沿期間，存在一次場(chǎng)和二磁場(chǎng)的混疊。為了提高淺層探測(cè)能力，應(yīng)縮短發(fā)射機(jī)的關(guān)斷延時(shí)，將數(shù)據(jù)采集起始時(shí)刻盡量前移。另外，發(fā)射機(jī)還存在開關(guān)噪聲、下降沿波形無(wú)規(guī)律、受負(fù)載變化影響等問(wèn)題。

①發(fā)射電流波形類型

瞬變電磁法的激勵(lì)場(chǎng)源分單極性和雙極性電流脈沖兩類。產(chǎn)生單極性電流脈沖的原理近似于照相機(jī)閃光燈原理，利用電容存儲(chǔ)高能量，在瞬間釋放，可產(chǎn)生高達(dá)100A的放電電流，這種技術(shù)也叫能量壓縮技術(shù)。

單極性場(chǎng)源產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)，儀器節(jié)能、低損耗，但存在明顯缺點(diǎn)：由于脈沖很窄，上升沿和下降沿產(chǎn)生的電磁響應(yīng)混迭在一起，上升沿的影響不能忽略；設(shè)計(jì)加速電流下降和改善下降沿波形的電感能量釋放回路很困難；對(duì)于雙極性激勵(lì)，可采用正向、負(fù)向響應(yīng)相減的辦法，消除運(yùn)算放大器零點(diǎn)，但單極性激勵(lì)無(wú)法采用這種技術(shù)。因此，目前的TEM系統(tǒng)一般采用雙極性場(chǎng)源。

②關(guān)斷延時(shí)對(duì)TEM響應(yīng)的影響

關(guān)斷延時(shí)越小，諧波分量越豐富，對(duì)探測(cè)淺部信息越有利，淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)衰減較快，反映在TEM接收信號(hào)早期，深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)衰減較慢，反映在TEM接收信號(hào)晚期。

③電流下降沿波形形狀影響

由于負(fù)載呈感性，電流一般呈指數(shù)上升，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)；在電流下降沿，由于不同發(fā)射機(jī)的電感能量泄放回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，下降沿形狀變化較多，較普遍的是呈指數(shù)規(guī)律下降，也可能是線性或其他函數(shù)。電流下降沿波形與電感能量釋放網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)載電感量、負(fù)載電阻、發(fā)射電流、器件參數(shù)有關(guān)。電子開關(guān)的極間電容產(chǎn)生振蕩、二極管的恢復(fù)時(shí)間會(huì)造成電流過(guò)沖、IGBT拖尾電流使波形畸變、非理想的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都會(huì)造成電流波形失真。

④發(fā)射電流大小

大的發(fā)射電流有利于增強(qiáng)信噪比，并增強(qiáng)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)，因此，總是希望發(fā)射電流越大越好。目前，雙極性脈沖電流一般在50A以內(nèi)。

干擾源電磁測(cè)量中遇到的干擾源有外部干擾源和內(nèi)部干擾源兩類。外部干擾源指測(cè)量系統(tǒng)之外的電磁干擾，常見(jiàn)的有高電壓、大功率輸電線或用電器件在空間形成的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)；天電、空間電磁場(chǎng)；地磁以及兩接地點(diǎn)間的電壓降等。內(nèi)部干擾源指測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)存在的電磁干擾，常見(jiàn)的有電源變壓器的漏磁場(chǎng)；測(cè)量線路和元件所產(chǎn)生的電場(chǎng)與磁場(chǎng)、絕緣漏電等。電磁測(cè)量中影響較大的主要是外部干擾源。

在任何物理系統(tǒng)里，磁矩最基本的源頭有兩種：

• 電荷的運(yùn)動(dòng)，像電流，會(huì)產(chǎn)生磁矩。只要知道物理系統(tǒng)內(nèi)全部的電流密度分布（或者所有的電荷的位置和速度），理論上就可以計(jì)算出磁矩。

• 像電子、質(zhì)子一類的基本粒子會(huì)因自旋而產(chǎn)生磁矩。每一種基本粒子的內(nèi)稟磁矩的大小都是常數(shù)，可以用理論推導(dǎo)出來(lái)，得到的結(jié)果也已經(jīng)通過(guò)做實(shí)驗(yàn)核對(duì)至高準(zhǔn)確度。例如，電子磁矩的測(cè)量值是?9.284764×10焦耳/特斯拉。磁矩的方向完全決定于粒子的自旋方向（電子磁矩的測(cè)量值是負(fù)值，這意味著電子的磁矩與自旋呈相反方向）。

整個(gè)物理系統(tǒng)的凈磁矩是所有磁矩的矢量和。例如，氫原子的磁場(chǎng)是以下幾種磁矩的矢量和：

• 電子的自旋。

• 電子環(huán)繞著質(zhì)子的軌域運(yùn)動(dòng)。

• 質(zhì)子的自旋。

再舉個(gè)例子，構(gòu)成條形磁鐵的物質(zhì)，其未配對(duì)電子的內(nèi)稟磁矩和軌域磁矩的矢量和，是條形磁鐵的磁矩。