磁源物質(zhì)的磁性

磁源抗磁性

抗磁性是物質(zhì)抗拒外磁場的趨向，因此，會被磁場排斥。所有物質(zhì)都具有抗磁性?？墒牵瑢τ诰哂许槾判缘奈镔|(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)外磁場存在時，抗磁性才會表現(xiàn)出來。假設(shè)外磁場被撤除，則抗磁性也會遁隱形跡。

在具有抗磁性的物質(zhì)里，所有電子都已成對，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，用經(jīng)典物理理論解釋如下：

由于外磁場的作用，環(huán)繞著原子核的電子，其軌域運(yùn)動產(chǎn)生的磁矩會做拉莫爾進(jìn)動，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呈相反方向，抗拒外磁場的作用。由這機(jī)制所帶來的磁化率與溫度無關(guān)，以方程表達(dá)為

特別注意，這解釋只能用來啟發(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)個電子，會存在有很多未配對電子。遵守泡利不相容原理，任何配對電子的自旋，其磁矩的方向都必需彼此相反。未配對電子可以自由地將磁矩指向任意方向。當(dāng)施加外磁場時，這些未配對電子的磁矩趨于與外磁場呈相同方向，從而使磁場更加強(qiáng)烈。假設(shè)外磁場被撤除，則順磁性也會消失無蹤。

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（thermal agitation）造成的碰撞會影響磁矩整齊排列，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，每一個原子的表現(xiàn)就好似微小的永久磁鐵。假設(shè)聚集于一個小區(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)一個鐵磁性長方體是單獨(dú)磁疇，則會有很多正磁荷與負(fù)磁荷分別形成于長方塊的頂面與底面，從而擁有較強(qiáng)烈的磁能。假設(shè)鐵磁性長方塊分為兩個磁疇，其中一個磁疇的磁矩朝上，另一個朝下，則會有正磁荷與負(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)鐵磁性長方塊是由多個磁疇組成，則由于磁荷不會形成于頂面與底面，只會形成于斜虛界面，所有的磁場都包含于長方塊內(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，則磁疇壁會開始移動，假若磁疇的磁矩方向與外磁場方向近似相同，則磁疇會擴(kuò)大；反之，則會縮小。這時，假若關(guān)閉磁場，則磁疇可能不會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，所有會擴(kuò)大的磁疇吞并了其它磁疇，結(jié)果只剩下單獨(dú)一個磁疇，則此物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到磁飽和。再增強(qiáng)外磁場，也無法更進(jìn)一步使物質(zhì)磁化。

假設(shè)外磁場為零，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)部的分子會被大幅度熱騷動，磁疇會開始分裂，每個磁疇變得越來越小，其磁矩也呈隨機(jī)方向，失去任何可偵測的磁性。假設(shè)將物質(zhì)冷卻，則磁疇結(jié)構(gòu)會自發(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)磁場不存在時，亞鐵磁性物質(zhì)仍舊會保持磁化不變；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。處于高頻率時變磁場的亞鐵磁性物質(zhì)，由于感應(yīng)出的渦電流很少，可以允許微波穿過，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表現(xiàn)出亞鐵磁性。常見的亞鐵磁性物質(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候，由于熱騷動影響，這些奈米粒子會隨機(jī)地改變方向。假設(shè)沒有外磁場，則通常它們不會表現(xiàn)出磁性。但是，假設(shè)施加外磁場，則它們會被磁化，就像順磁性一樣，而且磁化率超大于順磁體的磁化率。

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)的一個分支，研究穩(wěn)定磁場下的性質(zhì)。微磁學(xué)是研究介觀尺度下鐵磁體的磁化過程。磁化學(xué)是研究化學(xué)物質(zhì)與電磁場的關(guān)系。

磁源恒磁磁源

常見的永磁體如：鐵氧體磁鐵，釹鐵硼磁體，地球磁場，太陽磁場，在相當(dāng)長的時間內(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能。磁力勢能做功表現(xiàn)為磁源對導(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)是個對數(shù)（即：S極和N極產(chǎn)生的磁通閉合回路），因磁路長度有限，因此磁程也有限，所以磁力常數(shù)不同于萬有引力常數(shù)。

磁源交流磁源

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

追根究柢，磁有兩種源頭：

1. 電流是一群移動的電荷。電流或移動的電荷，會在周圍產(chǎn)生磁場。

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

對于磁性物質(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，和電子的內(nèi)秉磁矩（請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，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)動為零。對于這兩種機(jī)制，電子排列會使得每一個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)仍有尚未配對的電子或尚未填滿的次殼層，通常，在物質(zhì)內(nèi)部的各個電子，會貢獻(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，有時候，或許是自發(fā)性效應(yīng)，或許是由于外磁場的施加，物質(zhì)內(nèi)的電子磁矩會整齊地排列起來。由于這動作，很可能會造成強(qiáng)烈的凈磁矩與凈磁場。

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)動會使得電子磁矩的整齊排列更加困難。

• 磁滯現(xiàn)象簡稱磁滯，是指由于磁性體在磁化過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)體在磁場中運(yùn)動，或?qū)w處在變化的磁場中，會產(chǎn)生電動勢的物理現(xiàn)象。

• 電

• 以“磁”開頭的條目

電磁探測特種電源瞬變電磁法基本原理

電磁探測技術(shù)是地球物理勘探技術(shù)的一大種類，從場源的形式，分為人工場源和天然場源；從場源的性質(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間域電磁法。

瞬變電磁法（TransientElectroMagnetic，簡稱TEM），或稱時間域電磁法（Timedomainelectromagnetic，簡稱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場源，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場源，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)建場法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系統(tǒng)投入使用。此后，國內(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)生激勵電流波形，負(fù)載為發(fā)射線圈。激勵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，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)的時序（在同點(diǎn)裝置或小回線應(yīng)用時也可采用電纜同步）。

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)可以同時同步工作。

電磁探測特種電源瞬變電磁法發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵問題

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

①發(fā)射電流波形類型

瞬變電磁法的激勵場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)。

單極性場源產(chǎn)生的響應(yīng)信號強(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；對于雙極性激勵，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)，但單極性激勵無法采用這種技術(shù)。因此，目前的TEM系統(tǒng)一般采用雙極性場源。

②關(guān)斷延時對TEM響應(yīng)的影響

關(guān)斷延時越小，諧波分量越豐富，對探測淺部信息越有利，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)過一段時間才能達(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)時間會造成電流過沖、IGBT拖尾電流使波形畸變、非理想的驅(qū)動信號都會造成電流波形失真。

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。外部干擾源指測量系統(tǒng)之外的電磁干擾，常見的有高電壓、大功率輸電線或用電器件在空間形成的電場、磁場、電磁場；天電、空間電磁場；地磁以及兩接地點(diǎn)間的電壓降等。內(nèi)部干擾源指測量系統(tǒng)內(nèi)存在的電磁干擾，常見的有電源變壓器的漏磁場；測量線路和元件所產(chǎn)生的電場與磁場、絕緣漏電等。電磁測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，像電流，會產(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，得到的結(jié)果也已經(jīng)通過做實(shí)驗(yàn)核對至高準(zhǔn)確度。例如，電子磁矩的測量值是?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。

• 質(zhì)子的自旋。

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