古典電磁學:馬克士威方程組
磁化(magnetization)
尋常物質裡布滿了微觀的電流迴圈——繞行與自旋的電子——每一個都是一個微小的磁偶極子。通常它們指向四面八方而彼此抵消,但一個場,或鐵磁體中自發的有序,能把它們排整齊。磁化就是由此產生的、單位體積的淨磁偶極矩。
磁化 M 定義為材料每單位體積的磁偶極矩。它對大尺度場的效應由束縛電流刻畫:一個磁化給出束縛體電流密度 J_b = curl M 與束縛面電流 K_b = M x n。這些是完全真實的電流——它們產生真正的磁場——但它們源自排列整齊的微觀迴圈,而非源自導線中流動的電荷。M 經由 H = B/mu_0 - M 進入輔助場 H,等價於 B = mu_0 (H + M)。
磁化是電極化 P 的磁性對應物,這個平行關係很接近、但並不完美。在線性磁性材料中 M = chi_m H,chi_m 是磁化率:對順磁體為正且極小,對抗磁體(逆著場)則小而為負。鐵磁體則完全打破線性規則——它們在場被移除後仍保留磁化(磁滯),這正是永久磁鐵與磁性記憶得以可能的原因。
一根均勻磁化的磁棒,內部 M 為常數,因此其束縛體電流 J_b = curl M 在那裡為零,所有電流都以 K_b = M x n 的形式坐在表面上。那股面電流是一片像螺線管一樣纏繞磁棒的電流片——這正是為什麼磁棒的外部場看起來就像螺線管的場。
M 是單位體積的偶極矩;它透過束縛電流 J_b = curl M 起作用,並進入 H = B/mu_0 - M。
磁化產生的束縛電流跟自由電流一樣真實——它們產生真正的磁場——只是它們不能被外部電路自由驅動。在鐵磁體中 M 不正比於 H,且依賴於歷史(磁滯),因此線性關係 M = chi_m H 失效。
又称
另见