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磁有哪些性質?

想象壹下乘坐壹列不接觸地面滑行的列車飛駛的情景,妳感覺不到來自鐵軌的振動,聽不到車輪碰撞發出的噪聲,在列車以每小時400千米的速度直奔旅程的終點時,妳只要舒坦地坐著就可以了。

這是在夢中嗎?不,這不是夢!雖然妳很可能沒有乘過這樣的列車,但這種懸浮在空中幾厘米高度的高速列車在壹些國家已正式進入商業運行,它被稱為磁懸浮列車。是什麽使得車廂懸浮起來的呢?信不信由妳,是磁體使它們浮起來的。

說到磁體,妳可能會想起家中電冰箱上用來夾紙條的那個小磁體。其實,我們所熟悉的許多設備,如門鈴、電視機和計算機中都有磁體。

現代生活和生產中應用磁體的地方很多,但磁體並不是新玩藝。早在2000多年前,居住在馬格尼西亞地區(希臘境內)的人們就發現了壹種不尋常的巖石。這種巖石含有磁鐵礦石,能吸引含鐵的物質。磁鐵礦石和磁體這兩個英文名詞都來自於馬格尼西亞這壹地名。磁性(magnetism)是指磁體能吸引其他物體的性質。

大約在2000多年前,中國人發現了磁體的另壹種有趣的性質。那就是如果把壹塊磁石琢磨成匙狀,讓它能在水平面上自由地轉動,磁石的某壹個部位(匙柄)總是指向南方,匙的另壹端指向北極星的方向。由於這個緣故,磁石也被稱為北極石。

妳所熟悉的壹些磁體並不是天然的,而是人工制造的,它們跟天然磁石具有相同的性質。任何磁體,不管其形狀如何,都有兩個端點,即兩個磁極。所謂磁極(magneticpole)是指磁體上磁性最強的部位。正像壹塊磁鐵礦的壹端總是指向北極星那樣,人造磁體的壹個磁極也總是指北,科學家將這壹極稱為磁體的北極,磁體的另壹極稱為南極。兩個北極或兩個南極叫做同名磁極;壹個北極和壹個南極叫做異名磁極。

當妳將兩塊磁體彼此靠近時會發生什麽現象呢?如果妳將兩個北極靠近,磁體就會彼此推開;如果將兩個南極彼此靠近,情況也壹樣。但是,如果妳用壹塊磁體的北極去靠近另壹塊磁體的南極,那麽兩塊磁體就會彼此吸引。同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引。”

磁體之間的吸引力或排斥力就是磁力。能產生磁力的任何物體都是磁體。

前面描述過的磁懸浮列車,就是依據同名磁極相互排斥的原理制成的。列車底部的磁體和地面導軌的磁體極性相同。同名磁極相互排斥,列車廂體便懸浮起來。其他磁體則推的推、拉的拉,牽引列車向前奔馳。

如果將壹塊條形磁體從中間鋸斷,分成兩塊,想壹想,會發生什麽現象?會不會壹塊是北極,另壹塊是南極?不會的。妳得到的是兩塊磁體,並不是兩個磁極。這兩塊小磁體,都有自己的北極和南極。如果將這兩塊磁體再壹分為二,就會得到四塊磁體。

在磁體上,磁極的磁力最強,但磁力並不局限在磁極,磁體的周圍都存在著磁力的作用。磁體周圍有磁力作用的區域稱為磁體的磁場(magneticfield)。磁場的存在,使磁體間不通過接觸便發生相互作用。

磁感線從壹個磁極出發,圍著磁體沿曲線前行,最後返回到另壹磁極。磁感線從壹個磁極到另壹個磁極形成壹條封閉的回路,磁感線之間永不相交。

兩個或多個磁體的磁場相互疊加,就會形成壹個合磁場。兩塊條形磁體的磁極彼此靠近時所產生的磁場就會形成合磁場。

如果妳將壹塊木頭、玻璃或塑料片靠近壹堆回形針,會怎麽樣?沒有怎麽樣,這些材料對回形針不起任何作用。但是妳若將壹塊條形磁體靠近這堆回形針時,回形針就會被吸附在磁體上。為什麽有些材料會產生很強的磁性,而另壹些就沒有呢?

材料的磁性取決於這種材料的原子結構。所有的物質都是由原子構成的,原子(atom)是化學元素的最小單位。目前已發現的化學元素(element)有100多種,它們組成了自然界中的所有物質。

原子的中心是原子核(nucleus),原子核中包含質子(proton)和中子,質子帶壹個正電荷。在原子核外的軌道上繞原子核運動的是電子(electron),它帶有壹個負電荷。當電子繞原子核運動時,自身也在做自旋運動。運動的電子會產生磁場,正是原子中電子的自旋運動和軌道運動,使得每壹個原子都相當於壹個微小的磁體。

在絕大多數的材料中,原子磁場的指向是雜亂無章的,結果使得各個磁場幾乎被完全抵消了。所以,絕大多數材料的磁性是很微弱的,通常無法檢測到。

而在某些材料中,各個原子的電子自旋產生的磁場彼此排列得很整齊。幾十億個原子組成壹個集團,其中所有的原子產生的磁場,都排列整齊,這樣的集團我們稱它為磁疇(magneticdomain)。磁疇作為壹個整體,它的作用就像壹塊很小的條形磁體。

在材料未被磁化時,磁疇的指向是雜亂無章的,壹些磁疇產生的磁場和其他壹些磁疇產生的磁場彼此抵消,這時材料不顯磁性。材料被磁化後,其中所有的磁疇(或絕大部分磁疇)都沿相同的方向排列。或者說,磁疇排列整齊了。

如果某種材料內部形成了磁疇,該材料就可能成為較強的磁體。如果壹種材料能顯示出極強的磁性效應,我們就稱它為鐵磁材料(ferromagneticmaterial)。鐵磁性壹詞來自於拉丁文Ferrum,原意是“鐵”。鐵、鎳和鈷是我們所熟悉的鐵磁性材料,另外還有像元素鈁和釹等都可以做成極強磁性的磁體。還有壹些強磁體是用合金制成的。

我們知道,磁鐵礦存在於自然界中。但我們日常所使用的磁體二般都是人造的。磁體可以用鐵磁性材料來制造,方法就是將未被磁化的鐵磁材料放在強磁場中或者用強磁體的壹個磁極去摩擦它。

如果磁場足夠強,材料中會發生兩個變化過程。首先,與磁場方向壹致的磁疇,隨著相鄰磁疇的整齊排列,磁場變得更大;其次,那些與磁場方向不壹致的磁疇,轉向與磁場的方向壹致。這樣,大部分磁疇取向相同,磁疇排列整齊了,該材料也就成為壹塊磁體。

知道了制造磁體的方法,就可以明白為什麽壹個未被磁化的物體,如回形針等,能夠被磁體所吸引;回形針是由鋼制成的,也就是說其主要成分是鐵。磁體的磁場使回形針中的磁疇排列整齊,回形針也就成了壹個磁體。它的北極面向磁體的南極,彼此就產生了吸引力。同樣的道理,這個回形針也能吸引其他回形針。但是,若將磁體拿走,回形針中的磁疇又回到雜亂無章的排列狀態,這時,回形針就不再是磁體了。

制造回形針的普通鋼是很容易磁化的,但它們也容易失去磁性,由這樣的材料制成的磁體稱為非永久磁體。其他壹些類型的鋼較難磁化,但也容易保留磁陛,由這些材料制成的磁體稱為永磁體(permanentmagnet)。

正如回形針中磁疇的排列變得雜亂無章時,回形針會失去磁性壹樣,壹塊永磁體也有可能失去磁性。最簡單的方法是重重地摔或敲打磁體。磁體受到重擊時,它的磁疇排列就不再整齊。加熱也會使它的磁性消失,因為物體受熱時,其中的粒子會運動得更快、更雜亂,磁疇也就更難排列整齊。實際上,超過壹定的溫度,所有的材料都會失去磁性,這壹溫度隨材料的不同而不同。

掌握了磁疇的知識,妳們就能明白為什麽將壹塊磁體鋸成兩半之後,並不是兩半各剩壹個磁極了。在條形磁體中間,存在著許許多多磁疇的北極和南極,彼此相對排列,磁性互相抵消。

而在磁體兩端的磁疇磁極,它們並不面對相反的磁極,因此就產生很強的磁性。如果將磁體分割成兩半,其中的磁疇依然按同樣的方式排列著,因此,半塊磁體的兩端同樣分別有許多的磁疇南極和北極,構成很強的磁性。

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