磁鐵知識-了解物質(zhì)磁性的本質(zhì)與來(lái)源

為什么有些物質(zhì)是磁性的？為什么它們會(huì )被磁化？為什么吸鐵石能吸引鋼？為什么指南針會(huì )自動(dòng)指示方向？由于物質(zhì)的磁性既看不見(jiàn)也摸不著(zhù)，我們不能直接體驗到五種感官（聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)）中磁性的存在，也不能輕易回答上述問(wèn)題。因此，磁性的本質(zhì)和來(lái)源被一些神秘的色彩所掩蓋。

常見(jiàn)磁現象：

事實(shí)上，除了上述磁鐵的特性外，磁性物質(zhì)還有許多特性，如：

磁鐵總是有兩個(gè)磁極，一個(gè)是N極，另一個(gè)是S極。如果一塊磁鐵從中間鋸開(kāi)，它就會(huì )變成兩塊磁鐵，每個(gè)磁鐵都有一對磁極。無(wú)論磁鐵分割多小，它總是有N極和S極，也就是說(shuō)，N極和S極總是成對出現，不能讓磁鐵只有N極或S極。

磁極之間有相互作用，即同性相互排斥，異性相互吸引。也就是說(shuō)，當N極和S極靠近時(shí)，它們會(huì )互相吸引，當N極和N極靠近時(shí)，它們會(huì )互相排斥。知道了這一點(diǎn)，我們就明白了為什么指南針會(huì )自動(dòng)指示方向。原來(lái)地球是一塊巨大的磁鐵，它的N極靠近地理的南極，S極靠近地理的北極。這樣，如果用細線(xiàn)從中間懸掛一塊長(cháng)磁鐵，讓它自由旋轉，那么磁鐵的N極就會(huì )與地球的S極相互吸引，磁鐵的S極和地球的N極相互吸引，使磁鐵的方向旋轉，直到磁鐵的N極和S極分別指向地球的S極和N極。此時(shí)，磁鐵的N極指示地理北極附近的方向。

在原子中，核外電子具有負電荷，是一種帶電粒子。電子自轉會(huì )使電子本身具有磁性，成為具有N極和S極的小磁鐵。換句話(huà)說(shuō)，電子就像許多小磁鐵繞著(zhù)原子核旋轉。這種情況實(shí)際上類(lèi)似于電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

由于電子自轉會(huì )使其成為小磁鐵，原子甚至整個(gè)物體自然會(huì )成為磁鐵嗎？當然不是。如果是這樣，不是所有的物質(zhì)都是磁性的嗎？為什么只有少數物質(zhì)（如鐵、鈷、鎳等）具有磁性？原來(lái)，電子自轉有兩個(gè)方向。在一些數字物質(zhì)中，向上自轉和向下自轉的電子數量相同。如右上圖所示，它們產(chǎn)生的磁極會(huì )相互抵消，整個(gè)原子，使整個(gè)物體對外沒(méi)有磁性。在大多數自轉方向不同的電子數量不同的情況下，雖然這些電子的磁矩不能相互抵消，但整個(gè)原子有一定的總磁矩。但這些原子磁矩之間沒(méi)有相互作用，排列混亂，因此整個(gè)物體沒(méi)有強磁性。

只有少數物質(zhì)（如鐵、鈷、鎳），其原子內部的電子在不同的旋轉方向上有不同的數量。因此，在旋轉相反的電子磁極相互抵消后，剩余的電子磁矩沒(méi)有被抵消，如右下圖所示。這樣，整個(gè)原子就有了總磁矩。同時(shí)，由于一種被稱(chēng)為“交換功能”的機制，這些原子磁矩排列整齊，整個(gè)物體具有磁性。當剩余的電子數量不同時(shí)，物體顯示的磁性強度也不同。例如，鐵原子中沒(méi)有抵消的電子磁極數最多，原子的總剩余磁性最強。鎳原子中沒(méi)有抵消的電子數量很少，所有的磁性都相對較弱。

幾個(gè)基本概念：

如何表示物質(zhì)磁性的強度？為什么吸鐵石不接觸鋼鐵就能吸引它？

在紙板下放兩塊磁鐵，讓它們的S極相對。在紙板上撒一些細鐵粉?？纯磿?huì )發(fā)生什么？鐵的粉末會(huì )自動(dòng)排列，形成一串曲線(xiàn)。其中，N極和S極之間的曲線(xiàn)是連續的，也就是說(shuō)，曲線(xiàn)從N極到S極。S極和S極之間的曲線(xiàn)相互排斥，不能集成和貫穿。這種現象表明磁極之間存在一定的聯(lián)系。因此，我們可以想象磁極之間有一條曲線(xiàn)，代表著(zhù)磁極之間的相互作用。這種假設曲線(xiàn)稱(chēng)為磁力線(xiàn)，規定磁力線(xiàn)從N極開(kāi)始，最終進(jìn)入S極。這樣，只要有磁極，就會(huì )不斷向空間發(fā)出磁力線(xiàn)，離磁極近的地方磁力線(xiàn)密集，遠處磁力線(xiàn)稀疏。上圖中鐵粉末的排列形狀是磁力線(xiàn)的方向。

有了磁力線(xiàn)，我們可以很容易地描述磁鐵之間的相互作用。但我們必須明白，磁力線(xiàn)是我們?yōu)榱死斫夥奖愣僭O的，但實(shí)際上并不存在。磁極周?chē)目臻g真正存在的不是磁力線(xiàn)，而是一個(gè)場(chǎng)，我們稱(chēng)之為磁場(chǎng)。磁性物質(zhì)的相互吸引力是通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行的。我們知道物質(zhì)之間有引力，這是一個(gè)引力場(chǎng)。磁場(chǎng)與之相似，是一個(gè)充滿(mǎn)磁極周?chē)臻g的場(chǎng)。磁場(chǎng)的強度可以用假設磁力線(xiàn)的數量來(lái)表示，磁力線(xiàn)密度強的地方磁場(chǎng)強，磁力線(xiàn)疏的地方磁場(chǎng)弱。單位截面上通過(guò)的磁力線(xiàn)數稱(chēng)為磁通量密度。

有了磁場(chǎng)的概念，我們可以深入了解一些磁現象。例如，所有指南針都可以指示方向，實(shí)際上是因為指南針在地球磁場(chǎng)中，地球的N極和S極分別吸引指南針的S極和N極，直到指南針的N極指向地球的S極（北極），直到指南針的S極指向地球的N極（南極）。在圖中，H表示地球的磁場(chǎng)，綠線(xiàn)的箭頭表示磁場(chǎng)的方向從N極指向S極。另一個(gè)例子是，如果指南針與金屬導線(xiàn)平行放置，然后在導線(xiàn)中通電，導線(xiàn)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將與指南針的磁場(chǎng)相互作用，使指南針旋轉，直到它垂直于導線(xiàn)。