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为什么会有磁性?磁性的来源是怎样的

为什么会有磁性?磁性的来源是怎样的 为什么有些物质具有磁性?为什么它们可以被磁化?为什么吸铁石能吸引钢铁?为什么指南针会自动地指示方向?由于物质的磁性既看不到,也摸不着,我...
为什么会有磁性?磁性的来源是怎样的

为什么有些物质具有磁性?为什么它们可以被磁化?为什么吸铁石能吸引钢铁?为什么指南针会自动地指示方向?由于物质的磁性既看不到,也摸不着,我们无法自己的五种感官(听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉)直接体会磁性的存在,也不能很容易地回答上面的问题。所以磁性的本质和来源也就被多少蒙上了一些神秘色彩。
常见的磁现象:

    实际上,除了上面提到的磁铁的特征以外,磁性物质还有很多特点,例如:

    磁铁总有两个磁极,一个是N极,另一个是S极。一块磁铁,如果从中间锯开,它就变成了两块磁铁,它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小,它总是有N极和S极,也就是说N极和S极总是成对出现,无法让一块磁铁只有N极或只有S极。

    磁极之间有相互作用,即同性相斥、异性相吸。也就是说,N极和S极靠近时回相互吸引,而N极和N极靠近时回互相排斥。知道了这一点,我们就明白了为什么指南针会自动指示方向。原来,地球就是一块巨大的磁铁,它的N极在地理的南极附近,而S极在地理的北极附近。这样,如果把一块长条形的磁铁用细线从中间悬挂起来,让它自由转动,那么,磁铁的N极就会和地球的S极互相吸引,磁铁的S极和地球的N极互相吸引,使得磁铁方向转动,直到磁铁的N极和S极分别指向地球的S极和N极为止。这时,磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近。


磁性的来源:

    现代科学表明,物质的磁性来源于物质原子中的电子。我们知道,物质是由原子组成的,而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成的。原子核好象太阳,而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外,电子除了绕着原子核公转以外,自己还有自转(叫做自旋),跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的“太阳系”。另外,如果一个原子的核外电子数量多,那么电子会分层,每一层有不同数量的电子。第一层为1s,第二层有两个亚层2s和2p,第三层有三个亚层3s、3p和3d,依此类推。如果不分层,这么多的电子混乱地绕原子核公转,是不是要撞到一起呢?

    在原子中,核外电子带有负电荷,是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性,成为一个小小的磁铁,具有N极和S极。也就是说,电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况。

    既然电子的自转会使它成为小磁铁,那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢?当然不是。如果是的话,岂不是所有的物质都有磁性了?为什么只有少数物质(象铁、钴、镍等)才具有磁性呢?原来,电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中,具有向上自转和向下自转的电子数目一样多,如右面的上图所示,它们产生的磁极会互相抵消,整个原子,以至于整个物体对外没有磁性。而低于大多数自转方向不同的电子数目不同的情况来说,虽然这些电子所磁矩不能相互抵消,导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之间没有相互作用,它们是混乱排列的,所以整个物体没有强磁性。

    只有少数物质(例如铁、钴、镍),它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样,这样,在自转相反的电子磁极互相抵消以后,还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消,如右面下图所示。这样,整个原子具有总的磁矩。同时,由于一种被称为“交换作用”的机理,这些原子磁矩之间被整齐地排列起来,整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时,物体显示的磁性强弱也不同。例如,铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多,原子的总剩余磁性最强。而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少,所有它的磁性比较弱。

几个基本概念:

    怎样表示物质磁性的强弱呢?为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它?

    在一块硬纸板的下面放两块磁铁,并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象?铁的粉末会自动排列起来,形成一串串曲线的样子。其中,N极和S极之间的曲线是连续的,也就是说曲线从N极直至S极。而S极和S极之间的曲线互相排斥,不能融合和贯穿。这种现象说明,磁铁的磁极之间存在某种联系。因此,我们可以假想,在磁极之间存在着一种曲线,它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线,并规定磁力线从N极出发,最终进入S极。这样,只要有磁极存在,它就向空间不断地发出磁力线,而且离磁极近的地方磁力线密,而远处磁力线稀疏。上图中铁粉末的排列形状就是磁力线的走向。

    有了磁力线,我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白,磁力线是我们为了理解方便而假想的,实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线,而是一种场,我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。我们知道,物质之间存在万有引力,它是一种引力场。磁场与之类似,是一种布满磁极周围空间的场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示,磁力线密的地方磁场强,磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。

   有了磁场的概念,我们便可以深入理解一些磁现象。例如,指南针之所有能够指示方向,实际上是由于指南针处于地球磁场中,地球的N极和S极分别对指南针的S极和N极的吸引力使得指南针转动,直至指南针的N极正好指向地球的S极(北极),指南针的S极指向地球的N极(南极)为止。在图中,H表示地球的磁场,绿线的箭头表示磁场的方向由N极指向S极。又如,如果把一个指南针和一根金属导线平行放置,再向导线内通电,那么,导线电流产生的磁场就会和指南针的磁场发生相互作用,使得指南针转动,直到它和导线垂直为止。


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