什么是磁铁、磁力和磁场?

2023-06-04 综合 34阅读

磁铁

磁现象是一种自然现象,古今中外的人们都是逐渐认识其性质的。

早在3000多年前,我国劳动人民就发现了磁石吸铁的现象。到战国时期,人们已经知道把天然磁石磨成勺子的形状,放在光滑的石板上,勺子把就会自动指向南方。这就是世界上最早的指南针,古人将其称为“司南”。

指南针是中国人引以为荣的四大发明之一。有了指南针,才有了后来的大航海时代,才有了西方工业文明和美洲大陆的发现。19世纪初,丹麦学者奥斯特第一个观察到了电流对磁针的作用。1831年,英国科学家法拉第又发现了电磁感应的规律。从此,磁现象和磁性材料的研究与应用,成了电工学和电子学中的一个重要范畴。

电和电磁可是,磁铁为什么能吸引铁、钴、镍等金属而对于铜、铝等金属就不起作用呢?指南针又为什么能指向南方?这其中有什么联系吗?

磁铁靠近铁钉或镍币时,会把它们吸住,这种吸引力就叫磁力,磁力作用的范围叫做卜岁磁场。能够被磁铁吸住的物体叫做“磁性体”,它本身在特定条件下也可以变成磁铁或具有磁性。

磁石吸铁的性质叫做磁性。如果我们用一块天然磁石沿一固定的方向,多次地摩擦一根钢针,就能使钢针带上磁性,这个过程叫做磁化。就像电池生电一样,磁力也是磁铁产生的。由于磁力是从磁铁的两端产生出来的,如果把铁屑撒在条形或马蹄形永久磁铁的周围,铁屑就公自动集结在磁铁的两端,而在磁铁的其余部位,却几乎看不到有铁屑被吸引上去。这个现象说明,磁性最强的部位,集中在磁铁的两端,我们把这两端称为磁极。在电池上,把流出电流的一端叫正极,进入的一端叫负极。而磁铁的两端,一头叫北极,另一头叫南极。

它们有了这两个名字,也是具有科学道理的。用线把磁铁悬吊起来,这时,磁铁总有一端指南,一端指北,指北的一端当然是北极,那指南的,就是南极了。磁铁之所以有南北指向,正因为地球本身是个大磁铁。如果从磁铁的角度看,那么地球的北极附近是S极,南极附近是N极。所以,磁铁的N极指向北,S极指向南。

在英语里,“North”这个词表示北方,“South”这个词表示南方,所以通常用N表示北极,用S表示南极。

用一根细线把磁铁悬挂起来,使它能自由地旋转,但它最后总是沿着一个磁极指南、另一个磁极指北的方向静止下来。通常我们把指向南方的磁极叫做南极(或S极),指向北方的叫北极(或N极)。就像正、负两种电荷间具有同性相斥、异性相吸的性质那样,在南、北两个磁极之间也存在着相互作用的力——磁力。

如果没有导线把电池的两端连起来,是不会有电流通过的,而磁力不需要导线,它可以直接穿过空间。而且,和电的流动相同,它也一定要走过一圈(从N到S),决不中途停顿或断开。磁走过的路线是看不见的,我们用磁力线来表示。磁力线是一个抽象出来的概念,它本身并不存在,但磁场是存在的,我们用磁力线的方向来表示磁场的方向,用磁力线的疏密来表示磁场的强弱,磁力线越密,表示磁场越强。

虽然磁场看不见摸不着,但它确实是客观存在的一种物质。如果在磁铁的上方放一块有机玻璃板或塑料板并撒上铁粉,然后轻轻弹振塑料板,我们会看到,铁粉有规则地排列成一圈一圈的形状,这就是磁力线的分布情况,也就是磁场的情况。

电极具有同性相斥、异性相吸的特性,磁极也一样,南极与南极、北极与北极接触时会相互排斥,可是磁铁的南极与北极不用接触,只要一接近,就会相互吸引。

磁力线喜欢走捷径,在它经过的途中,如放一块铁(磁性材料),它就不绕大圈子,而是穿过铁块。而且,尽力把铁块拉到自己身边,离得越近越好,这就是“吸引”作用。

如果迷路时要想判断方位,就可以使用指南针,它其实就是个很轻的磁铁。因为指南针既可以指南,也可以指北,就简单地叫它“磁针”。由于地球的北极是S极,它要吸引指南针的N极,所以,指南针的N极指向北方;同理,地球的南极是N极,它要吸引指南针的S极,所以指南针的S极指向南方。地球和指南针的磁力线是一致的,但方向相反。如果把指南针放在地球的南极或北极,就应该把指南针立起来放置。

当磁针放在其他磁铁附近,也就是磁场内时,它的方向就会改变,从而发生旋转。如果磁铁的磁力较弱,磁针偏转角就比较小,如果磁铁磁力较强,磁针偏转角就会枣桐比较大。

传说大海中有一座神奇的岛屿,美人鱼在岛上唱歌迷惑过往的水手。谁要是听到歌唱,一定会被迷惑,等待他的只能是船毁人亡。可是,据说大海中真的就有这么一座岛,任何靠近它的船只都会莫名其妙地以型岩睁飞快的速度向它驶去,粉碎在岸边陡峭的礁石上。

后来有一艘船在即将重蹈覆辙的时候,船长果断地下令弃船,船员们才得以坐着小艇生还。据生还者讲,当时船上所有的罗盘都失灵了,而船也失去了控制,不顾一切地撞向小岛的悬崖。

当然,这座岛上根本没有什么美人鱼,不过,却有另一样更致命的东西:磁场。原来岛上富含磁性矿物质,因此整座岛变成了一个大磁铁,铁壳的船只一旦靠近它,难免会被它吸过去,而罗盘——也就是指南针,当然也会在强磁场的干扰下失灵。

磁力和磁场

我们说过,磁场的强弱,用磁力线表示。如果将两根磁棒串联放置时,穿过单位横截面积的磁力线数目不会改变;并联放置时,穿过单位横截面积的磁力线数目增多,也就是磁力线变密了。数目不变的,磁场的强度不变;数目增多的,磁场增强。不过,并置时必须把两根磁棒压紧,否则不会增强。

把铁块或钢块置于“U”形磁铁的两极,则铁块和钢块将被磁化,它会吸起铁屑,当把铁块和钢块由磁极下端移开时,则仍有许多铁屑被吸在钢块上,而铁块上的铁屑几乎全部脱落。

磁化停止后,钢块上所保留的磁性叫做剩磁,铁块的剩磁少,钢块的剩磁多。

如果把两块强弱不同的磁铁并置在一起,强磁铁的磁力线将强行通过弱磁铁,使弱磁铁的磁力线被抵消。本来,它们是同极并置在一起的。这样一来,当它们离开时,弱磁铁的S极与N极就互相调换了位置,原来的S极变成N极,原来的N极变成S极。

弱磁铁在强磁铁的作用下,体内小磁体的取向就改变了,所以像刚才说的,它就改变了原来磁力线的方向。

这里教大家一个用磁铁吸引铁钉或曲别针之类的小东西的游戏吧?请准备一些这样的物品做下面的实验。到商店买3~5块铁氧体材料的磁铁和10米长、0.4毫米直径的漆包线。买磁铁时要挑表面平整光滑些的,当把它们串置在一起时,能互相吸得牢固,这样的磁铁可当磁棒使用。

用磁铁把小铁钉吸上来以后,小铁钉也变成磁铁了。当然,比起磁铁来,它们的磁力是很微弱的。虽然弱,也具有了磁性。如果用小铁钉靠近它附近的其他铁钉时,就会一个连一个地吸上来,吊成一串,十分有趣。

不论什么形状的铁,它里面都有磁铁的“成分”,这成分究竟是什么,稍后我们再探讨,可以把它们暂且看成是一个个微型的小磁体。平时它们是杂乱无章地排列的,所以显示不出磁性。假如把铁放到磁场内,小磁体们整齐一顺地排列起来,于是,磁性就能够显示出来了。

为什么磁铁只吸引铁、钴、镍等金属呢?

事实上,这个问题是有不恰当之处的,因为实验表明,任何物质在磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同。物质被磁化以后,就成为一个磁体,与磁化它的磁铁间发生同性相斥异性相吸的作用。像铜、铝这些金属也可具有磁性,只是磁化非常弱,受到的磁力也就很弱,基本看不出来。

像铁、钴、镍那样能够被强烈磁化的物质,叫做铁磁性材料。钢以及掺有钴、镍等金属的合金,经过磁化以后,能长久地保持磁性,人们称它们为永久磁铁。常用的直流电流表、电度表、扬声器、耳机等许多电气设备中,都要用到永久磁铁。

磁化后的铁磁性物质,它们的磁性并不因外磁场的消失而完全消失,仍然剩余一部分磁性,叫做剩磁铁磁性物质。按剩磁的情形分为软磁性材料和硬磁性材料。软磁性材料的剩磁弱,而且容易退磁。硬磁性材料的剩磁强,而且不易退磁,适合于制成永久磁铁。应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、水磁电机等电器设备中。

还有一种磁性材料,叫做铁氧体,它是由氧化线和二价金属(如Ni、Co、Mn、Mg等)的氧化物组成的,在电性能上与半导体相似,在磁性上与铁磁性材料相似。铁氧体在电子技术中已经成为不可缺少的磁性材料,在电子计算机中利用铁氧体做记忆元件,在电子线路中广泛利用铁氧体做电感线圈的磁心。

一块永久磁铁,不论把它切成多少块,每一小块都是磁铁,都有自己独立的南极和北极,的确是一个有趣的现象。

很多电气设备,如电动机、蜂鸣器、扬声器等,就是利用磁力进行工作的。两种磁极与两种电荷毕竟还是不同的。比如,正电荷与负电荷是可以分离的,但是想要得到单独存在的南极和北极却是不可能的。即使把一根条形磁铁分成许多段,每一段也总还是有南、北两个相反的磁极。

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