探索磁的性质

探索磁的性质

想象一下乘坐一列不接触地面滑行的列车飞驶的情景，你感觉不到来自铁轨的振动，听不到车轮碰撞发出的噪声，在列车以每小时400千米的速度直奔旅程的终点时，你只要舒坦地坐着就可以了。

这是在梦中吗？不，这不是梦！虽然你很可能没有乘过这样的列车，但这种悬浮在空中几厘米高度的高速列车在一些国家已正式进入商业运行，它被称为磁悬浮列车。是什么使得车厢悬浮起来的呢？信不信由你，一是磁体使它们浮起来的。

说到磁体，你可能会想起家中电冰箱上用来夹纸条的那个小磁体。其实，我们所熟悉的许多设备，如门铃、电视机和计算机中都有磁体。

现代生活和生产中应用磁体的地方很多，但磁体并不是新玩艺。早在2000多年前，居住在马格尼西亚地区（希腊境内）的人们就发现了一种不寻常的岩石。这种岩石含有磁铁矿石，能吸引含铁的物质。磁铁矿石和磁体这两个英文名词都来自于马格尼西亚这一地名。磁性（magnetism）是指磁体能吸引其他物体的性质。

大约在2000多年前，中国人发现了磁体的另一种有趣的性质。那就是如果把一块磁石琢磨成匙状，让它能在水平面上自由地转动，磁石的某一个部位（匙柄）总是指向南方，匙的另一端指向北极星的方向。由于这个缘故，磁石也被称为北极石。

你所熟悉的一些磁体并不是天然的，而是人工制造的，它们跟天然磁石具有相同的性质。任何磁体，不管其形状如何，都有两个端点，即两个磁极。所谓磁极（magneticpole）是指磁体上磁性最强的部位。正像一块磁铁矿的一端总是指向北极星那样，人造磁体的一个磁极也总是指北，科学家将这一极称为磁体的北极，磁体的另一极称为南极。两个北极或两个南极叫做同名磁极；一个北极和一个南极叫做异名磁极。

当你将两块磁体彼此靠近时会发生什么现象呢？如果你将两个北极靠近，磁体就会彼此推开；如果将两个南极彼此靠近，情况也一样。但是，如果你用一块磁体的北极去靠近另一块磁体南极，那么两块磁体就会彼此吸引。同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。

磁体之间的吸引力或排斥力就是磁力。能产生磁力的任何物体都是磁体。

前面描述过的磁悬浮列车，就是依据同名磁极相互排斥的原理制成的。列车底部的磁体和地面导轨的磁体极性相同。同名磁极相互排斥，列车厢体便悬浮起来。其他磁体则推的推、拉的拉，牵引列车向前奔驰。

如果将一块条形磁体从中间锯断，分成两块，想一想，会发生什么现象？会不会一块是北极，另一块是南极？不会的。你得到的是两块磁体，并不是两个磁极。这两抉小磁体，都有自己的北极和南极。如果将这两块磁体再一分为二，就会得到四块磁体。

在磁体上，磁极的磁力最强，但磁力并不局限在磁极，磁体的周围都存在着磁力的作用。磁体周围有磁力作用的区域称为磁体的磁场（magneticfield）。磁场的存在，使磁体间不通过接触便发生相互作用。

磁感线从一个磁极出发，围着磁体沿曲线前行，最后返回到另一磁极。磁感线从一个磁极到另一个磁极形成一条封闭的回路，磁感线之间永不相交。

两个或多个磁体的磁场相互叠加，就会形成一个合磁场。两块条形磁体的磁极彼此靠近时所产生的磁场就会形成合磁场。

如果你将一块木头、玻璃或塑料片靠近一堆回形针，会怎么样？没有怎么样，这些材料对回形针不起任何作用。但是你若将一块条形磁体靠近这堆回形针时，回形针就会被吸附在磁体上。为什么有些材料会产生很强的磁性，而另一些就没有呢？

材料的磁性取决于这种材料的原子结构。所有的物质都是由原子构成的，原子（atom）是化学元素的最小单位。目前已发现的化学元素（element）有100多种，它们组成了自然界中的所有物质。

原子的中心是原子核（nucleus），原子核中包含质子（proton）和中子，质子带一个正电荷。在原子核外的轨道上绕原子核运动的是电子（electron），它带有一个负电荷。当电子绕原子核运动时，自身也在做自旋运动。运动的电子会产生磁场，正是原子中电子的自旋运动和轨道运动，使得每一个原子都相当于一个微小的磁体。

在绝大多数的材料中，原子磁场的指向是杂乱无章的，结果使得各个磁场几乎被完全抵消了。所以，绝大多数材料的磁性是很微弱的，通常无法检测到。

而在某些材料中，各个原子的电子自旋产生的磁场彼此排列得很整齐。几十亿个原子组成一个集团，其中所有的原子产生的磁场，都排列整齐，这样的集团我们称它为磁畴（magneticdomain）。磁畴作为一个整体，它的作用就像一块很小的条形磁体。

在材料未被磁化时，磁畴的指向是杂乱无章的，一些磁畴产生的磁场和其他一些磁畴产生的磁场彼此抵消，这时材料不显磁性。材料被磁化后，其中所有的磁畴（或绝大部分磁畴）都沿相同的方向排列。或者说，磁畴排列整齐了。

如果某种材料内部形成了磁畴，该材料就可能成为较强的磁体。如果一种材料能显示出极强的磁性效应，我们就称它为铁磁材料（ferromagneticmaterial）。铁磁性一词来自于拉丁文Ferrum，原意是“铁”。铁、镍和钴是我们所熟悉的铁磁性材料，另外还有像元素钫和钕等都可以做成极强磁性的磁体。还有一些强磁体是用合金制成的。

我们知道，磁铁矿存在于自然界中。但我们日常所使用的磁体一般都是人造的。磁体可以用铁磁性材料来制造，方法就是将未被磁化的铁磁材料放在强磁场中或者用强磁体的一个磁极去摩擦它。

如果磁场足够强，材料中会发生两个变化过程。首先，与磁场方向一致的磁畴，随着相邻磁畴的整齐排列，磁场变得更大；其次，那些与磁场方向不一致的磁畴，转向与磁场的方向一致。这样，大部分磁畴取向相同，磁畴排列整齐了，该材料也就成为一块磁体。

知道了制造磁体的方法，就可以明白为什么一个未被磁化的物体，如回形针等，能够被磁体所吸引。回形针是由钢制成的，也就是说其主要成分是铁。磁体的磁场使回形针中的磁畴排列整齐，回形针也就成了一个磁体。它的北极面向磁体的南极，彼此就产生了吸引力。同样的道理，这个回形针也能吸引其他回形针。但是，若将磁体拿走，回形针中的磁畴又回到杂乱无章的排列状态，这时，回形针就不再是磁体了。

制造回形针的普通钢是很容易磁化的，但它们也容易失去磁性，由这样的材料制成的磁体称为非永久磁体。其他一些类型的钢较难磁化，但也容易保留磁性，由这些材料制成的磁体称为永磁体（permanentmagnet）。

正如回形针中磁畴的排列变得杂乱无章时，回形针会失去磁性一样，一块永磁体也有可能失去磁性。最简单的方法是重重地摔或敲打磁体。磁体受到重击时，它的磁畴排列就不再整齐。加热也会使它的磁性消失，因为物体受热时，其中的粒子会运动得更快、更杂乱，磁畴也就更难排列整齐。实际上，超过一定的温度，所有的材料都会失去磁性，这一温度随材料的不同而不同。

掌握了磁畴的知识，你们就能明白为什么将一块磁体锯成两半之后，并不是两半各剩一个磁极了。在条形磁体中间，存在着许许多多磁畴的北极和南极，彼此相对排列，磁性互相抵消。

而在磁体两端的磁畴磁极，它们并不面对相反的磁极，因此就产生很强的磁性。如果将磁体分割成两半，其中的磁畴依然按同样的方式排列着，因此，半块磁体的两端同样分别有许多的磁畴南极和北极，构成很强的磁性。