|
|
本帖最后由 twq19810302 于 2023-4-22 13:24 编辑
8 \ y" B# t' N1 E9 U0 s& p G! ^
/ ]2 V4 l ^+ R: R要理解这个问题，就要搞懂电和磁是一体两面。6 b& c) x8 I [$ ]
8 P; R" Z2 e% N6 Q% v电和磁就像硬币的两面，磁能生电，电也能生磁，在物理学上这两者的关系非常紧密，因此才有了一个专用名词将它们联系在一起——电磁场。这也就是为什么发电机里面会有一大块磁铁的原因，当线圈切割磁场的时候，或者磁场切割线圈的时候就会产生电流。看动图一。* A% R+ D( }7 p: n: v; [
5 o. ?1 S; w) s 1 B+ X! e' n- s) n: d7 {. E; S
]图示：磁生电小实验
' H: m( j- N% {3 E
. f0 L5 v: ~: f, K当吸铁石进入或退出线圈时，产生感应电流。此时电流的能量当然来自于机械能的转化，但机械能必须经由磁铁才能转化，否则拿一根木条做同样的动作您得不到电流！反之当电流在线圈中运动时也就会产生磁性和磁场，比如下面的动图二。
+ y, N5 ]) N. w
& j& R) w5 w" \1 }9 O
( m1 u7 A4 t1 T图示：电生磁小实验 8 o# ]3 {0 P) H* n: j/ Y8 z. S
( e% p* F" h8 T
将导线缠绕到铁钉或者一块木头上，连上一个电池通电就会产生磁性，断电磁性消失。这是因为当电流通过螺旋型的线圈流动或运动时，就会产生出磁性。当然，这时候的磁性来自于电能，当电池放电完毕，磁性自然也就消失。如果要想自己做这个实验，记得最好连上一个小灯泡或电阻，否则可能造成电池短路，电池就会过热，甚至爆炸，必须小心！
7 y* R0 ^" X* D' @* e [$ ]9 L5 x8 A% s, o3 l4 Y8 H- l- w* Y; Q
- 明白了电生磁，磁生电，才能理解吸铁石的磁性到底来源于何处，以及它的能量从哪里来。% r* W- Y8 } I& S" c: e, u- c
) S/ D Z9 A2 z+ f) @ V- E |
$ M ^4 T" I5 n6 _' }$ O1 [
看下面这张图，这张图很长时间内都是科学的象征，表示人类搞懂了物质的核心秘密，物质是由原子构成，而原子又是由电子和原子核构成，原子核则由质子和中子构成。) i) E. d0 @' W! ~: W6 ^) S
# \, n; y; v& a( ]) f( @
 ( F+ e* o; E% Y1 X3 J, \
图示：原子模型
/ \) j( A7 N$ d4 N8 m6 F3 p0 `* o# e* b# {" S
在上面那个简单的原子模型中，电子绕着原子核运动，就像地球绕着太阳运动，但这是一种错误的简化，而磁性也并非是因为电子绕着原子核运动产生出来的，不要把它上面那个电磁铁中线圈中移动的电子与原子图进行简单类比，放那张图是要说明原子这个基本概念。下面这张图才是磁性的源泉，它源于电子的自旋！电子在自旋的时候，就会产生出磁性，这就是吸铁石磁性的真正源泉，只要电子的自旋不停止，那么吸铁石的磁性就不会真正消失！
% ~' |/ s4 n o: P+ I
i, v, d! B! J+ p( j7 T2 c
) ]( N( v! \- ?, g5 S图示：自旋的电子产生出磁性 , }" b" G3 z+ n: s U) p% i2 n8 z" F
4 h. h( p9 F% V4 w
至于电子自旋的能量从哪里来？那答案就是宇宙大爆炸了，电子自旋是电子的基本属性，这个属性真是老天爷给的呢。
2 _1 E2 l) [9 N7 |: C( D6 A# U. }' j2 ]* l
但是，我们还没有把这个问题完全说明白，还留下了两个缺陷，一个显著一个隐蔽。5 ^- @9 M1 A. g, W& @. A4 n
# _5 D# E8 K& }显著的缺陷是，为啥其它物质没有表现出磁性，甚至都不会被吸铁石吸引？8 D X* p+ R$ d! O) ~: _- ?# i/ X
/ e# M3 s7 Z" w+ D% s7 _隐蔽的缺陷是，吸铁石在加热后会丧失磁性，冷却后磁性又恢复这又是怎么回事？) d# w% z& @* z. w5 b& }; _
& @' C( ?) B; x
让我们一 一回答# D9 d4 P f b& y L: i4 O" T: b
, Q, Q9 E5 u2 c! S% L
- 为何大多数物质没有表现出磁性？# I. E2 i$ N5 ^1 ]$ r4 K
6 W" O% g6 E2 ^5 q1 h0 I* Y
( U' Q. A$ E+ Q- t D+ [
原子构成了大千世界中的万物，而它们含有大量电子，那么为何只有很少一些物质表现出了磁性呢？这是因为绝大多数原子中的电子都是成对存在，而按照量子力学中的泡利不相容原则，成对的电子必须自旋方向相反。
% \; A# R( ?3 ]. Z6 ^ * I1 C0 J; R6 r# w' L
图示：成对电子自旋方向相反 ; V, r! |2 i+ p
( t" n1 P6 D7 h* |2 W1 e, r
当电子的自旋方向相反时，成对电子产生的净磁性为零，因为它们的磁性也恰好相反，彼此完美抵消。这样的原子非但不会产生出磁性，也不会被磁性吸引！而铁为何会被外在磁场吸引，并且铁也很容易保留住磁性，成为磁铁，原因在于铁具有四个不成对的电子！这些不成对的电子会产生相互排列的净磁场，并将整个原子变成一个迷你磁铁。
4 n! r! G1 A8 M u7 `6 D1 A- M v2 h/ H, n% v& j5 X1 m
 ; @1 H# z, J9 h6 j: `& |
图示：常见三大可被磁性吸引的金属，铁钴镍。它们都具有未成对电子。 " k6 {* g3 n( j* F- h' l
- V& e. c% d% |5 z( u
每一个铁原子就是一个微小的磁铁，只不过这些微小的磁铁通常排列得乱七八糟，导致这些微小的磁铁彼此间的磁场全部抵消，所以普通的整块的铁，就没有磁性，直到它们被磁化！
" t/ a7 k+ t: C: E! ~
- a8 h/ n( b+ \# V* {
; A2 P2 U% `& S4 c6 o, V# r
, N) s* i$ J( }: `# ]) X$ t d1 I7 {9 J0 |- a
- 为什么吸铁石受热后会丧失磁性？# Q- b4 J$ `- t! M1 h
& s5 V L2 K0 m. y/ p6 E
- r6 o' E! F2 I& N& y' a
其实看到上图中铁是如何变得有磁性的就能猜到吸铁石为何受热后磁性会消失或下降，原因在于加热导致原子振动，这种振动破坏了原子的有序排列，让内部的微小磁铁彼此间的指向混乱，不在保持统一的方向，于是磁性就消失了，但如果受热时间不长，随着吸铁石的冷却，磁性又可以恢复，但如果过度受热，吸铁石的磁性也可以永久消失，直到再次被磁化。这个现象又被称为居里效应，消磁的温度又被称为居里温度，是的，就是著名的居里夫人的老公，皮埃尔·居里。
+ @ Y6 s/ X! x6 e& \- ~; g' {8 d& t5 j. T4 n8 {
 ; i* q/ b1 ^/ ?+ J
图示：磁铁受热丧失磁性，冷却又恢复磁性的循环。
6 B+ V& Q/ _6 j. ]: A0 L# h2 c: s8 m0 w) m2 g2 A' m8 `1 e7 u
9 R. ]2 h; h- ~: Z. ` t7 ]7 v3 \ |
|
发表于 2023-4-22 13:22:42
