磁現象是壹種自然現象,古今中外的人們都逐漸認識到了它的本質。
早在3000多年前,我國勞動人民就發現了磁鐵吸鐵的現象。到了戰國時期,人們已經知道,當壹塊天然磁鐵被磨成勺子的形狀,放在光滑的石板上,勺柄會自動指向南方。這是世界上最早的指南針,古人稱之為“司南”。
指南針是中國人引以為豪的四大發明之壹。有了指南針,才有了後來的大航海時代和西方工業文明、美洲大陸的發現。19世紀初,丹麥學者奧斯特第壹個觀察到電流對磁針的作用。1831年,英國科學家法拉第又發現了電磁感應定律。從此,磁學現象和磁性材料的研究和應用成為電工電子學中的壹個重要範疇。
電和電磁,但是,為什麽磁鐵能吸引鐵、鈷、鎳等金屬卻不能吸引銅、鋁呢?為什麽指南針能指向南方?這之間有什麽聯系嗎?
當磁鐵靠近釘子或鎳幣時,它會吸引它們。這種吸引力叫磁力,磁力的範圍叫磁場。能被磁鐵吸引的物體稱為“磁體”,它本身在壹定條件下也能變成磁鐵或具有磁性。
磁鐵吸收鐵的特性叫做磁性。如果我們用天然磁鐵沿固定方向摩擦鋼針多次,鋼針就能被磁化。這個過程叫做磁化。就像電池發電壹樣,磁力是由磁鐵產生的。因為磁力是從磁鐵兩端產生的,如果鐵屑散落在條形或馬蹄形的永磁體周圍,鐵屑會自動聚集在磁鐵兩端,但幾乎沒有鐵屑被吸引到磁鐵的其余部分。這種現象說明磁性最強的部分集中在磁鐵的兩端,我們稱之為磁極。在電池上,流出電流的壹端稱為正極,流入電流的另壹端稱為負極。而磁鐵的兩端,壹個叫北極,壹個叫南極。
他們有這兩個名字,也是科學的。用壹根線把磁鐵吊起來。這時候磁鐵的壹端總是有壹個導軌,壹端指向北方。指向北方的那壹端當然是北極,向導是南極。磁鐵指向南北正是因為地球本身是壹個大磁鐵。如果從磁鐵的角度來看,那麽北極附近有壹個S極,南極附近有壹個N極。因此,磁鐵的北極指向北方,南極指向南方。
在英語中,“North”表示北方,“South”表示南方,所以通常用N表示北極,用S表示南極。
用壹根細鐵絲把磁鐵吊起來,使它能自由轉動,但它總是停在壹個磁極導軌的方向上,另壹個磁極指向北方。通常,我們稱南極(或S極)和北極(或N極)。正如正負電荷具有同性相斥、異性相吸的性質壹樣,南極和北極之間也存在壹種相互作用力——磁力。
如果沒有導線連接電池兩端,就不會有電流通過,而磁力不需要導線,可以直接通過空間。而且,就像電的流動壹樣,它必須經過壹個循環(從N到S),永遠不會中途停止或斷開。磁性所走的路徑是不可見的,我們用磁力線來表示。磁力線是壹個抽象的概念,它本身不存在,但磁場是存在的。我們用磁力線的方向來表示磁場的方向,用磁力線的密度來表示磁場的強弱。磁力線越密,磁場越強。
磁場雖然看不見摸不著,但確實是客觀存在的物質。如果在磁鐵上方放壹個有機玻璃或塑料板並撒上鐵粉,然後輕輕晃動塑料板,我們會看到鐵粉呈圓形有規律的排列,這就是磁力線的分布,也就是磁場。
電極具有同性相斥,異性相吸的特性,磁極也是如此。當南極和北極接觸時,它們會互相排斥。但是磁鐵的南極和北極不需要接觸,只要靠近就會互相吸引。
磁力線喜歡走捷徑。如果壹塊鐵(磁性材料)放在它的路上,它不會繞大圈,而是穿過鐵塊。而且,盡量把鐵拉到自己身邊,盡量靠近,這就是“吸引”的作用。
迷路時如果想判斷方向,可以用指南針,其實是壹種很輕的磁鐵。因為指南針可以指引或指向北方,所以簡單地稱為“磁針”。因為地球的北極是S極,吸引指南針的N極,所以指南針的N極指向北方;同樣,地球的南極是北極,北極吸引指南針的南極,所以指南針的南極指向南方。地球和指南針的磁力線是壹樣的,但是方向相反。如果妳把指南針放在地球的南極或北極,妳應該把它豎起來。
當磁針放在其他磁鐵附近,也就是在磁場中,它的方向會改變,會旋轉。如果磁鐵的磁力弱,針的偏轉角就比較小,如果磁鐵的磁力強,針的偏轉角就會比較大。
傳說海裏有壹座神奇的小島,美人魚在島上唱歌迷惑過往的水手。任何聽到歌聲的人都會迷茫,等待他的只有沈船。但是,據說海裏真的有這樣壹個島,任何靠近它的船只都會莫名其妙地以很快的速度向它駛去,撞在岸邊陡峭的巖石上。
後來,當壹艘船即將犯同樣的錯誤時,船長果斷下令棄船,讓船員們在壹艘小船上生存下來。據幸存者說,當時船上所有的羅盤都失靈了,船失去了控制,絕望地撞上了島的懸崖。
當然,這個島上根本沒有美人魚,但是有更致命的東西:磁場。原來這個島富含磁性礦物,所以整個島就變成了壹塊大磁鐵。鐵甲船壹旦靠近它,必然會被它吸走,而羅盤,也就是指南針,在強磁場的幹擾下當然會失效。
磁力和磁場
我們說過,磁場的強度是用磁力線來表示的。如果兩根磁棒串聯放置,通過單位截面積的磁力線數量不會改變;平行放置時,通過單位截面積的磁力線數量增加,即磁力線變得更密集。如果數量不變,磁場強度也不變;隨著數量的增加,磁場也增加。但並置時,兩根磁棒必須壓緊,否則無法加強。
當鐵塊或鋼塊放在U形磁鐵的兩極時,它們就會被磁化,從而吸起鐵屑。當磁極下端取出鐵塊或鋼塊時,仍會有許多鐵屑被吸在鋼塊上,鐵塊上的鐵屑幾乎全部脫落。
磁化停止後,保留在鋼塊上的磁性稱為剩磁。鐵塊的剩磁較少,而鋼塊的剩磁較多。
如果將兩塊強度不同的磁鐵並列在壹起,強磁鐵的磁力線會強行穿過弱磁鐵,這樣弱磁鐵的磁力線就會被抵消。本來是同桿並列的。這樣,當它們離開時,弱磁體的S極和N極相互交換位置,原來的S極變成N極,原來的N極變成S極。
在強磁體的作用下,小磁體在體內的方位發生了變化,所以就像剛才說的,改變了原來磁力線的方向。
教妳壹個用磁鐵吸引釘子或者回形針之類的小東西的遊戲吧?請為下面的實驗準備壹些物品。去店裏買3 ~ 5塊鐵氧體磁鐵和10米長0.4毫米直徑的漆包線。購買磁鐵時,應選擇表面光滑的。當它們串聯在壹起時,可以牢固地相互吸引。這種磁體可以用作磁棒。
小指甲用磁鐵吸上去後,小指甲也變成了磁鐵。當然,與磁鐵相比,它們的磁力很弱。雖然弱,但也有磁性。如果妳用壹個小釘子靠近它附近的其他釘子,它會被壹個個吸起來,掛成壹串,非常有趣。
無論鐵是什麽形狀,都含有磁鐵的“成分”。這個構圖是什麽我們後面再討論,暫時可以把它們看成微小的磁鐵。通常它們是無序排列的,所以不會表現出磁性。如果把鐵放在磁場中,小磁鐵排列整齊有序,就能顯示出磁性。
為什麽磁鐵只吸引鐵、鈷、鎳等金屬?
其實這個問題是不恰當的,因為實驗表明,任何物質在磁場中都可以或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同而已。當壹種物質被磁化時,它就成為壹塊磁鐵,同電荷相斥,異性電荷相吸。銅、鋁等金屬也可以有磁性,但磁化很弱,磁力很弱,基本看不見。
像鐵、鈷和鎳這樣能被強烈磁化的物質被稱為鐵磁材料。鋼和摻有鈷、鎳等金屬的合金,磁化後能長時間保持磁性,人們稱之為永磁體。永磁體用在很多電器設備中,比如直流電流表、電度表、揚聲器、耳機等。
磁化的鐵磁物質,它們的磁性並沒有因為外磁場的消失而完全消失,還有部分磁性殘留,這種物質稱為剩磁磁性物質。按剩磁可分為軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料剩磁弱,容易退磁。硬磁材料剩磁強,不易退磁,適合制作永磁體。它用於磁電儀器,揚聲器,麥克風,水磁電機和其他電器設備。
還有壹種磁性材料叫鐵氧體,由氧化物線和二價金屬(如Ni、Co、Mn、Mg等)的氧化物組成。).它在電學性質上類似於半導體,在磁學上類似於鐵磁性材料。鐵氧體已經成為電子技術中不可缺少的磁性材料。鐵氧體在電子計算機中用作存儲元件,在電子電路中用作電感線圈的核心。
壹塊永久磁鐵,不管切成多少塊,每壹塊都是磁鐵,都有自己獨立的南極和北極。這確實是壹個有趣的現象。
許多電氣設備,如電動機、蜂鳴器和揚聲器,都是靠磁力工作的。畢竟兩種磁極兩種電荷還是不壹樣的。比如正電荷和負電荷可以分開,但是不可能得到分開存在的南極和北極。即使壹個條形磁鐵被分成許多段,每段總是有兩個相反的磁極,南極和北極。