书城科普读物探究式科普丛书-心心相应的磁
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第2章 神奇力量——磁(2)

之后,安培发现的载流导体间的相互作用,仅在奥斯特发现电流磁效应后的第七天。新的发现的浪潮冲击着整个欧洲。法拉第在新的发现面前,又重做了已有的实验,并提出新的研究课题──既然电可以产生磁,为什么磁不可以产生电呢?于是,他开始了磁生电的研究。

经过10年的艰苦努力,在大量实验的基础上,他终于发现了电磁感应现象以及其所遵循的规律。

电磁感应现象的发现是具有划时代意义的。法拉第把电与磁长期分立的两种现象最后联结在一起,揭露出电与磁本质的联系,并找到了机械能与电能之间的转化方法。这样,在理论上,为建立电磁场的理论体系打下了基础;在实践上,开创了电气化时代的新纪元。

法拉第发现电磁感应现象之后,对法国科学家阿拉果所做的被称之为“神秘”的实验进行了解释,即悬挂着的磁体下方放一个可自由转动的圆铜盘,当盘转动时,磁体会转动;反之,磁体转动时铜盘也会转动。法拉第提出磁感线(磁力线)的概念,并第一次绘制了磁感线图。他认为磁感线是代表实在的物质实体;每根磁感线都对应一对磁极。

后来又把有磁感线的空间称为“场”。麦克斯韦是英国着名的物理学家,他发展了法拉第的“力线─场”的思想,并把它数学化,提出了描述电磁场运动规律的方程组,并预言了电磁波的存在。

德国物理学家赫兹通过实验,令人信服地证明了电磁波的存在。这不仅验证了麦克斯韦电磁场理论的正确性,也为无线电技术的建立与发展奠定了基础。

1905年,爱因斯坦建立了狭义相对论,第一次把两种自然力——电力与磁力——统一起来。近代,随着电子计算机的发明,新的磁性材料不断涌现出来。人类的科学技术及物质生产活动与电与磁已密不可分,但对磁的探索还是永无止境。随着新的磁现象的发现,磁的更深刻本质的揭露,为磁的广泛应用开辟了一个新的局面。

6.万宗归一——磁学

磁学是人们在实践过程中认识和积累的关于磁知识的系统学科。

磁学又称为铁磁学,是现代物理学的一个重要分支。磁学由经典磁学和现代磁学两部分组成。经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科;现代磁学是研究磁、磁场、磁材料、磁效应、磁现象及其实际应用的一门学科。

法国物理学家库仑是经典磁学的代表人物之一。

他在1785年确立了静电荷间相互作用力的规律——库仑定律,也就是:真空中,两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比,作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。后来,库仑又对磁极进行了类似的实验,研究证明:同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。这就是经典磁学理论。

在磁场的经典理论中,磁荷和电场理论中的电荷的概念是有所区别的。电场中的独立的正负电荷可以单独存在,而单独的正负磁极实际上是不存在的,而且磁极从来都是成对出现的。正负磁极一般称为磁北极和磁南极。为了避免这种理论上的困难,经典磁场理论认为,一个非常细长的磁铁中的一个磁极,可以被近似地看做是一个单独的磁极。

一直以来,在现代磁学的领域中,经常会提到“三驾马车”。那么,现代磁学的“三驾马车”是指的什么呢?其实,这所谓的“三驾马车”就是指奥斯特、安培和法拉第。那么,为什么他们会被称为“三驾马车”?原来,他们在磁学的研究方面,所取得的研究成果极大地夯实了现代磁学的坚实基础。

丹麦物理学家奥斯特在1820年发现:一条通有电流的导线,会使其近处静悬着的磁针偏转。这就表明电流在其周围的空间产生了磁场。同时,奥斯特的这个实验也是证明电和磁现象密切结合的第一个实验。紧接着,法国物理学家安培等的实验和理论分析,详细地阐明了载着电流的线圈所产生的磁场,以及电流线圈间相互作用着的磁力。应用电流元来产生磁场的方法,证明磁场理论中的很多概念和电场理论中的很多概念十分相近。安培同时提出,铁之所以显现强磁性,是因为组成铁块的分子内存在着永恒的电流环。这种电流没有像导体中电流受到的那种阻力,并且电流环可因外来磁场的作用而自由地改变方向。这种电流在后来的文献中被称为“安培电流”或分子电流。

而电磁感应学的先行者法拉第,则以自己丰硕的研究成果为现代磁学开辟了一片广阔的天地——电磁时代。

磁学和电学有着直接的联系。经典磁学认为,如同电荷一样,自然界中存在着独立的磁荷:相同的磁荷互相排斥,不同的磁荷互相吸引。而现代磁学则认为,环形电流元是磁极产生的根本原因,相同的磁极互相排斥,不同的磁极互相吸引。

独立的磁荷是不存在的。电子围绕原子核运动,所有的物质都具有某种特别的磁学效应。但是在自然界,铁、镍、钴等材料则表现了很强的磁特性,所以磁学又被称为铁磁学。

7.两个父亲——磁学之父

历史总会有惊人的相似。磁学的发展和推动也是如此,它犹如宇宙的磁暴现象,在厚积薄发的阵痛中喷薄而出:在平淡中孕育,在耀眼处自燃。美国物理学家范弗莱克和我国磁学专家施汝被称为磁学的“两个父亲”,他们是世界磁学领域的佼佼者,科学史上的“东西合璧”。

世界现代磁学之父——范弗莱克

范弗莱克(1899~1980年)是着名的美国物理学家。范弗莱克于1899年3月13日出生在康涅狄格州的米德尔城,1980年10月27日在马萨诸塞州的坎布里奇去世。范弗莱克1920年毕业于威斯康辛大学,1922年获哈佛大学博士学位。他先后在哈佛、明尼苏达和威斯康辛大学执教,1934年又回到哈佛大学。

在物理学领域,范弗莱克主要在用量子力学方法,研究原子内部电子分布的基础上,探察单个原子的磁学性质。30年代,他提出了一种考虑电子受近邻电子影响的理论。这一理论目前仍是磁学领域内的基础理论。范弗莱克因对磁性和无序系统的电子结构进行基础研究,与安德逊和莫特(1905~1966年)一起分享了1977年度的诺贝尔物理学奖。他从事磁学研究将近50年,被人们称为“现代磁学之父”。

中国现代磁学之父——施汝为

施汝为(1901~1983年)是我国着名物理学家,1901年11月19日出生于江苏崇明(今属上海市)。1925年,施汝为毕业于东吴大学,1934年获美国耶鲁大学物理学博士学位,1955年被选聘为中国科学院学部委员(院士)。

施汝为曾经担任中国科学院物理研究所研究员、所长、名誉所长,是中国近代磁学研究与磁学教育的奠基人之一。他建立了中国第一个磁学研究实验室,在磁学和磁性材料等实验研究方面取得了多项重要成果。施汝为早期研制了一种新仪器,可以用来测定铁钴合金单晶的磁各向异性。他在金属基本磁性研究、铝镍钴永磁合金热处理研究等方面做了大量工作,并取得了多项重要成果。

20世纪40年代前后,施汝为又对坡莫合金和磁铁矿晶体的磁畴粉纹图进行了研究,开创了中国的磁畴实验观测工作。

8.魔力地带——磁场

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一,而磁场也是广泛存在的。地球,恒星(如太阳),星系(如银河系),行星、卫星、以及星际空间和星系际空间,都存在着磁场。

下面这张图是通过美国国家宇航局的火星全球探测飞船完成的。火星全球探测器绕火星球旋转时,探测器画出了火星的磁场“条纹”。图中所显示的是火星地表以下的磁场线,这种条纹表示着磁场的正反不同指向。

一般说来,物体之间要存在一个作用力,就会有一个力的作用点。

然而,在磁学方面,这里理论并不成立。一个永磁体与另一个永磁体可以不接触,却互相施力。人们曾经称这样的现象为超距作用。

近代的物理学家为了解释电荷之间和永磁体之间的相互作用力,引入了“场”的概念:在一个永磁体周围的空间中存在着一个磁场,使处于这空间中任何位置的另一个永磁体,受到磁场施加的力的作用;同时第二个永磁体所产生的磁场,也对第一个永磁体施加着反作用力。

因为力是矢量,所以磁场也是一个矢量场。许多实验证明:磁场是一种真实的存在。

为了认识和解释科学研究过程中的许多物理现象和形成原因,磁场是必须考虑的一个重要因素。在现代科学技术和人类生活中,我们处处都可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等,无不与磁现象有关。甚至在人体内,伴随着生命活动,一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。而地球的磁极与地理的两极是相反的。

磁场是一种特殊的物质,摸不着、看不见。能够产生磁力的空间都存在着磁场。因此磁体的周围也存在着磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介来传递的。

磁场也是电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流,而电流是电荷的运动。因此,概括地说,磁场是由运动电荷或变化电场产生的。

磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力。磁场对电流、对磁体的作用力或力矩都来源于这里。

9.回形设想——磁感线

在很多事物的研究中,并不是很直接地就可以找到结果。在研究的过程中,有时候我们需要假设一些东西的存在,以助于研究。

为了更好地研究磁场,比较形象地说明磁现象,人们便设想引进了一个物理概念——磁感线。

在磁场中,人们设想了一些曲线,使这些曲线上的任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同。这些曲线就叫磁力线。磁力线是一种闭合曲线。并且,在这一研究中,我们规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。而磁铁周围的磁力线都是从北极出来进入南极,在磁体内部。磁力线从南极到北极。

磁感线的疏密表示的是场的强弱,它具有以下特征:①磁感线是人为虚拟的曲线,它有无数条;②磁感线是立体独立的,它们都不交叉;③磁感线的疏密显示磁力的大小、强弱;④磁感线总是从北极出发,进入与它最邻近的南极,形成闭合回路。

10.犬牙交错——磁场类型

由前面的介绍,我们知道磁场有多种类型。下面,我们主要介绍其中具有代表性的几种。

恒定磁场:磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场。我们生活中经常会见到的,如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场,都属于恒定磁场。

交变磁场:磁场强度和方向在有规律地变化的磁场。比如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场,就属于交变磁场。

脉动磁场:磁场强度有规律地变化,而磁场方向不发生变化的磁场称为脉动磁场。如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场,都是脉动磁场。

脉冲磁场:用间歇振荡器产生间歇脉冲电流,将这种电流通入电磁铁的线圈,就可以产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式地出现磁场,磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。

恒磁场又称为静磁场,而交变磁场、脉动磁场和脉冲磁场都属于动磁场。磁场的空间各处磁场强度相等、或大致相等的称为均匀磁场,否则就称为非均匀磁场。磁场强度呈梯度变化,离开磁极表面越远,磁场越弱。

11.正负对撞——电磁场

前面我们说过,磁无处不在,因此可以说,磁场也无处不在。

静止的电荷会产生静电场;静止的磁偶极子会产生静磁场。运动的电荷被称为电流,电流会产生电场和磁场。

所谓电磁场是指有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。在固定(静)电荷和电偶极化物质的四周会建立电场。

当身体靠近电视或电脑荧幕时,会感受到毛发竖立,这就是因为(静)电场的存在。磁场则源于电荷的移动,电流量愈大,磁场愈强。一般所称的“场”指的是空间中的一个区域,进入该区域的物体都会感受到力的作用。例如,我们生活在地球的重力场中,也生活在地磁的磁场中,闪电时我们更笼罩在强大的电场中。

随时间变化的电场产生磁场,随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起。不论原因如何,电磁场总是以光速向四周传播,形成电磁波。

电磁场是电磁作用的媒递物,具有能量和动量,是物质存在的一种形式和统一整体。

电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面。变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,变化的电磁场以波动的形式在空间传播。电磁波以有限的速度在传播,具有可交换的能量和动量。如电磁波与实物的相互作用,电磁波与粒子的相互转化等等,都证明电磁场是客观存在的物质,它的“特殊”只在于没有质量。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

在随时间变化着的电磁场中,时变电磁场与静态的电场和磁场有显着的差别。这样,就会出现一些由于时变而产生的效应。这些效应有非常重要的应用,并推动了电工技术的发展。

着名物理学家法拉第提出的电磁感应定律表明:磁场的变化要产生电场。而且,这个电场可以推动电流在闭合导体回路中流动。