什(shén)麼(me)是(shì)磁性(xìng)，磁铁(tiě)是(shì)如(rú)何工作(zuò)的(de)
磁性(xìng)的(de)起(qǐ)源，磁性(xìng)起(qǐ)源于(yú)两種(zhǒng)類(lèi)型的(de)運動(dòng)：
1. 原子中(zhōng)電(diàn)子的(de)運動(dòng)，電(diàn)子在(zài)原子核周围的(de)軌道(dào),類(lèi)似于(yú)太陽系(xì)中(zhōng)行星的(de)運動(dòng)围繞太陽。
2.另(lìng)一(yī)个(gè)是(shì)電(diàn)子的(de)自(zì)旋繞着它的(de)轴, 類(lèi)似于(yú)地(dì)球繞自(zì)己的(de)轴旋轉(zhuǎn)。軌道(dào)運動(dòng)和(hé)自(zì)旋運動(dòng)分(fēn)别給(gěi)每个(gè)電(diàn)子傳遞一(yī)个(gè)磁矩，使每个(gè)電(diàn)子都像一(yī)个(gè)小磁铁(tiě)一(yī)样運動(dòng)。
磁矩是(shì)由(yóu)磁體(tǐ)在(zài)垂直(zhí)于(yú)磁轴的(de)單位(wèi)強(qiáng)度(dù)磁场中(zhōng)所(suǒ)受的(de)旋轉(zhuǎn)力定(dìng)義的(de)。在(zài)很大(dà)一(yī)部(bù)分(fēn)元(yuán)素中(zhōng)，電(diàn)子的(de)磁矩由(yóu)于(yú)泡利不(bù)相容原理(lǐ)而(ér)抵消，該原理(lǐ)指出(chū)，每个(gè)電(diàn)子軌道(dào)只能被(bèi)两个(gè)自(zì)旋相反(fǎn)的(de)電(diàn)子占據(jù)。
然而(ér)，许多(duō)所(suǒ)謂的(de)过(guò)渡金(jīn)屬原子，如(rú)铁(tiě)、钴和(hé)鎳，具有(yǒu)不(bù)能抵消的(de)磁矩; 因此(cǐ)，这(zhè)些(xiē)元(yuán)素是(shì)磁性(xìng)材料的(de)常見(jiàn)例子。在(zài)这(zhè)些(xiē)过(guò)渡金(jīn)屬元(yuán)素中(zhōng)，磁矩只来(lái)自(zì)電(diàn)子的(de)自(zì)旋。
在(zài)稀土(tǔ)元(yuán)素(元(yuán)素周期(qī)表(biǎo)第(dì)6行以(yǐ)镧開(kāi)头(tóu))中(zhōng)，電(diàn)子的(de)軌道(dào)運動(dòng)的(de)影響沒(méi)有(yǒu)被(bèi)抵消，因此(cǐ)自(zì)旋和(hé)軌道(dào)運動(dòng)都对(duì)磁矩有(yǒu)貢獻。一(yī)些(xiē)磁性(xìng)稀土(tǔ)元(yuán)素的(de)例子有(yǒu):铈、钕、钐和(hé)铕。除了(le)过(guò)渡金(jīn)屬和(hé)合金(jīn)和(hé)稀土(tǔ)元(yuán)素，也觀察到(dào)这(zhè)些(xiē)元(yuán)素的(de)各(gè)種(zhǒng)各(gè)样的(de)化(huà)合物(wù)涉及(jí)磁矩。在(zài)常見(jiàn)的(de)磁性(xìng)化(huà)合物(wù)中(zhōng)有(yǒu)金(jīn)屬氧化(huà)物(wù)。
磁铁(tiě)如(rú)何工作(zuò)
物(wù)理(lǐ)學(xué)家对(duì)磁體(tǐ)的(de)作(zuò)用有(yǒu)一(yī)些(xiē)了(le)解(jiě)。然而(ér)，一(yī)些(xiē)潛藏在(zài)磁力之(zhī)下(xià)的(de)現(xiàn)象(xiàng)仍然無法(fǎ)得到(dào)科學(xué)的(de)解(jiě)釋。磁铁(tiě)到(dào)底是(shì)如(rú)何工作(zuò)的(de)?
像条(tiáo)形磁铁(tiě)中(zhōng)觀察到(dào)的(de)那(nà)種(zhǒng)大(dà)規模磁场，是(shì)由(yóu)構成(chéng)原子的(de)带電(diàn)粒(lì)子自(zì)然輻射出(chū)的(de)磁场産生(shēng)的(de)。通(tòng)常，在(zài)任何物(wù)質(zhì)的(de)样本(běn)中(zhōng)，電(diàn)子的(de)磁场指向(xiàng)不(bù)同的(de)方(fāng)向(xiàng)，相互抵消。當磁场都朝同一(yī)方(fāng)向(xiàng)排列时(shí)，就(jiù)像磁性(xìng)金(jīn)屬一(yī)样，物(wù)體(tǐ)就(jiù)会(huì)産生(shēng)一(yī)个(gè)淨磁场。每个(gè)電(diàn)子都会(huì)産生(shēng)一(yī)个(gè)磁场，但只有(yǒu)當它们(men)都在(zài)一(yī)起(qǐ)时(shí)才会(huì)産生(shēng)一(yī)个(gè)淨磁场。否則，人(rén)體(tǐ)中(zhōng)的(de)電(diàn)子会(huì)导致(zhì)每个(gè)人(rén)經(jīng)过(guò)冰箱(xiāng)时(shí)都粘在(zài)冰箱(xiāng)上(shàng)。
目前(qián)，物(wù)理(lǐ)學(xué)有(yǒu)两種(zhǒng)解(jiě)釋来(lái)解(jiě)釋为(wèi)什(shén)麼(me)磁场方(fāng)向(xiàng)一(yī)致(zhì): 一(yī)種(zhǒng)是(shì)来(lái)自(zì)經(jīng)典物(wù)理(lǐ)學(xué)的(de)大(dà)尺(chǐ)度(dù)理(lǐ)論，另(lìng)一(yī)種(zhǒng)是(shì)被(bèi)稱为(wèi)量(liàng)子力學(xué)的(de)小尺(chǐ)度(dù)理(lǐ)論。
根(gēn)據(jù)經(jīng)典理(lǐ)論，磁场是(shì)围繞在(zài)磁粒(lì)子周围的(de)能量(liàng)雲(yún)，它吸引或(huò)推開(kāi)其他(tā)磁性(xìng)物(wù)體(tǐ)。但在(zài)量(liàng)子力學(xué)的(de)觀點(diǎn)中(zhōng)，電(diàn)子發(fà)射出(chū)不(bù)可(kě)探測的(de)虛粒(lì)子，告訴其它物(wù)體(tǐ)遠(yuǎn)離或(huò)靠近(jìn)。
盡管(guǎn)这(zhè)两个(gè)理(lǐ)論幫助科學(xué)家理(lǐ)解(jiě)磁體(tǐ)在(zài)幾(jǐ)乎所(suǒ)有(yǒu)情(qíng)況下(xià)的(de)行为(wèi)，但磁性(xìng)的(de)两个(gè)重(zhòng)要(yào)方(fāng)面(miàn)仍然沒(méi)有(yǒu)得到(dào)解(jiě)釋: 为(wèi)什(shén)麼(me)磁體(tǐ)总是(shì)有(yǒu)一(yī)个(gè)北(běi)极(jí)和(hé)一(yī)个(gè)南(nán)极(jí)，以(yǐ)及(jí)为(wèi)什(shén)麼(me)粒(lì)子首先(xiān)会(huì)發(fà)射磁场。
我(wǒ)们(men)只是(shì)觀察到(dào)，當你讓一(yī)个(gè)带電(diàn)粒(lì)子運動(dòng)时(shí)，它会(huì)産生(shēng)磁场和(hé)两极(jí)。我(wǒ)们(men)真(zhēn)的(de)不(bù)知道(dào)为(wèi)什(shén)麼(me)。它只是(shì)宇宙的(de)一(yī)个(gè)特(tè)征，而(ér)数學(xué)解(jiě)釋只是(shì)試图(tú)通(tòng)过(guò)大(dà)自(zì)然来(lái)得到(dào)答(dá)案(àn)。
應(yìng)用
我(wǒ)们(men)看(kàn)到(dào)周围到(dào)处都是(shì)磁铁(tiě);冰箱(xiāng)貼紙(zhǐ)、磁性(xìng)螺丝(sī)、磁头(tóu)、磁性(xìng)玩闆、别針(zhēn)架等。大(dà)規模的(de)應(yìng)用包(bāo)括用于(yú)在(zài)工業和(hé)废料场搬運废金(jīn)屬的(de)起(qǐ)重(zhòng)机。幾(jǐ)个(gè)世紀以(yǐ)来(lái)，磁羅盤一(yī)直(zhí)被(bèi)旅行者(zhě)用来(lái)导航。想(xiǎng)知道(dào)它是(shì)如(rú)何被(bèi)發(fà)現(xiàn)的(de)嗎。
磁铁(tiě)的(de)曆史:
根(gēn)據(jù)希臘傳说(shuō)，磁力首先(xiān)是(shì)由(yóu)一(yī)个(gè)名(míng)叫梅格涅斯的(de)牧羊人(rén)發(fà)現(xiàn)的(de)，他(tā)住在(zài)希臘的(de)梅格涅斯尼亞。梅格尼斯在(zài)山(shān)上(shàng)放(fàng)羊。突然，他(tā)注意(yì)到(dào)他(tā)的(de)手杖和(hé)凉(liáng)鞋(xié)上(shàng)的(de)釘子都卡(kǎ)在(zài)了(le)一(yī)块(kuài)石(dàn)头(tóu)上(shàng)。他(tā)的(de)棍子和(hé)釘子里(lǐ)的(de)铁(tiě)都被(bèi)磁性(xìng)岩石(dàn)吸引住了(le)。这(zhè)種(zhǒng)石(dàn)头(tóu)被(bèi)命名(míng)为(wèi)磁铁(tiě)礦，以(yǐ)牧羊人(rén)的(de)名(míng)字或(huò)發(fà)現(xiàn)它的(de)地(dì)方(fāng)命名(míng)。由(yóu)于(yú)其誘人(rén)的(de)特(tè)性(xìng)，它也被(bèi)稱为(wèi)磁石(dàn)。
磁铁(tiě)礦是(shì)三(sān)種(zhǒng)天(tiān)然的(de)铁(tiě)氧化(huà)物(wù)之(zhī)一(yī)。它会(huì)被(bèi)磁铁(tiě)吸引，很容易被(bèi)磁化(huà)，形成(chéng)永磁體(tǐ)。天(tiān)然磁化(huà)的(de)磁铁(tiě)礦块(kuài)被(bèi)稱为(wèi)磁石(dàn)。
古埃及(jí)人(rén)開(kāi)始(shǐ)使用磁铁(tiě)来(lái)玩把(bǎ)戲，通(tòng)过(guò)适當的(de)磁铁(tiě)位(wèi)置使崇拜的(de)物(wù)體(tǐ)漂浮在(zài)半空(kōng)中(zhōng)。傳说(shuō)，中(zhōng)國(guó)的(de)皇帝用磁石(dàn)建造大(dà)門(mén)，用磁铁(tiě)来(lái)拯救他(tā)的(de)宮殿。金(jīn)屬外(wài)殼(ké)被(bèi)磁門(mén)吸引，阻止他(tā)们(men)進(jìn)一(yī)步移動(dòng)。
科學(xué)家威廉·吉爾伯特(tè)(William Gilbert)在(zài)他(tā)的(de)《磁铁(tiě)》(De Magnete, 1600)一(yī)書(shū)中(zhōng)提(tí)到(dào)了(le)用钢人(rén)工制造磁铁(tiě)的(de)技術(shù)。
他(tā)用了(le)三(sān)種(zhǒng)技術(shù)使钢永久磁化(huà):用磁石(dàn)沿特(tè)定(dìng)方(fāng)向(xiàng)從一(yī)端到(dào)另(lìng)一(yī)端摩擦钢針(zhēn)在(zài)強(qiáng)磁力下(xià)高(gāo)温(wēn)鍛造粉铁(tiě)。
讓熾热(rè)的(de)铁(tiě)棒在(zài)地(dì)球磁场中(zhōng)冷卻20年(nián)。該方(fāng)法(fǎ)僅具有(yǒu)理(lǐ)論依據(jù)，未用于(yú)研究目的(de)。
1820年(nián)，汉斯·克里(lǐ)斯蒂安(ān)·奧斯特(tè)德(Hans Christian Orsted)發(fà)現(xiàn)了(le)電(diàn)磁學(xué)的(de)概念。他(tā)觀察到(dào)，當給(gěi)他(tā)的(de)裝(zhuāng)置供電(diàn)的(de)電(diàn)池的(de)電(diàn)流開(kāi)关时(shí)，指南(nán)針(zhēn)的(de)指針(zhēn)会(huì)偏離磁北(běi)。
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