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把两块木头放在一起,什么也没有发生。
把两块花岗岩放在一起,还是什么也没有发生。
但如果你把两块铁放在一起...奇迹(magic)出现!
我是说磁铁(magnet)就出现了。
带磁的物体能在远距离内神奇般的互相吸引,因为它们能产生磁场,
这些隐形的磁场伸展到物体之外。但让人不解的是:这些磁场
是从哪里来的?
戴瑞克:嗨,这简单啊,亨利!很久之前我们就知道电和磁力
其实是一回事儿,就像质量和能量或时间与空间是一回事一样,
它们可以彼此之间相互转换。其实,磁场基本上只是
带电的物体移动时产生的电场所转化过来的。
亨利:这就解释了为什么当电流流过这根电线时
这个针会始转动,这也解释了地球外核中电流产生了
地球的磁场。但是磁棒或指南针本身只不过是
不带电的金属块而已啊。
戴瑞克:是吗?从微观上看大量的电子穿梭在
任何固体的原子和分子中。
亨利:对!这引出了一个很棒的观点:任何日常物体的带磁现象
都受到来自以下几个方面作用力的合力有趣的影响:从粒子到
到原子,到原子的集合,到这些集合组成的集合。首先,单独的粒
子。
与重力和电力的日常工作原理不同,永磁只能通过
量子力学效应来解释。就像各类粒子,如电子
和夸克,有固有的属性如质量和电荷一样,大部分粒子
还有另一种固有的属性,叫做“微型磁铁”。呵呵,开玩笑的。应该叫做
“固有的磁矩”,但这只不过是无聊的专业术语,说白了就是
带电的粒子其实都是微型的磁铁。
戴瑞克:如果你想知道为什么它们都是微型的磁铁,得先知道为什么
粒子本身会带电,或为什么带有能量和动量的物体
在重力的作用下相互吸引?没人知道答案...我们只知道宇宙
就是这么运作的。
亨利:没错,而且自上世纪20年代开始,我们就认识到单个的电子或质子
大体上就是个微型的磁铁。说到这儿我们就来谈谈原子。
原子由带正电的质子和带负电的电子组成,
电子绕着质子转。质子的磁力相比电子的磁力要弱1000倍左右,
因此原子核对原子整体的磁力基本没有
影响。
戴瑞克:所以你会想既然很多(并不是全部)的电子都在
移动,就像电线中的电流一样,这些电子也会产生磁场。
事实也却是如此,这些磁场称为“轨道”磁场。
亨利:但是这些磁场通常对整个原子的磁场没有太大影响。原因如下:
量子力学对原子中的电子作出的解释精确而又复杂,但简单来
说,电子以电子层的形式集中在原子核的周围。在
完整的电子层中的电子朝各个方向,它们产生的电流相互抵消,
因此没有产生任何磁场。这些电子以两个一对的形式出现,它们的微型磁铁所指的方向
正好相反,因此也相互抵消。
然而,在不完整的电子层中,所有的电子不以两个一对的形式出现,它们的微型磁铁
指向相同的方向,而且磁力会叠加起来,因此外层电子的微妙磁性
为原子提供了大部分的磁场。
周期表中那一大块元素中比较靠边上的原子都有完整的
(或将近完整的)电子层,因此这些原子没有太大的磁性。而靠中间的原子
的外部电子层不完整,因此它们有磁场。这些原子包括:镍,钴,
铁,锰,铬,等。
戴瑞克:稍等片刻,但是铬并没有磁性啊!
亨利:啊,仅仅因为原子带磁场,并不代表由很多这些原子组成的材料
也会带磁场。讲到这儿,我们就得说说晶体了。
带磁的原子合起来组成固体时,一般来说有两种可能性。
一种可能是所有原子的磁场都朝一个方向,另一种可能是它们的磁场
以一南一北的方式出现,因此它们的磁场互相抵消。而对于原子,
哪种情况耗能少,它们就会以哪种形式出现。
戴瑞克:所以铬原子带有很强的磁场,但是固体铬则没有磁场。
而且它是已知的最不具铁磁性的材料之一。而铁,
从名字可以看出是具有铁磁性的,这点不出所料。
通俗点讲就是铁带有磁性。
亨利:但不总是是这样的。
关于磁性要讲的最后一个阶段叫做磁畴。本质上说,就算是带磁的
材料,哪怕原子的磁场都排成了一列,也有可能出现以下情况:材料中的一块区域的
的原子都列成一队朝一个方向,而另一块区域的
原子则朝另外的方向。
戴瑞克:如果这些区域的大小相当的话,没有任何一个区域能有足够的磁力
迫使其它的区域的磁力和它朝同一个方向,因此,譬如一块铁块就可能没有
任何磁力,因为其中的不同区域的磁场互相抵触。
亨利:但是如果你给它施加一个外部磁场,
你就能使其中一个领域的磁力强到能促使旁边区域的磁力朝同一个方向。
最终所有领域的磁场都会朝同一个
方向。
戴瑞克:现在你就能以铁拳掌控天下了...我是说用磁铁。
亨利:一点没错!奇妙之处在于从本质上说磁性是量子属性
被放大到日常物体大小的结果。每块永磁铁都提醒着我们
宇宙是建立在量子力学的基础之上的。要使任何物体带磁,该物体
的所有区域的磁场必须统一起来,这就需要每块区域中上千亿的带磁原子
的磁场也统一起来。而这些原子只有在一种情况下能带磁:
它们外部电子层不能充满,这样它们固有的
磁场才能统一并不相互抵消。毫无疑问,这些要求
非常难以满足,这也就是为什么只有为数不多的材料适合
做成磁铁。
戴瑞克:或者,你可以给任何导体通上电,使其产生磁场。
亨利:嘿,话说回来,为什么
这能行得通呢?点击这里去看Veritasium的频道,让我们来看看狭义相对论
和光速能与电磁铁有何联系。