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只有一些元素是永久磁铁。 铁是一种。铜不是。但如果你
将电场通过任何金属,它就会成为 一个磁铁:一个电磁铁。但其工作原理
是什么呢?奇怪的是,这是狭义相对论的结果。
狭义相对论是说在我们宇宙中, 长度和时间不是绝对的。
相对移动的观察者会 感受到不同的时间和空间(“相对论”来源)。
比如说,如果你测量的够精确, 你会发现时间相对你运动的观察者
的时间过的比你慢。
嘿Derek, 你最后一次是多久前刮的胡子? 1号Derek: 六小时前。
移动的Derek:其实是5小时,59 分钟59.99999999999秒前。
同时移动的物体会沿着它 运动方向被压缩。
你好瘦呀。 (车里的人)只在你的参照系里。
所以当一个物体相对你移动时, 它其实会比静止时所占的体积小。
但虽然这个效果明显 比我们所显示的小很多,
距离的缩短就是电磁铁工作的主要原理。
想象一个铜导线-- 它里面有正价的 金属离子和很多自由的带着负电荷
电子。此时,质子的数量和 电子的数量相等,所以总体上
导线是中性的。所以如果说周围有一个 带正价的,嗯...带正价的猫,
它不会感受到 有任何力作用在它身上。
同时如果导线中有电流, 这些电子也只会沿一个方向流动,
但是正价和负价粒子的 密度还是会相同,
所以导线仍然显中性, 小猫身上没有作用力。
但是如果猫开始动了会怎么样呢? 为了简化问题,我们就当猫跟电子移动
的方向和速度一样。此时,在我参照系中
导线仍然显中性,也就是 说猫仍然不会受到作用力,但是想想
在她参照系中的情况。
在猫的参照系中,导线中正电荷在动。根据
狭义相对论它们的距离会缩小一点点。同时,
猫看电子是不动的, 它们就会显得散开一些。
记住,物体不动时所占的空间要比 物体运动时所占的空间要小。
这两个变化放在一起,导线中 正价的密度变大了,这
导线不再显中性了:导线变得带正电的了! 也就是说带正电荷的猫
会感到一个排斥它的力。
但在我的参照系里这是古怪的: 没有力作用在一个静止的带正电的猫身上,
但是移动的猫会被呈中性的导线排斥。
这怎么解释?其实我们叫它磁力,主要是
因为通电的导线会使周围的 磁铁偏向。所以,这个实验
告诉了我们一个磁场其实就是一个 电场,不过是从不同的角度看待同一个问题罢了。
在猫的参照系中,它被排斥是由 电场中正电荷被压缩造成
多余的正电荷所造成的。在我的参照
系中,猫是被一个中性导线排斥, 这是因为电流产生的
磁场。
所以,无论你把它看成一个电场或 磁场跟你的参照系有关,
但在两种情况下,结果是一样的。 所以一个电磁铁是日常生活中
狭义相对论的例子。
好了,这也许会显得异想天开, 既然电子流动的速度是光速的0.0000000001%。
这跟狭义相对论能有什么关系? 真实情况是
因为在一个导线中有很多电子, 同时电的相互作用很强,
连最小的长度变化都可以产生很明显的
不平衡,造成可以观察到的作用力。
狭义相对论解释了电磁铁的工作原理, 但永久磁铁是怎么解释的呢?
是呀!在这块石头里不可能存在电流吧?
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永久磁铁的巫术。