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在漫威系列電影中,X戰警的頭號勁敵萬磁王,擁有揮舞雙手就隔空移動物體的能力,不僅能操控地球磁場,更能讓自己憑藉磁力懸空而飛。你是否幻想過能擁有像萬磁王一樣的超能力呢?其實,從本質上來說,這個神奇的魔力在生活裡到處都是,或許就在你家的冰箱上,或者教室的黑板上。
故事還要從很久以前說起,古人在採礦的時候偶然發現了一類礦石,這些「瘋狂的石頭」似乎很熱情,哪怕沒有人碰它,它也能吸引來其他的一些輕小礦石。人們把這類瘋狂的石頭叫做「磁鐵礦」,後來逐漸發現,它們都含有一些特定的金屬,一般包括鐵、鈷、鎳。
你一定聽說過「物以類聚,人以群分」,這個道理同樣適用於瘋狂的石頭。磁鐵礦能吸引的都是和它成分類似,也就是同樣含有鐵、鈷、鎳的東西。我們把磁鐵礦這種特殊的吸引力叫做磁力,它本身具有磁力的屬性,也便被稱為磁性。
磁力最神奇的地方,大概要屬它可以在無形之中實現乾坤大挪移,就像一位可以隔空發功的武林高手。也就是說,哪怕兩個有磁性的物體彼此不接觸,當它們距離達到一定範圍以內,就能產生相互作用。假如你拿著冰箱貼靠近冰箱,會明顯感受到冰箱貼主動跑到了冰箱門上;教室黑板上的磁力按扣也是類似。
不過,吸引力只是磁力的一種形式,有的時候,磁性物質也會相互看不順眼,主動把對方推得遠遠的。這又是為什麼呢?先找來一塊磁鐵看看吧。
我敢保證,你在身邊能找到的標準磁鐵一定塗著兩種顏色,不管是條形的、環形的還是馬蹄形的。當你把兩塊磁鐵顏色不同的兩端彼此靠近,它們會親密地吸引到一起;可假如你把其中一塊掉個頭,顏色相同的兩端在相遇時反而會毫不猶豫地彼此排斥。
這是每個磁鐵都有的自帶特性,其中,兩種顏色所對應的是兩個磁極。一端是N極,也叫北極;另一端是S極,也叫南極。這一對相反的磁極在所有磁鐵中都是成對出現的,彼此的關係遵循一個簡單卻重要的原則——「同極相斥,異極相吸。」你可以把這樣的關係想像成拼圖塊,如果N極表示的是拼圖塊凸起的那部分,S極就表示凹進去的部分。N極與S極相遇時,剛好能完美配對,所以會緊緊吸引。可兩個N極相遇,凸起的那部分就會正面相撞,所以便會相互排斥,離得遠遠的。
你可能覺得吸引力看起來很有用,排斥力可就沒那麼友善了。不過有一樣高科技交通工具恰恰用到了這種排斥力,它就是大名鼎鼎的磁懸浮列車。通過讓軌道和列車車底具備相同磁極,彼此排斥,當排斥力足夠大時,列車就可以在軌道上懸浮起來,不與軌道接觸。這樣一來,列車前進時的軌道摩擦大大減小,空載速度能超過400千米/小時。當然,這只是磁懸浮列車中的一種,另一種恰恰相反,其運用的是磁力中的吸引力,通過來自列車兩側的吸引力達到平衡,實現列車的懸浮。
參考資料:
https://en.wikipedia.org/wiki/Magnet
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A3%81%E6%87%B8%E6%B5%AE%E5%88%97%E8%BB%8A
作者:比鄰星
審稿: 張軒中(中國科普作家協會會員,中國物理學會會員)