張穎:磁石引鐵金不連——磁的本源與認知【雲裡·悟理-第23課】

2021-02-07 中學生英才計劃

我們現在知道磁石的主要成分是四氧化三鐵,這是一種永磁體。早期除了對磁的吸鐵性和指向性進行研究之外,大量對磁的系統研究還包括各種不同成分的新磁性材料的發現和應用,其中以釹鐵硼稀土永磁材料為典型代表,目前應用非常廣泛。此外對於磁體的加工工藝以及磁性的測量和表徵等方面也取得了很多的成果和應用。現在我們一般認為能夠吸引鐵鈷鎳並且能夠長期保持磁性的磁體是永磁體。而像鐵這類既容易產生磁性也容易失去磁性而且磁極也會受到外界磁場而影響的材料稱為軟磁體。鐵被永磁材料吸引一段時間之後產生磁性的這個過程稱為磁化過程,每一個鐵的顆粒都可以被它所在的磁場磁化成類似小磁針的狀態,這個現象後來被英國的法拉第用來直觀地表示磁場的分布。

那麼只有磁體才能夠產生磁性嗎?很長一段時間裡,科學家都認為電和磁之間沒有任何關聯,直到1820年,丹麥的物理學家奧斯特在給學生上課的時候偶然間發現通有電流的導線能夠使小磁針發生偏轉,從而揭示了電能夠產生磁的現象。這一消息當時極大震驚了科學界,遠在法國巴黎的安培聽到消息之後馬上集中精力做了大量的實驗,並在幾周之後明確指出了通電導線與產生磁場之間的關係,這就是著名的安培定則,也是之後我們還會提到的安培右手螺旋定則。安培這個名字大家應該並不陌生,電流的單位安培就是以他的姓氏來命名的,用來紀念他在電磁學領域所作出的巨大貢獻。大家是否記得,我們小時候有一篇語文課文是「會跑的黑板」,文中那個把馬車車廂作為黑板,專心致志進行推導公式的人就是安培。

電能夠產生磁,那麼磁能不能產生電呢?經過十年的大量的實驗的研究,英國的科學家法拉第終於在1831年提出了電磁感應現象,法拉第之後又發明了發電機,給人類帶來了光明。法拉第這位科學家的成長是非常勵志的,他不像很多科學家,從小就擁有優良的教育資源。他出身貧困,只上了兩年小學,但是他非常喜歡讀書,後來在一個印刷和售賣書籍的店鋪裡當學徒,一有時間就自己閱讀大量的跟科學有關的書籍。他的這種好學精神打動了店鋪裡的一個老主顧,在老主顧的幫助下,他有幸聆聽了英國著名化學家戴維的一次演講。後來法拉第就帶著他整理好的筆記作為自薦書去找戴維,想要做他的助手,戴維對他的精美筆記印象非常深刻,也正好缺少一名助手,所以22歲的法拉第從此有幸邁入科學的殿堂。

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