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日常生活中,人們常常在冰箱側面貼上一些可愛的小物件來加以點綴,我們都知道,這些小物件之所以能夠貼在冰箱上,其本質就是它有一塊磁鐵,根據我們的經驗來看,在不加幹預的情況下,這些磁鐵能夠吸附在冰箱側面很長一段時間,甚至可以說幾十年都不會掉。
於是問題就來了,磁鐵吸附在冰箱側面,地球的重力會把它「往下拉」,因此磁鐵必須要有克服重力的能量,那麼它克服重力的力量是從哪來的呢?
我們先來分析一下磁鐵的受力狀態,當磁鐵吸附在冰箱側面時,它是處於一個靜止的狀態。根據牛頓第一運動定律,一個處於靜止狀態的物體,其受到的合外力是為零的。
經過簡單的分析後,我們就可以得出,在這種狀態下,磁鐵受到了4個力,分別為磁鐵與冰箱側面之間的電磁力(這是兩個力)、地球的重力以及磁鐵與冰箱側面之間的摩擦力,這4種力兩兩相對,互相平衡,從而使磁鐵處於一個靜止的狀態,如下圖所示。
因此我們可以得出一個結論,「磁鐵吸附在冰箱側面,幾十年都不會掉」這種現象,是一種力的平衡現象,而造成這一現象的原因,歸根結底就是重力與電磁力之間的較量結果。
那麼磁鐵的電磁力是從哪來的呢?這裡我們來簡單科普一下。
原子是由原子核和電子組成,其中原子核帶正電荷,電子帶負電荷。在原子的內部,電子不停地圍繞著原子核運動,同時也在不停地自旋,因為運動的電荷會形成電流,同時也會產生磁場,所以電子的這種運動就會產生磁場。
在大多數物質中,由於電子的運動雜亂無章,這種由電子產生的磁效應就會相互抵消,從而在宏觀上不表現出磁性。但在鐵磁性物質的電子之間,存在著一種極強的相互作用——「交換耦合」,這使得它們產生的磁場能自發地在一個個很小的區域內統一起來,我們將這一個個很小的區域稱之為「磁疇」。
從上圖可以看到,對於一塊鐵磁性物質來講,它是擁有很多磁疇的,一般情況下,這些磁疇是不會沿同一方向來排列,因此它們也不會在整體上表現出磁性。然而如果我們將一塊鐵磁性物質放入一個足夠強大的磁場中,那麼這些磁疇就會在外力的作用下被「拉」到同一個方向,在這種情況下,這塊鐵磁性物質就被磁化了,變成了我們常見的磁鐵。
需要指出的是,由於鐵磁性物質的電子之間存在著極強的「交換耦合」,因此鐵磁性物質在磁化以後,即使外部的磁場被撤去,其內部磁疇依然會保持一致,從而在宏觀上表現出磁性。根據量子理論,在磁鐵(永磁體)內部的磁疇是能量最小化後的結果,這就意味著,只要沒有外力幹預,那麼磁鐵就一直擁有磁性,這就是磁鐵磁鐵吸附在冰箱側面,幾十年都不會掉,它克服重力的力量來源。
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