为什么有些物质具有磁性？为什么它们可以被磁化？为什么吸铁石能吸引钢铁？为什么指南针会自动地指示方向？由于物质的磁性既看不到，也摸不着，我们无法自己的五种感官（听觉、视觉、味觉、嗅觉、触觉）直接体会磁性的存在，也不能很容易地回答上面的问题。所以磁性的本质和来源也就被多少蒙上了一些神秘色彩。
常见的磁现象
实际上，除了上面提到的磁铁的特征以外，磁性物质还有很多特点，例如：
磁铁总有两个磁极，一个是N极，另一个是S极。一块磁铁，如果从中间锯开，它就变成了两块磁铁，它们各有一对磁极。不论把磁铁分割得多么小，它总是有N极和S极，也就是说N极和S极总是成对出现，无法让一块磁铁只有N极或只有S极。
磁极之间有相互作用，即同性相斥、异性相吸。也就是说，N极和S极靠近时回相互吸引，而N极和N极靠近时回互相排斥。知道了这一点，我们就明白了为什么指南针会自动指示方向。原来，地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近。这样，如果把一块长条形的磁铁用细线从中间悬挂起来，让它自由转动，那么，磁铁的N极就会和地球的S极互相吸引，磁铁的S极和地球的N极互相吸引，使得磁铁方向转动，直到磁铁的N极和S极分别指向地球的S极和N极为止。这时，磁铁的N极所指示的方向就是地理的北极附近。
磁性的来源
现代科学表明，物质的磁性来源于物质原子中的电子。我们知道，物质是由原子组成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成的。原子核好象太阳，而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外，电子除了绕着原子核公转以外，自己还有自转（叫做自旋），跟地球的情况差不多。一个原子就象一个小小的“太阳系”。另外，如果一个原子的核外电子数量多，那么电子会分层，每一层有不同数量的电子。第一层为1s，第二层有两个亚层2s和2p，第三层有三个亚层3s、3p和3d，依此类推。如果不分层，这么多的电子混乱地绕原子核公转，是不是要撞到一起呢？
在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有N极和S极。也就是说，电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况。
既然电子的自转会使它成为小磁铁，那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢？当然不是。如果是的话，岂不是所有的物质都有磁性了？为什么只有少数物质（象铁、钴、镍等）才具有磁性呢？原来，电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多，如右面的上图所示，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性。而低于大多数自转方向不同的电子数目不同的情况来说，虽然这些电子所磁矩不能相互抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之间没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物体没有强磁性。
只有少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样，这样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，如右面下图所示。这样，整个原子具有总的磁矩。同时，由于一种被称为“交换作用”的机理，这些原子磁矩之间被整齐地排列起来，整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时，物体显示的磁性强弱也不同。例如，铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多，原子的总剩余磁性最强。而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少，所有它的磁性比较弱。
几个基本概念
怎样表示物质磁性的强弱呢？为什么吸铁石并没有接触钢铁就可以吸引它？
在一块硬纸板的下面放两块磁铁，并且让它们的S极相对。纸板上面撒一些细的铁粉末。看会发生什么现象？铁的粉末会自动排列起来，形成一串串曲线的样子。其中，N极和S极之间的曲线是连续的，也就是说曲线从N极直至S极。而S极和S极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。这种现象说明，磁铁的磁极之间存在某种联系。因此，我们可以假想，在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从N极出发，最终进入S极。这样，只要有磁极存在，它就向空间不断地发出磁力线，而且离磁极近的地方磁力线密，而远处磁力线稀疏。上图中铁粉末的排列形状就是磁力线的走向。
有了磁力线，我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白，磁力线是我们为了理解方便而假想的，实际上并不存在。在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。我们知道，物质之间存在万有引力，它是一种引力场。磁场与之类似，是一种布满磁极周围空间的场。磁场的强弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。单位截面上穿过的磁力线数目称为磁通量密度。
有了磁场的概念，我们便可以深入理解一些磁现象。例如，指南针之所有能够指示方向，实际上是由于指南针处于地球磁场中，地球的N极和S极分别对指南针的S极和N极的吸引力使得指南针转动，直至指南针的N极正好指向地球的S极（北极），指南针的S极指向地球的N极（南极）为止。在图中，H表示地球的磁场，绿线的箭头表示磁场的方向由N极指向S极。又如，如果把一个指南针和一根金属导线平行放置，再向导线内通电，那么，导线电流产生的磁场就会和指南针的磁场发生相互作用，使得指南针转动，直到它和导线垂直为止。
12/23/2004
|
