磁铁和磁性

在古代，人们知道一种特殊的岩石，它可以把其他同类岩石和铁块拉向自己。这种岩石被称为磁石。在现代，人类利用古代磁石所产生的同样的力来发电，在计算机中存储信息，并研究宇宙的秘密。这种力被称为磁力，产生这种力的物体被称为磁铁。到19世纪末，人们已经知道所有的元素都具有某种磁性。

古代世界的人们能够发现磁力，因为某些岩石和矿物在自然状态下是有磁性的。不受周围环境影响而保持磁性的物质称为硬磁铁或永久磁铁。磁力总是存在于永磁体之间。此外，永磁体对某些其他材料，如铁，施加力，而这些材料本身不具有磁性。

大多数材料，如木材、铜、空气和水，似乎对永磁体没有反应。事实上，所有的材料，即使是所谓的非磁性材料，都能对磁力做出反应。然而，大多数材料的磁性很弱，在日常生活中不会注意到它们所产生的磁力。

能被磁铁吸引但本身不是永久磁铁的材料称为软磁铁或临时磁铁。这区别于非磁性物质，如木材。软磁体可以具有磁性，只有当它们在永磁体的存在下才能发挥磁铁的作用。一些软磁铁，如铁，可以制成硬磁铁。一种方法是将一块热的软磁铁滚或锤成针状，然后在它冷却时将其放在硬磁铁旁边。

磁针有一种特殊的性质，使它与古代最发达的科学——天文学联系在一起。如果将磁针放在空心芦苇中，漂浮在水上或自由悬挂在一根绳子或电线上，相对于恒星，它似乎总是指向一个固定的方向。这一发现为指南针的发展奠定了基础罗经、磁)．

几个世纪过去了，人们才明白为什么指南针的指针总是指向南北方向。1600年，英国科学家威廉·吉尔伯特发表了一部不朽的著作，认为地球本身是一块巨大的磁铁，它对地球表面的所有磁铁都施加了一个力。

从那时起，人们已经确定地球确实是一块大而弱的磁铁。它施加的力足以使像铁针这样的小永磁体定向，但不足以明显地影响软磁体。地球磁场最强的地方有两点，一个在地理北极附近，另一个在地理南极附近。所有磁铁的一端都有一个指向北方的磁极;在另一端，一个指向南方的极点。磁体的向北极通常称为北极，向南极通常称为南极。

如果把一块长条形磁铁切成两半，每一半就变成一块完整的磁铁。每一半都有一个北极和一个南极。因为所有的磁铁都有两极，而且还没有发现只有一极的磁铁，所以磁铁被称为偶极。

如果两块磁铁相互靠近，就可以体验到磁学的一条基本定律。同极(北方和北方，或南方和南方)相互排斥，不极(北方和南方)相互吸引。

如果把一块永磁体放在软磁性材料(如铁)棒附近，软磁性材料棒的两端就会感应出磁极。如果找北的极靠近软磁铁棒的一端，铁棒的这一端就是南极，另一端就是北极。如果转动永磁体，使一个南极靠近铁棒的同一端，铁棒的这一端就成为北极，另一端则成为南极。如果取出永磁体，软铁就会恢复到原来的非磁化状态。

一块磁铁可以在不接触另一块磁铁或一块软铁的情况下吸引或排斥它。即使空的空间、空气或任何非磁性材料(如纸板)将两者分开，磁力也会产生。此外，即使两块磁铁彼此呈一定角度放置，它们也可以对彼此施加一个力。科学家将磁铁周围的空间描述为磁场所占据。他们可以通过观察磁体周围许多点的磁力方向来“绘制”磁场。

例如，一个小指南针可以放在长条形磁铁附近的不同位置。由于指南针可以自由摆动，它会在每个位置指向磁场的方向。通过观察罗盘指向的方向，可以确定磁场在任何位置的方向。

指南针总是朝着它所指向的方向，以很短的步伐移动。每移动一次，指南针的位置就会被标记出来。如果这些标记是用线连接起来的，就会看到它们从一个极点开始，然后移动到另一个极点。这些线被称为磁场的力线或通量线。按照惯例，磁场的大小从北到南为正，从南到北为负。磁力线也存在于磁体内部:它们从一个极点延伸到另一个极点。你也可以把小铁屑撒在一张硬纸上，上面盖着一块扁形磁铁。如果在撒铁屑的时候轻轻敲击纸张，铁屑就会沿着磁场的线跳来跳去。这些线彼此靠近的地方，磁场就很强;线相距很远的地方，磁场就很弱。 The lines and the filings are densest at the poles of the magnet, where the magnetic field is strongest.

磁场的形状可以通过改变磁铁的形状来改变。如果一块长条形磁铁被弯曲成马蹄形，磁极就会靠得更近。大多数磁力线位于马蹄铁的两个尖端之间。由于线条最密集的地方磁场最强，这种形状在马蹄铁的两个尖端之间产生了高度集中的磁场。磁铁可以制成其他形状，以产生其他磁场模式。

就像电和重力一样，磁力是一种基本力。磁和电是密切相关的，被认为是一种力，即电磁力的两种表现形式。

丹麦物理学家汉斯·奥斯特(Hans Oersted)在1820年发现了这种关系的第一个证据。一根能传导电流的电线指向南北方向。电线附近放着一个指南针。在接通电流之前，指南针指向与导线平行的南北方向。当电流开始流过电线时，指南针的指针就会转过来，指向与电线成直角的另一个方向。当电流流动的方向相反时，指南针指针旋转指向相反的方向，仍然与电流流动的方向成直角。

电流在附近磁铁上流动的这种效应是由于构成电流的移动电荷形成了一个环绕导线的磁场。磁场的方向用右手定则表示。如果右手的拇指指向电流从正极流向负极的方向，那么右手的四个手指就会在磁场的方向上卷曲。

Oersted的发现引发了人们的猜测，如果将外部磁场施加在导线上，外部磁场可能会与电流产生的磁场相互作用，这种相互作用可能会导致导线移动。迈克尔·法拉第成功地证明了外部磁场可以使导线旋转，而且如果导线固定在适当的位置，外部磁铁本身也会旋转。

1831年，法拉第通过在导体附近移动磁铁产生了电流，为磁和电的相互关系提供了更多的证据。这表明，如果磁体相对于导体运动，磁体可以感应电流。

这三种现象可以概括为:(1)移动的电荷产生磁场;(2)磁场对移动的电荷施加作用力;(3)在电荷存在的情况下改变磁场会导致电流流动。任何关于电和磁的理论都必须考虑到这些相互作用。

法拉第还建立了一个磁场的可视化模型。他的理论暗示，移动磁铁或电荷会扰乱磁铁或电荷周围的力线。扰动以一定的速度在空间中传播。

1864年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发表了一个数学理论，描述了由移动的电荷或移动的磁力线引起的扰动是如何传播的。麦克斯韦尔说，这种扰动可以被视为速度为3 × 10的波动⁸米每秒——实验确定的光速。

他推断光是一种电磁波光；辐射；能源)．根据电磁辐射(包括光)的波结构的一种概念，这种波是由电场和磁场彼此成直角的增长和崩溃组成的。

奥斯特最初的发现是，电流流过导线会在导线周围形成磁场，增大电流会增强磁场。磁场也可以通过将导线形成一个环路来加强。力的线是围绕每一根金属丝的圆;这些圆重叠的地方会产生更强的磁场。如果将线圈缠绕成一个空心圆柱体，圆柱体内的磁场等于与所有线圈相关的磁场之和，在圆柱体中，连续的一系列线圈彼此相邻——这可以通过将线圈缠绕在铅笔上来实现。这种形式的磁铁称为螺线管。

螺线管磁铁比永磁体有几个优点。它们可以打开和关闭。磁场的强度可以通过增加或减少线圈中的电流来改变。实际上，螺线管中心的磁场与电流的大小成正比。

这种磁场可以通过在螺线管内放置一根磁性软铁来加强。螺线管的磁场在棒材内感应磁场，螺线管外的总磁场是螺线管的磁场加上软铁内感应磁场的总和。磁化铁棒的磁场可以比螺线管单独的磁场强得多。这种螺线管和磁棒的组合称为电磁铁。

增大螺线管中的电流会增加磁棒中感应到的磁场，但只增加到某一点。这就是饱和值。电磁铁的强度取决于条形磁铁的饱和值。

尽管只有少数明显被磁场吸引的物质被称为磁性物质，但所有物质——包括“非磁性”物质——都具有磁性。这是因为所有物质都是由移动的带电粒子——电子和质子——组成的，它们的运动形成了磁场。

大多数非磁性物质都是抗磁性的，即被磁场排斥得很弱。其他种类的非磁性物质受到磁场的吸引很弱。这种反应被称为顺磁性。顺磁性通常比抗磁性强一些。当铁、钴或镍被置于磁场中时，它们会被强烈而明显的吸引。这种吸引力被称为铁磁性。

为了理解为什么不同的物质对磁场的作用有不同的反应，有必要了解构成每种物质的原子和分子。根据现代原子理论，原子由一个巨大的、密集的、带正电的中心组成，这个中心被称为原子核，带负电的轻电子围绕着原子核循环。每个电子产生一个磁场。

通常一个原子的电子是这样配对的:一对电子中一个电子的磁场被另一个电子的磁场抵消了。分子中也有类似的结构。原子通过共用电子以化学方式结合形成分子。化学键中的电子通常是成对的，所以它们的磁场相互抵消。由只有成对电子的原子和分子组成的物质是抗磁性的。抗磁物质中的电子通过在单个原子或分子内部建立弱磁场来抵抗外部磁场的施加。然而，在某种意义上，所有物质——包括磁性物质——都是抗磁性的。当外界磁场作用于任何物质时，其电子至少有一部分响应是与外界磁场相反的。

有些物质是由电子数量不均匀的原子或分子组成的。这意味着每个分子至少包含一个未成对电子。这种材料通常是顺磁性的。

顺磁性通常太小，在日常生活中观察不到，但它足够强，足以弥补存在于顺磁性材料中的抗磁性。这两种现象都依赖于外部磁场的存在。如果这被移除，与电子相关的磁场就会四处摆动并相互抵消。

一个原子在一种化合物中是顺磁的，而在另一种化合物中是反磁的。这是因为电子在不同种类的分子中有不同的运动。例如，含氧气体氧(O₂)和一氧化二氮(NO)是顺磁性的，因为在这些分子中，一些氧原子电子是不成对的。但在水中(H₂O)所有的氧原子电子都是成对的。因此水是抗磁性的。

铁、钴、镍等元素及其许多化合物都是铁磁性的。这些元素含有许多未配对的电子。原子内的这些电子沿一个方向自旋;这意味着它们的磁场指向同一个方向。原子的总磁场强到足以影响周围的原子。例如，在铁中，有四个电子是未配对的。这四个电子排列成一个强原子磁铁。在这个原子磁铁的影响下，相邻的原子磁铁在同一方向上排列，所有排列的原子的磁场结合起来形成一个更强的磁场。当整块铁中未配对电子的所有自旋都指向同一个方向时，这块铁就是磁铁。

那么，为什么大多数铁块不是永久磁铁呢?原因是一块铁中未配对电子的自旋通常不会全部排列在同一个方向上。小区域，称为区域，被磁化的方向不同。一个区域内的所有原子都对该区域的磁场有贡献。但是附近磁场指向其他方向的区域会相互抵消。

当外部磁场作用在这样一块铁上时，指向外部磁场方向的畴就会变大。原子沿着域的边界旋转，直到它们成为域的一部分。如果铁内部的所有原子都在一个指向外场方向的区域内排列，那么铁就被磁化了。

当外部磁场被移除时，磁畴重新形成，铁失去了大部分磁性。正因为如此，铁被称为软磁铁。

在硬磁体中，除去外部磁场后，材料内部的内力阻止了畴的重新形成。永磁体中的自旋保持在一个单一的区域内，除非有某种外力，如热或猛烈的打击，使它们摆动开来。有些铁合金的内部结构使它们成为非常强的永久磁铁。

这些合金包括铝镍钴合金，一种铁、铝、钴和镍的合金，用于磁性门抓扣和其他磁性紧固件。铂和钴合金以及钐和钴合金是更强的永磁体。

并非所有的磁铁都是由金属构成的。例如，轻质陶瓷——铁氧体——被用于计算机存储器，因为它们的磁性可以在不到百万分之一秒的时间内逆转。一层薄薄的铁氧体构成了录音机中使用的磁带的磁性。

磁铁的常见用途是基于简单的磁性吸引或排斥，如磁性冰箱锁存器。大型电磁铁被用来移动钢废料和处理磁性矿石。较小的电磁铁用于继电器、开关和阀门。

磁场在发电机、电动机和变压器中诱导电流，并能使带电粒子束弯曲。在电视显像管中，电子部分由磁场控制，部分由电场控制，因此电子击打电视屏幕的模式能再现从电视台发出的图像。

在原子物理学中，与原子有关的磁性被用来研究物质内部结构的线索。20世纪90年代中期，物理学家利用超导材料制成的磁体，能够产生比地球磁场强7.8万倍的磁场。

地质学家研究海底岩石的磁场方向。从他们的研究中，他们了解到地球周期性地翻转磁场。

测量天体的磁性可以为天体的结构和历史提供线索。中子星表面有非常强大的磁场。另一方面，与星系相关的磁场非常微弱。在磁学领域内，科学家们正在寻找单磁极存在的证据。所有已知的磁铁都是偶极子。然而，在电中，正电荷和负电荷是独立存在的。科学家们一直试图在宇宙射线、磁性矿石和粒子加速器中寻找被称为磁单极子的单一的、孤立的北极或南极。到目前为止还没有被证实存在。

磁共振成像(MRI)，也被称为核磁共振(NMR)，是一种将某些原子核(如在人体特定器官中发现的原子核)置于非常强的静止磁场中，然后观察它们如何选择性地吸收非常高频的无线电波的技术。到20世纪80年代初，核磁共振成像已经开始应用于医学，因为它通过测量人体水和脂肪中特定核核的特征磁性行为，提供了一种相对无害的、非侵入性的方法来生成身体薄片的视觉图像。MRI图像在区分正常组织和病变或受损组织方面具有很高的敏感性。(见也诊断.）

到20世纪80年代末，MRI已被证明优于大多数其他成像技术，可以提供大脑、心脏、肝脏、肾脏、脾脏、胰腺、乳房和其他器官的图像。反过来，这些图像可以显示肿瘤、缺乏血液的组织以及身体的其他病变或受损状态。虽然这项技术不会对健康造成危害，但它不能用于体内植入心脏起搏器或某些其他含金属设备的患者。

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