什么是磁铁、磁力和磁场？
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发布时间：2022-04-20 13:19
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时间：2023-07-02 03:16
磁力是移动的电荷所产生的一种自然力。有时这些运动是微观的，在一种叫做磁铁的材料内部。磁铁，或由移动的电荷产生的磁场，可以吸引或排斥其他磁铁，并改变其他带电粒子的运动。
根据佐治亚州立大学的超物理网站，磁场对粒子产生一种被称为洛伦兹力的力。在磁场中作用于带电粒子的力取决于电荷的大小，粒子的速度，以及磁场的强度。洛伦兹力有一个特殊的性质，它使粒子以与原始运动成直角的方式运动。
有些材料，如铁，被称为永磁体，这意味着它们可以维持一个永久磁场。这些是日常生活中最常见的磁铁形式。其他材料，如铁、钴和镍，可以通过将它们置于一个更大、更强的磁场中来获得一个临时磁场，但最终这些材料会失去它们的磁性。
根据超物理学 ，磁场是由电荷的运动产生的 。电子都具有角动量的基本量子力学性质，称为“自旋”。在原子内部，大多数电子倾向于形成一对电子，其中一个自旋向上，另一个自旋向下，换句话说，它们的角动量指向相反的方向。在这种情况下，这些自旋产生的磁场指向相反的方向，所以它们相互抵消。然而，有些原子包含一个或多个未配对电子，这些未配对电子形成一个微小的磁场。据无损检测(NDT)资源中心称，它们自旋的方向决定了磁场的方向。当绝大多数未配对电子与它们的自旋方向一致时，它们结合在一起就会产生一个强大到足以在宏观尺度上观察到的磁场。
磁场源是偶极的，这意味着它们有一个北极和一个南极。圣何塞州立大学的约瑟夫·贝克尔(Joseph Becker)表示，相反的两极(N和S)相互吸引，相似的两极(N和N，或S和S)相互排斥。当磁场的方向从北极向外传播并通过南极进入时，就会形成一个环形或甜甜圈状的磁场。
地球本身就是一块巨大的磁铁。美国国家航空航天局表示，这颗行星的磁场来自于熔化的金属内核中的循环电流。指南针之所以指向北方，是因为指南针上的小磁针是悬浮在空中的，这样指南针就可以在外壳内自由旋转，使自己与地球磁场保持一致。矛盾的是，我们所说的磁北极实际上是一个南磁极，因为它吸引指南针的北磁极。
如果未配对的电子在没有外部磁场或电流的作用下继续排列，就会产生一个永磁体。永磁体是铁磁性的产物。前缀“ferro”指的是铁，因为永磁性最初是在一种被称为磁铁矿的天然铁矿石中发现的，即Fe3O4。人们可以在地球表面或地表附近发现散落的磁铁矿碎片，偶尔会有一块被磁化。这些天然形成的磁体被称为磁石。虽然科学家们不知道磁石是如何形成的，但亚利桑那大学表示，“大多数科学家认为磁石是被闪电击中的磁铁矿。”
人们很快就发现，他们可以用磁石敲击铁针，使磁针中的大部分未配对电子朝一个方向排列。根据美国国家航空航天局的说法，公元1000年左右，中国人发现漂浮在一碗水中的一块磁铁总是朝南北方向排列。此后，磁罗盘成为导航的巨大辅助工具，特别是在白天和夜晚，当星星被云层遮住的时候。
除铁以外，其他金属也具有铁磁性。这些金属包括镍、钴和一些用于制造超强永磁体的稀土金属，如钐或钕。
磁性有许多其他形式，但除铁磁性外，它们通常太弱，只能用灵敏的实验室仪器或在极低的温度下才能观察到。安东·布鲁纳姆在1778年使用永磁体寻找含铁材料时，首次发现了抗磁性。Gerald Küstler是一位发表了大量论文的德国独立研究人员和发明家，他在罗马尼亚技术科学杂志上发表了一篇题为“抗磁悬浮- 历史 里程碑”的论文。根据他的说法，Brugnams观察到，“在这项研究中，只有深色和几乎紫罗兰色的铋显示出一种特殊的现象;因为当我把它的一片放在浮在水面上的一张圆纸上时，它就被磁铁的两极排斥了。”
据《超物理》杂志称，反磁性是由原子内电子的轨道运动产生的微小电流环引起的，这些电流环会产生微弱的磁场。当外加磁场作用于材料时，这些电流环倾向于以一种与外加磁场相反的方式排列。这使得所有的材料都被永磁体排斥;然而，产生的力通常太弱而不能被察觉。然而，也有一些明显的例外。
热解碳是一种类似于石墨的物质，它的抗磁性甚至比铋还要强，尽管它的抗磁性只有一个轴，而且它实际上可以悬浮在一个超强的稀土磁铁上。某些超导材料在临界温度(即它们成为超导的温度)以下表现出更强的抗磁性，因此稀土磁铁可以悬浮在它们上面。(从理论上讲，由于它们之间的相互排斥，一个可以悬浮在另一个之上。)
顺磁性是指材料在磁场中暂时具有磁性，而在去除外部磁场后又恢复到非磁性状态。当施加磁场时，一些未配对的电子自旋会与磁场对齐，并压倒反磁性产生的相反力。然而，密苏里南方州立大学的物理学教授丹尼尔·马什说，这种效应只有在非常低的温度下才会显著。
其他更复杂的形式包括反铁磁性，即原子或分子的磁场排列在一起;自旋玻璃的行为，包括铁磁和反铁磁相互作用。此外，根据加州大学戴维斯分校的说法，铁磁性可以被认为是铁磁性和反铁磁性的结合，因为它们之间有许多相似之处，但它仍然有自己的独特性。
当导线在磁场中移动时，磁场在导线中感应出电流。相反地，磁场是由运动中的电荷产生的，比如当导线有电流时。所以你家里所有的电线都会产生微小的磁场。电和磁之间的这种关系可以用法拉第感应定律来描述，法拉第感应定律是电磁铁、电动机和发电机的基础。电荷沿直线移动，比如穿过直线导线，就会产生绕导线旋转的磁场。当金属丝形成一个环时，磁场就变成了一个甜甜圈的形状，也就是环面。
直流电还能在一个方向上产生一个恒定的磁场，这个磁场可以随电流开关。这个磁场可以使一个可移动的铁杠杆偏转，从而发出可听见的咔哒声。这是19世纪30年代由塞缪尔·f·b·莫尔斯发明的电报的基础，根据国会图书馆的说法，电报允许使用基于长脉冲和短脉冲的二进制代码通过电线进行长途通信。熟练的操作人员通过使用弹簧负载的瞬间触点开关(或按键)快速打开和关闭电流来发送脉冲。然后，接收端另一个操作员将听到的咔哒声翻译成字母和单词。
绕着磁铁的线圈也可以以不同的频率和幅度移动，从而在线圈中产生电流。这是许多设备的基础，最显著的是麦克风。声音使膜片随着不同的压力波进进出出。如果膜片连接到围绕磁芯的可动线圈上，它将产生一种类似于入射声波的变化电流。然后，电信号可以按需要放大、记录或传输。微型的超强稀土磁铁被用来制造手机的微型麦克风，Marsh告诉Live Science。
当这个被调制的电信号被应用到线圈上时，它会产生一个振荡的磁场，导致线圈在磁芯上以同样的模式移动。然后，线圈被连接到一个可移动的扬声器锥体上，这样它就可以在空气中再现可听到的声波。
电磁体的应用几乎数不胜数。法拉第感应定律构成了我们现代 社会 许多方面的基础，不仅包括电动机和发电机，还包括各种大小的电磁铁。同样的原理也被用于调整计算机硬盘驱动器上的微小磁粒子以存储二进制数据，而且每天都有新的应用程序在开发。
