北京时间1998年6月3日6时6分,美国“发现号”航天飞机腾空而起,把探测宇宙秘密的仪器――阿尔法磁谱仪送到太空.如图1所示,阿尔法磁谱仪的核心部件是一个直径1.2m、高0.8m、空腔直径1.1m的环筒形磁铁.这个仪器上的核心部件――永磁体,是由中国科学家研究制造的.
磁体除了可以做成环筒形,还可以做成各种形状,如环形磁体、条形磁体、马蹄形磁体和小磁针等(图2).它们在现代生活和科学技术中有广泛的应用.
如图3所示,当磁体去吸引铁屑时,我们可以发现磁体的两端吸引铁屑最多.这是因为每个磁体都有两个磁性最强的地方,我们称之为磁极.磁极总是成对出现,至今还未发现单磁极的磁体.
一、分子电流假说
那么,磁体为什么具有磁性呢?1820年4月的一天,丹麦物理学家奥斯特在课堂上演示物理实验.如图4所示,当他给导线通电时,导线附近的小磁针发生了轻微偏转.“哇,电流产生了磁场!”
之后,科学家进一步研究发现,在直线电流周围放置一些铁屑,通电后,铁屑显示了通电直导线周围的磁感线分布.如图5所示,发现直线电流产生的磁场中,磁感线是以导线为圆心排列的一层一层的同心圆.在此基础上安培又研究了环形电流、通电螺旋管的磁场,归纳出了安培定则.
你也许注意到,环形电流的磁场与小磁针的磁场类似.法国科学家安培由此受到启发,找到了物体磁性的来源,提出了著名的分子电流的假说.
安培认为,在原子、分子等物质微粒内部,存在着一种环形电流――分子电流.因此,分子电流使每个物质微粒都成为一个微型小磁针(图6),它的两侧相当于两个磁极.对此,把环形电流产生磁场的知识和安培定则联系起来,就不难理解.在大部分物体中,由于大量微型小磁针的指向紊乱,物体不显磁性;而在有的物体中,大量微型小磁针指向较为一致,物体就具有了磁性(图7).
在安培所处的时代,人们对物质内部为什么会有分子电流还不清楚.直到20世纪初,才知道物质由原子组成,原子由带正电的原子核和绕核旋转的电子构成.电子绕核旋转就形成了环形电流――分子电流.安培分子电流的假说,揭示了磁体磁性的起源,它使我们认识到:磁体的磁场和电流的磁场一样,都是由电荷的运动产生的.
二、磁化的机制
我们在生活中发现有些物质能够被磁化而具有磁性,能够吸引铁、钴、镍等物质.这里包含了哪些物理知识呢?让我们通过一个实验来探究其中的奥秘.如图8甲所示,用一根试管,倒入铁屑,留出一定空隙,用手堵住管口,把试管拿到悬吊着的订书钉旁,发现管口中铁屑不能吸引订书钉.然后如图8乙所示将试管靠近磁体,发现铁屑排列整齐.如图8丙所示再把试管靠近悬吊着的订书钉,观察到管口中铁屑能够吸引订书钉.最后,摇晃试管,使管口中铁屑排列混乱,如图8丁所示,再移近订书钉,又发现管口中铁屑不能吸引订书钉.
通过上述实验我们可以发现:一个没有磁性的物体,只要把它的“内部”设法调“整齐”,就可能有了磁性;一个有磁性的物体,如果把它的“内部”弄乱,比如强烈敲击或加热,磁性就会消失.
应用安培的分子电流的假说我们可以解释一下磁化现象.一根铁棒,在未被磁化的时候,内部各分子电流的取向是杂乱无章的,它们的磁场互相抵消,对外界不显磁性.当铁棒受到外界磁场的作用时,各分子电流的取向变得大致相同,铁棒被磁化,两端对外界显示出较强的磁作用,形成磁极.磁体受到高温或猛烈敲击会失去磁性.这是因为在激烈的热运动或机械振动的影响下,分子电流的取向又变得杂乱了.