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第3章 看不见的磁场和磁力线

磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质。磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。我们把条形磁体悬挂起来,指南的是南极,指北的是北极。拿小磁针靠近条形磁铁的一端,与小磁针北极相吸的是南极,另一端是北极。

条形磁体周围的磁场那么,我们把小磁针放到磁体周围将会是什么样?小磁针不再指南北,而是指不同的方向。在物理学中,把小磁针静止时北极所指的方向定为那点磁场的方向。当我们在磁场中放入许多小磁针时,它们的分布情况和北极所指的方向就可以形象直观地显示出磁场的分布情况。

如果我们用铁屑代替小磁针,在一块玻璃板上均匀地撒一些铁屑,然后把玻璃板放在条形磁体和蹄形磁体上,轻敲玻璃板,观察铁屑的分布。我们会看到铁屑在磁场的作用下转动,最后有规则地排列成一条条曲线。

铁屑的分布情况可以显示磁场的分布情况。因此,我们可以仿照铁屑的分布情况,在磁体的周围画一些曲线,用来方便、形象地描述磁场的情况。科学家把这样的曲线叫做磁力线。

磁力线又叫磁感线,磁力线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进条形磁体的磁力线入S极,在磁体内部磁力线从S极到N极。磁感线只是帮助我们描述磁场,是假想的,实际并不存在。

磁力线是用来形象地描述磁场状态的一种工具,磁力线和描述电场情况的电力线非常相似,以力线上某一点的切线方向表示该点的磁场强度的方向,以力线的疏密程度表示磁场的强度。

磁力线的概念是英国科学家法拉第在1831年提出的,他引入磁力线是用来描述磁作用的。在研究磁体吸引铁类物质的现象时,法拉第认为,磁体是一块非同寻常的物质,它向四面八方伸出许多无形的“触须”,直到空间的各个角落。正是靠着这些“触须”——法拉笫把它们称为磁力线,磁体才能把铁类物质“拉”向自己身边。依照这一想法,法拉第画出了磁体在各种情况下的“触须”,这就是今天在任何物理学课本中都能见到的磁力线图。磁力大的地方“触须”密集;磁力小的地方“触须”稀疏。

当然,法拉第并没有天真地认为这些“触须”是真有其物,他只不过是企图形象而又明白地去解释实实在在的磁力作用。

蹄形磁体的磁力线然而重要的是,一个深刻而卓越的物理思想和与之相应的物理学概念——场,在法拉第这项艰苦的工作中诞生了。法拉第提出:在磁体周围充满着疏密不均,而且弯曲程度各异的“触须”的空间,存在着“场”,并取名为“磁场”。空间中某点磁场的强弱,叫磁场强度,可用磁力线在该点附近的疏密程度来表示,并且规定,垂直穿过场中某一面积的磁力线的总数叫做该面积的磁通量。

法拉第在磁力线的启示下,提出了场是真实的物理存在,场的作用不是突然发生的“超距作用”,而是经过磁力线逐步传递的。这些概念对电磁场理论的发展有着重大推动作用。

现在人们了解到,磁场、电场都是一种特殊形态的物质,并不需要力线的解释。这些解释必然受到机械观念的限制。但是用磁力线(包括电力线)作为场的一种模型,使比较抽象的场得到形象的直观表示,不仅历史上起过很好的作用,而且现在仍然为人们所沿用。知识点反铁磁性反铁磁性,即在没有外加磁场的情况下,物质中相邻的完全相同的原子或离子的磁矩由于其相互作用而处于相互抵消的排列状态,致使合磁矩为零,而施加一个磁场时就改变一些磁矩的方向,致使在物质中的合磁矩随磁场强度的增大而增大到某一极限值的现象。这种材料当加上磁场后其磁矩倾向于沿磁场方向排列,即材料显示出小的正磁化率。但该磁化率与温度相关,并在奈尔点有最大值。根据主要磁现象用反铁磁性物质制成的材料,称为反铁磁材料。

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