书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第23章 有趣的电磁学(3)

“瓜皮帽”尴尬地赔着笑脸。只见欧阳从口袋里掏出一把曲别针随手一撒,曲别针就被吸住了。由此断定,他虽然已将小磁铁从秤盘底下拿走了,但又换了一块大磁铁绑在大腿上。当秤盘靠近时,磁力就吸引秤盘,这样,秤盘里的苹果,再加上这个磁力一共称了5斤,苹果肯定不够秤。但吸力的大小与磁铁到秤盘的距离有关,最后称的这次,他一直怕露马脚,就尽量让秤盘靠近磁铁,不想,吸力又太大了,露出了破绽,欧阳立刻揭穿了他骗人的伎俩。

“瓜皮帽”耷拉下脑袋,乖乖地接受处罚。

【物理碰碰车】磁铁的特性

磁体,又叫“磁铁”,是含有磁性的物质,磁性就是能够吸引铁、钴、镍等金属的性质。磁铁分为“永磁体”和“电磁体”。磁铁有两个磁极,也就是南极和北极,分别用“S”和“N”表示。这两极遵循“同性相斥、异性相吸”的特性。

铁笔画出神秘磁场

主人公在前面飞快奔跑,后面,一个冷艳的美女——实际上是个超级强悍的未来机器人紧紧追赶。眼看要被追上了,机器人手中的武器已瞄准了他们,生死一线——忽然,跑道旁的粒子加速器发出了强大的磁场,美女机器人被强大的磁性吸住了,慢慢贴到粒子加速器上,身体开始融化……

这个场景你熟悉吗?这是科幻电影《终结者》中的场景。这里,如果不是磁场帮忙,主人公肯定要死了!磁场是不是很真厉害呢?可磁场究竟是什么东西呢?

磁铁周围存在着磁力,人无法感觉磁力的存在,但利用铁屑就可以间接显示出磁力的分布情况,而磁力的分布情况就是磁场。

在一张光滑的硬纸片或玻璃片上均匀地撒上铁屑,在纸片或玻璃片下放一块普通的磁铁,轻轻抖动铁屑,并敲叩纸片或玻璃片。磁力是能够穿透这些障碍物的,所以铁屑在磁力的作用下就被磁化,磁化了的铁屑在被抖动时就会离开原先的位置,并在磁力的作用下沿磁力线排列起来。这样,我们就通过铁屑的排列看到无形的磁力线的分布情况了。

在磁力的作用下,铁屑分别从磁铁的两极辐射开来,在两极中间又连接起来,组成一条条或长或短的弧线,进而形成一组复杂的曲线图形。离磁极越近,铁屑组成的线越稠密,越清晰;反之,距离越远,线就越稀疏,越模糊。这证明,磁力的强度与距离成反比。这个实验让我们亲眼看到了物理学家在头脑中所描摹的图景,也就是每一块磁铁周围无形的却客观存在的磁场线。

假如人们有了能直接感觉到磁力的器官,会有怎样的体会呢?那必然会是一件很有趣的事。

克赖德尔曾用虾做过磁力感应实验。他在小虾的耳朵里发现了一种小石子,这种小石子作为感觉纤维作用于小虾的平衡器官。他在实验中发现,如果用一些铁屑代替这些小石子放入小虾的耳朵中,它并不会发生什么反应,不过一旦拿一块磁铁靠近小虾,小虾的身体方向会发生改变,它所在平面会变成磁力和重力的合力的平面。这种作用相同的小石子存在于人类的听觉器官的附近,我们称它为“耳石”,它的作用力在垂直地面的方向。

有人成功地将这个实验运用于人身上,他把一些铁屑放在人的耳鼓膜上,结果人能察觉到磁力的振动,就像能够察觉声音的振动一样。

【物理碰碰车】四大发明之一的指南针

指南针,你一定知道!这是你们中国的四大发明之一。2300年前,中国人把天然磁铁磨成勺子的形状放在光滑的平面上,在地磁的作用下,勺柄指向南边,因此人们叫这个装置为“司南”。这,就是指南针的原型,也可说是世界上第一个指南仪。

变傻的指南针

地球上有没有这样的一个地方,指南针的指针两头都朝南或者两头都朝北呢?这个问题看似奇怪,其实却并不荒唐。

按照常识,我们认为指南针的指针永远是一头朝北,一头朝南。但是,地球的两个磁极和地理上的南北极并不重合,这样一提醒,你是否已经悟出所问的地方在地球上的哪个方位了?

假如将指南针放在地理上的南极,你觉得它会指向哪个方向呢?如果从南极出发,无论朝哪个方向走,都是向北的,地理上南极的四面八方,除北之外没有别的方向。所以,并不是指南针失灵,而是特殊的地理位置导致指南针两个指针都会指向附近的磁极,也就是在此时此刻指南针会永远朝北。

同理,如果去到地理上的北极,则它指针的两头便都会朝南。所以,如果拿着指南针去南北极探险,那是真的很危险,你很可能因为指南针找不到方向而迷路。

【物理碰碰车】地球是一块大磁铁

地球是一块大磁铁,这个说法是完全正确的。1600年前后,英国物理学家吉伯也产生了同样的疑问,然后,他决心用实验验证一下。他把一块大天然磁石磨制成球状,把小铁丝制成的小磁针放在石球上,观察磁针的取向。他发现,在天然磁石的作用下,小磁针的行为跟地球上的指南针极为相似。由此,吉伯证明出,地球就是一块大磁铁!

悬棺中的磁极秘密

穆罕默德是伊斯兰教的创始人,传闻他的棺材是悬在坟墓中的,看起来上无牵拉,下无支撑。世界上真有这么神奇的事情?

科学家当然不会被那些传说吓到,他们认为世间的一切都可以用科学来解释。对于穆罕默德的悬棺,科学家欧拉是这样解释的:“因为有些人造磁铁确能吊起100磅的重量,所以人们传说这口棺材是靠某种磁力支撑起来的,这似乎有可能。”

这看起来很有道理,但是即使磁铁吸引力可以使引力和重力在一段时间内保持平衡,但利用很小的外力,甚至空气流动的力量就可以打破这种平衡,使得棺材被吸向墓室顶或是跌落到地上。因此就像不能使圆椎体尖顶朝下竖立一样,要让棺材悬着不动实在是不可能的,虽然这在理论上是可以讲得通的。

但是“悬棺”现象的再现也不是完全没有可能的,不过利用的确实磁铁的排斥力,而不是磁铁与物体之间的相互吸引力。大家知道,同性的磁极是互相排斥的,传说中的穆罕默德悬棺就是利用这样的原理悬起来的。

将两块被磁化了的铁的同性磁极叠放在一起,也会互相排斥,如果上面那块重量适当,就不难悬在下面一块的上方,两块被磁化的铁就能在不接触的情况下保持稳定的平衡。这时只要有不能被磁化的材料,比如玻璃做支撑,还可以阻止其在水平面上转动。

如果把磁铁的吸引力施加到运动着的物体上,也会产生这种悬浮现象。有人据此提出了一项没有摩擦力的电磁铁道的巧妙设计,也就是后来出现的磁悬浮列车。

现实中也有这样的现象,一位工人在使用电磁起重机时发现了有趣的一幕:一个很大很重的铁球用链子固定在地面上,被电磁盘利用吸引力吸起,铁球与磁铁并没有接合,而是直接被吊起,中间大概留有十五至二十厘米的空余,这条铁链竟然能够直挺挺地站在地面上! 甚至工人攀上铁链也一同被悬挂了起来,可见磁力的力量实在是很大。这与传说中的穆罕默德的悬棺极其相似。

【物理碰碰车】俄罗斯的磁山

传说中所谓的“磁岩”,就是富含磁铁矿藏的山,从某种程度上来说,磁岩就是一大块磁铁。在现实生活中,俄罗斯的冶金重镇马格尼托哥尔斯克附近就有这样一座著名的磁山——“马格尼特山”。 附近的居民为了避免受到地磁的影响,很少使用钢铁来打造船只。不过,这座磁山的磁力很小,几乎可以忽略不计。

克敌制胜的磁石神兵

磁石可以指明方向,这个知识大家都知道,并不新鲜。不过磁石做士兵来打败敌人,你听说过吗?

晋朝的时候有位大将军叫马隆,他年少的时候就足智多谋,敢作敢为。后经他人推荐,成了朝廷中的一员良将。

有一次晋武帝司马炎想要讨伐长江以南的吴国,不料西方凉州的古羌人打败了朝廷的将军,占领河西一带。这样一来,讨伐江南的路就被古羌人堵死了。晋武帝一筹莫展,于是在朝堂上说:“可有良将能为我讨伐羌人,收复凉州?”

朝堂上的文武百官都知道古羌人的厉害,没有一个人敢出声的。看到这种情况,马隆走上前去,对晋武帝说只要给他三千勇士,他就可以平定凉州。晋武帝一听,立马答应了他的条件,并封他为武威太守。

朝上的大臣们都反对马隆募兵,认为他是不顾朝廷的安危逞英雄。甚至有些官员还把三国时期留下的过时兵器给了他。不过马隆打定了主意,没有毫不畏惧,在武帝的支持下招募勇士,不到半天就招来3500人。随后武帝又拨给他三年的军费。

在公元279年,他率令军队向西出发了。古羌人则派出了万余名士兵来围截马隆。古羌人的首领叫权才机能,他利用古羌人所在地的地理优势来阻挡马隆前进,并且在隐蔽的地方设下埋伏,声势浩大。

不过马隆也没有退缩,他利用诸葛亮的八阵图对阵。宽阔的地方,就以鹿角车(将带枝的树木削尖,放在车上,叫鹿角车)开路;在狭窄的地方,就在车上放置一个木屋挡住敌人的视线,边战边向前推进。另外马隆充分运用了部下的弓箭,让弓箭所到范围内,敌人死伤惨重,这一招让敌人的士气大大下降。

有一天,马隆巡视的时候发现了一个遍地都是磁石的地方。他心生一计,打算以谋略取胜。选好地形之后,马隆在狭窄的山口两旁堆满磁石。古羌人身披铠甲,他们走近磁石的时候,将受磁石感应而被吸引,就像有无形的手在拉他们,会减缓他们的速度。而马隆的部下则全部脱下了铠甲,换上了犀甲。磁石对皮革不起作用,所以晋朝的士兵行动就不会受到阻碍。

设置好机关之后,马隆率兵去攻打羌人,羌人骑马大举反攻。马隆佯装败退,羌人则紧追不放。经过一个狭窄的山口时,这些羌人就像遇到了魔鬼一样,感到行动困难,无法走出山口。那时文化落后,人们都很迷信,羌人中不知谁喊了一声:“不好!马隆有神明相助。”刹那间羌人乱作一团,想要退出山口。马隆见时机已到,一声令下,进行反攻,羌人死伤无数。就这样,马隆巧妙利用磁力为朝廷平定了西凉。

【物理碰碰车】

脆弱的磁铁

磁石是具有磁性的天然矿石,主要成分是四氧化三铁,二氧化硅等,是永磁体。而磁铁是通过现代工业磁化的铁,也就是有了磁性的铁,不过磁性不稳定,时间长了可能会消磁。

别看磁铁这家伙是经过加工的,但是非常脆弱,使用的时候一定要小心,如果掉在地上它很容易被摔断。另外,如果太靠近火源或者在使用的时候总是发生碰撞,磁性就会减弱。

史上最强拍档:电磁互生

打开电磁学大门的奥斯特

现在所有的科学家都承认电磁之间是可以转换的,但是最初很多大牌科学家都否认电磁之间存在关系,所以迈出电磁转换研究的第一步是非常艰难的。

1777年,奥斯特出生于丹麦,从小就聪明好学,1799年获得了哥本哈根大学的博士学位,并在学校担任了科研助手。他信奉康德、谢林等人关于自然力转化的哲学思想,始终相信电和磁是可以转化的。不过,当时很多著名的科学家都公开认为电和磁之间没有关系,比如大名鼎鼎的物理学家库伦和安培。

当然,也有些人根据实际经验猜测电和磁之间存在着某些关系。一位商人发现雷电使箱子中的刀、叉发生了磁化现象;富兰克林也发现放电可以让焊条磁化或退磁。这些活生生的例子让奥斯特更加坚信“电是可以转化为磁的”。

让人沮丧的是,奥斯特的电磁实验都没有成功。1820年4月的一天,他按照惯例去给大家做科学演讲。他一边讲课,一边给大家做着演示实验。讲着讲着,他突然想到:过去许多科学家都是在沿着电流的方向寻找电与磁的关系,但是会不会电流的磁力作用根本不是纵向的,而是横向的呢?想到这里,奥斯特把导线和磁针平行放置,在导线上通电之后,原本与导线平行的磁针发生了一定程度的偏转。奥斯特欣喜若狂,竟然摔了一跤,他嘴里念念有词:“这是电磁之间存在关系的一个证据!”

随后,奥斯特花费了3个月的时间,做了60多个实验后宣布:他发现了电流的磁效应。奥斯特揭示了电与磁之间的关系,为法拉第发现电磁感应定律和麦克斯韦建立统一的电磁场理论奠定了基础。有趣的是,当年否认电、磁之间有关系的安培,竟然以奥斯特的结论为基础提出了电流之间相互作用的安培定律。

电磁理论的奠基人法拉第对奥斯特的发现做出了评价:“它猛然打开了一扇科学领域的大门,过去那里一片漆黑,如今则充满了光明。”

【物理碰碰车】

勤勉博学的奥斯特

除了发现了电可以转化为磁,奥斯特在科学研究中的贡献是多方面的。1820年,他发现了胡椒中刺激性成分之一的胡椒碱;1822年,他第一次精确地测量了水的压缩系数;1825年,他首次分离出了金属铝。

同时,奥斯特还创办了丹麦科学知识振兴协会,积极向大众普及科学知识。奥斯特还经常亲自参与其中,深入浅出地讲授自然科学知识。自1908年起,这个协会设立了奥斯特奖,用来表彰对丹麦物理学研究有出色贡献的科学家。1829年,奥斯特创建了丹麦工程学院,并担任院长。