第十三章 电磁现象
在漫威的《X战警》里面有一个大boss,叫做万磁王,可以控制磁场什么的。这种人物设定我们就不去管它了,毕竟是文艺作品。不过,人类确实是很早就认识磁性了。物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质叫做磁性。那具有磁性的物体呢,就叫做磁体了。有些物体能够长期保存磁性,这样的物体叫做永磁体。永磁体分为天然的和人造的。当然啦,现在生产生活中用到的永磁铁绝大多数都是人造的。地球本身就是一个巨大的磁体。
磁体上磁性最强的两个部位叫做磁极。比如说常见的条形磁铁,它的磁极就在两端。如果你把一根条形磁铁从正中间用细线吊起来,静止后它的一段指向南方,一段指向北方。指向南方的那个磁极叫做南极,用S表示。而指向北方的那个磁极叫做北极,用N表示。你看,这就是指南针的工作原理。指南针就是一个磁体。前面我们说了,地球就是一个巨大的磁体,地球的地磁南极在地理北极附近。地磁北极在地理南极附近。而且地磁的磁极点和地理的南北极点是不重合的。
以前我们说电荷的时候说过,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。在磁极这里,也有类似的规律。那就是同名磁极相互推斥,异名磁极相互吸引。我们可以简单记成同极相斥、异极相吸。
有些物体本来没有磁性,但是在磁体或者电流的作用下具有了磁性。这种使原来没有磁性的物体得到磁性的过程叫做磁化。物体被磁化后还可以消磁。喜欢军事的朋友可能会看过这样的照片,一艘军舰停泊在码头,军舰上很规则的绕着很多圈电缆,这就是在对军舰做消磁处理。军舰在建造时大量采用钢铁材料,在航行的过程中会被地球的磁场磁化,这样军舰舰体的磁性就变强了,这样就容易被敌方的磁探测设备发现,所以军舰在航行一段时间后都要做消磁处理。
磁体周围的空间存在着磁场。这是一种看不见摸不着的物质,能使磁针偏转。人们用磁感线来形象地描述磁场。磁铁周围的磁感线都是从磁铁的北极出来,回到磁铁的南极。你可以想象一下,万磁王左手写着N,右手写着S,然后一条条弧线从左手发出,又钻进他的右手里。当然啦,这只是一个形象说明而已啦。
前面我们说到磁化的时候,说了这样一句,“有些物体本来没有磁性,但是在磁体或者电流的作用下具有了磁性”,这句话里面,磁体的作用还好理解,电流的作用是怎么回事呢?我们先说一个名词,电磁铁。这个词你不熟悉吗?那么电磁起重机呢?电影赛车总动员2里面出现过,动画片小猪佩奇里面也出现过。一个大大的圆盘子,一通电,嗡的一下,就能把汽车从地上吸起来。这东西何德何能,难道是练成了天龙八部里面萧峰大侠的擒龙功了么?那当然不是。圆盘子里面有一个装置,在通电的时候具有很强的磁性,所以能把汽车吸引过来。这个装置就是电磁铁。
电磁铁的原理说出来其实很简单:通电导线的周围存在磁场。这个是电流的磁场。当导线中的电流被切断时,磁场就没有了。电流磁场的方向与电流的方向有关。通电导线周围存在与电流方向有关的磁场,这种现象叫做电流的磁效应。但是咱们家里的各种电线附近为什么没有明显的磁力呢?俗话说,单丝不成线,孤木不成林。一根电线周围的磁场太弱了。我们都知道,团结的力量大。物理学家们把导线按顺序缠绕在一段铁心上,这种缠绕就像海螺壳上的螺线,所以就叫螺线圈,或者螺线管,然后一通电,嗖的一声,附近的螺丝钉啥的都飞过来了,就像哈利波特喊飞来咒一样快。这是因为各圈导线产生的磁场叠加在一起,这样就变强了很多。像这样内部带铁心的螺线管就叫做电磁铁。在通电的情况下,电磁铁也是具有磁性的。那么,电磁铁的南北极怎么确定呢?用右手握住螺线管,让四指指向螺线管中电流的方向,那么拇指所指的那端就是通电螺线管的N极。这个叫做安培定则,又叫右手螺旋法则。其实,单根通电导线周围的磁力线也可以用这个法则来判断,不过物理课本上已经不提了。那电磁铁的磁性和哪些因素有关呢?通过螺线管的电流越强,磁性越强。通电螺线管的匝数越多,也就是缠绕的圈数越多,磁性越强。但是一定要记住,导线要同方向缠绕。
前面说了,通电导线的周围存在与电流方向有关的磁场,那么,通电导体在别的磁场里是不是会受到力的作用呢?答案是肯定的。电动机和扬声器就是这样工作的。
前面说的这一大段话,如果概括成三个字,那就是电生磁。你看,通电了,周围产生了磁场。那么反过来呢?磁生电,有没有这个可能呢?当然有啦。
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流。这种由于导体在磁场中运动而产生电流的现象叫做电磁感应,产生的电流叫做感应电流。发电机就是用这个原理工作的。发电机发电是能量转化的过程,是把动能转化为电能。这一块知识在初中阶段只是了解就可以,不会做太深入的要求。
说完了电生磁,磁生电,我们再来看一个名词,电磁波。初中阶段不深入介绍电磁波的本质,只是稍微介绍一下。电磁波可以在真空中传播。我们用耳朵听到的声音其实是声波,声波的传播需要介质,在真空中是听不见旁边的人说话的。但是电磁波可以在真空中传播。所以,太空中的卫星可以接受和发射电磁波,与地面进行联系。我们前面说过,光可以在真空中传播。因为光也是电磁波。
我们都看过水面上荡起的涟漪,当水面被敲打的时候,会有一圈圈水波扩散出去。水面最高的地方是波峰,最低的地方是波谷。不只是水波,波都是有波峰和波谷的。相邻两个波峰或者波谷的距离叫做波长。波长的单位是米。在某确定位置,1秒钟有多少波峰或者波谷通过,波的频率就是多少,所以频率的单位是“/秒”,读作每秒。用来描述波传播快慢的物理量叫做波速。真空中电磁波的波速为c,也就是真空光速。波速等于波长乘以频率。因为电磁波的波速是个常数,所以波长越长的电磁波,它的频率也就越低。换句话说,频率越高的,波长也就越短。