“嗨!我叫Dean,今年7岁啦。我的问题是:磁铁如何以及为什么会吸附在一起啊?”——Dean,7岁,佛蒙特州。
Dean你好!
这是一个好问题,虽然回答起来会有点棘手,但是我会尽我所能地去回答这个问题。
每块磁铁都有两个磁极:南极和北极。我们之所以这样称呼它,是因为当你用一根细线将磁铁悬挂起来时,磁铁的北极会(近乎)指向北方。
这是因为地核(地球的中心)相当于一块巨大而磁力微弱的磁铁。而你手上悬挂的这一小块磁力强大的磁铁与其平齐,所以它会指向北方。这同样也是指南针的工作原理所在。
如果你在磁铁周围洒一些铁屑(铁的细粉),你就能看到磁场的图像。
磁铁不总是互相吸引
如果你握反了两块磁铁,它们会推开彼此——它们会互相排斥!也就是说,如果你将两个磁铁相同的两个磁极(两个北极或两个南极)握在一起,它们会互相排斥。试试看!这感觉就像磁铁被外面包裹着的一层隐形橡胶推开了一样。而这看不见的一层被称为磁场。
同极相斥:我们可以用带箭头的曲线(名为磁感线)来描绘磁铁周围磁场的形状。磁感线总是从磁铁的北极出发,指向磁铁的南极。当两块磁铁的同级相向时,磁铁发出的磁感线指向相反的方向而不能相接。因此磁铁会推开彼此(互斥)。图片来源:本文作者
只有当你握住不同的两个磁极(一个磁铁的北极指向另一个磁铁的南极)的时候,这两块磁铁才会吸附在一起(它们相互吸引)。这个时候,磁场就会像一条被拉伸的橡胶带一样将两块磁铁拉到一起。(小心,两块强磁铁相吸时的力量足以夹伤你的皮肤)
异级相吸:当北极与南极相向时,磁感线指向相同的方向而可以相接,因此磁铁可以被拉到一起(互相吸引)。图片来源:本文作者
所以,为什么这些磁铁会相吸或相斥?
你也许听说过能量这个概念。而运动需要能量。
静止的汽车在汽油燃烧时才会移动。这是因为汽油所储藏的能量会在其燃烧时被释放出来。
当这些储藏起来的能量被释放时,它的部分能量将转变为动能。科学家称这种储藏起来的能量为“势能”,而称这种用以运动的能量为 “动能”。
当你开始跑步时,你之所以可以跑起来是因为储存在食物中的能量被释放出来,其中的部分能量转化为了动能。
这跟磁铁又有什么关系呢?这么说吧,围绕着所有磁铁的磁场也有这种储藏起来的能量。但是有一种方法可以改变磁铁周围储能的量。同时,你改变它的方式将决定磁铁移动的方向。
需要记住的法则
宇宙万物都遵循着一个法则。但是在告诉你这个法则之前,我必须得申明的是,解释为什么宇宙会遵循这种没有复杂数学模型的法则并不容易。我只能说:“宇宙它就是这样表现的”。(抱歉,我也不喜欢这样的回答。)
这个法则是:只要物体储有能量(同时这个物体没有被束缚或者被卡在原地),它就会趋向于减少储藏的能量。而这些储藏起来的能量将被动能所取代。
因此,如果两个异极相对(北极指向南极)的磁铁彼此靠近可以减少储存在磁场中的能量,它们就会被推向一个能够减少储能量的方向。也就是说,它们会被拉到一起去(这被称为吸引)。
如果两个同极相对(南极指向南极或北极指向北极)的磁铁彼此分开将会减少储存在磁场中的能量。
那么,我们的法则会让磁铁被推向减少其储能量的方向。也就是说,它们会被分开(互斥)。
我同样需要申明的一点是,下落的物体受地球的吸引而坠落,这不是因为磁性,而是因为重力。地球同样被一个储备有能量的重力场包围着。
与磁力不同,重力永远不会排斥某物,因为它只指向一个方向,不分南极和北极。
我能源源不断从磁场中获取储存起来的能量吗?
不能。
一旦两个磁铁吸附在一起,你将需要通过再次分开磁铁来把一些能量重新“放回”到磁场之中。你无法获得任何能量。
将磁铁分开所需要的能量来源于你,而你获取的这些能量来源于你所吃的食物。而且你所吃的植物或动物又会从其他的植物和动物,或者从太阳那里获得能量。所有的能量都来自某个地方。
作者:Stephen G. Bosi
翻译:黄奇芳