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每块磁铁都有两个磁极:南极(S)和北极(N)。如果用绳子将一块磁铁悬挂起来,小朋友们就会发现磁铁的南北极几乎完全和地球的南北极方向相同,这也正是磁铁南北极得名的原因。
之所以会产生这种“巧合”,是因为地心本身就是一块巨大但磁力很弱的磁铁;而我们手中的磁铁虽然体积比较小,但磁力却非常强,且与地心平行,因此它的南北极始终指向地球的南北极。我们平时常见的磁铁指南针,就是利用这个原理进行工作。
但当两块磁铁摆放在一起的时候,如果同名磁极相对(即北极对着北极,或者南极对着南极),就会出现会“推开”彼此的现象,相互排斥。这种场景下,两块磁铁就像是两只被看不见的手拽住一样,被强行拉扯分离。这个隐形的“手”就叫做“磁场”,当我们把铁粉撒在磁铁周围,就可以看到“磁场”的大致分布。
那什么是同名磁极相斥,异名磁极相吸?
我们用带箭头的曲线(磁感线)描绘磁铁周围的磁场形状。磁感线总是从北极出发,指向南极,是一条闭合的曲线。当两个北极或南极相对时,磁感线指向两个相反的方向,无法“连接”在一起,因此这两块磁铁会“推开”彼此,即同名磁极相互排斥。
只有当两个异名磁极摆在一起时(南极对北极,北极对南极),两块磁铁才会吸在一起,即异名磁极相吸。此时的磁场就像一个橡皮筋,把两块磁铁牢牢地“捆”在了一起。在这里需要提醒小朋友们,自己动手进行实验的时候一定要小心,因为强大“磁力”可能会夹伤你的手指。
搞清楚了“磁感线”的作用后,我们就可以进一步解释磁铁为什么会出现相斥或相吸的不同现象了。
你可能听说过“能量”这个词。物体的移动需要能量供应,比如只有汽油开始燃烧,静止的汽车才会移动,这是因为汽油燃烧会释放它所储存的能量。
当储存的能量释放时,部分能量会转化为运动所需的能量。科学家将储存的能量叫做“势能”(potentia lenergy),因运动而具有的能量叫做“动能”(kinetic energy)。
古装剧中,攻城时所用的重力抛石机,就是利用了平衡重锤的重力势能,将石头抛向敌城;我们吃下的食物为自身储存了能量,当走路或跑步时,其中的部分能量就转化成了动能。
这和磁铁有什么关系呢?其实,所有磁铁周围的磁场都具有势能,其能量的大小可以改变,改变磁力势能大小的方式就决定了磁铁会发生怎样的运动。
宇宙万物的运动都遵循这样一条规律。不过若是没有复杂的数学运算作支撑,人类很难解释清楚这条规律,因为宇宙就是如此运行的——朝某个方向推动任意地方的具有势能的物体(前提是未被捆住或固定住),物体移动,它的势能将减少并转化为动能。
因此,对两块异名磁极相对(南北极相对)的磁铁而言,彼此靠近会减弱他们磁场中储存的势能,即它们将会朝着能够减弱势能的方向移动,被迫吸在一起,也就是我们所说的“异名相吸”。
若两块磁铁同名磁极相对,即北极对北极、南极对南极,当二者将彼此推开时,势能就会减弱。基于“磁铁会朝着能够减小势能的方向移动”这条规律,所以同名磁极会相互排斥。
“动能—势能”转化的另一个经典例子就是过山车:当过山车从高处冲下时,势能将不断转化为动能,在到达最低点之前,过山车的速度会越来越快。
还需要说明的一点是,物体被地心吸引落向地面并不是因为磁力作用(magnetism),而是地心引力(gravity)作用的结果。地球周围还存在一个“引力场”,同样储存着能量。
和磁力不同,重力从不会产生“排斥”的效果,因为重力的方向只有一”个,永远指向地心,且重力没有南北两极之分。
那么我们可以无止尽地从磁场中“汲取”势能吗?
并不能。當两块磁铁吸在一起后,我们必须把一些势能“放回”磁场才能把他们拉开,而能量是不能够平白无故地获得的。实际上,把吸在一起的两块磁铁拉开所提供的能量来源于我们自身,我们身体内的这些能量又来源于吃下的食物,而吃下的蔬菜、肉类所具有的能量又来自为它们提供能量的动植物或是太阳。
因此,在最后我们还需要记住一能量不会凭空产生,所有能量都有它的出处,世界上并不存在所谓的“永动机”。
——摘自“果壳童学馆”
之所以会产生这种“巧合”,是因为地心本身就是一块巨大但磁力很弱的磁铁;而我们手中的磁铁虽然体积比较小,但磁力却非常强,且与地心平行,因此它的南北极始终指向地球的南北极。我们平时常见的磁铁指南针,就是利用这个原理进行工作。
但当两块磁铁摆放在一起的时候,如果同名磁极相对(即北极对着北极,或者南极对着南极),就会出现会“推开”彼此的现象,相互排斥。这种场景下,两块磁铁就像是两只被看不见的手拽住一样,被强行拉扯分离。这个隐形的“手”就叫做“磁场”,当我们把铁粉撒在磁铁周围,就可以看到“磁场”的大致分布。
那什么是同名磁极相斥,异名磁极相吸?
我们用带箭头的曲线(磁感线)描绘磁铁周围的磁场形状。磁感线总是从北极出发,指向南极,是一条闭合的曲线。当两个北极或南极相对时,磁感线指向两个相反的方向,无法“连接”在一起,因此这两块磁铁会“推开”彼此,即同名磁极相互排斥。
所有磁铁周围的磁场都具有势能,其能量的大小可以改变,改变磁力势能大小的方式就决定了磁铁会发生怎样的运动。
只有当两个异名磁极摆在一起时(南极对北极,北极对南极),两块磁铁才会吸在一起,即异名磁极相吸。此时的磁场就像一个橡皮筋,把两块磁铁牢牢地“捆”在了一起。在这里需要提醒小朋友们,自己动手进行实验的时候一定要小心,因为强大“磁力”可能会夹伤你的手指。
搞清楚了“磁感线”的作用后,我们就可以进一步解释磁铁为什么会出现相斥或相吸的不同现象了。
你可能听说过“能量”这个词。物体的移动需要能量供应,比如只有汽油开始燃烧,静止的汽车才会移动,这是因为汽油燃烧会释放它所储存的能量。
当储存的能量释放时,部分能量会转化为运动所需的能量。科学家将储存的能量叫做“势能”(potentia lenergy),因运动而具有的能量叫做“动能”(kinetic energy)。
古装剧中,攻城时所用的重力抛石机,就是利用了平衡重锤的重力势能,将石头抛向敌城;我们吃下的食物为自身储存了能量,当走路或跑步时,其中的部分能量就转化成了动能。
这和磁铁有什么关系呢?其实,所有磁铁周围的磁场都具有势能,其能量的大小可以改变,改变磁力势能大小的方式就决定了磁铁会发生怎样的运动。
宇宙万物的运动都遵循这样一条规律。不过若是没有复杂的数学运算作支撑,人类很难解释清楚这条规律,因为宇宙就是如此运行的——朝某个方向推动任意地方的具有势能的物体(前提是未被捆住或固定住),物体移动,它的势能将减少并转化为动能。
因此,对两块异名磁极相对(南北极相对)的磁铁而言,彼此靠近会减弱他们磁场中储存的势能,即它们将会朝着能够减弱势能的方向移动,被迫吸在一起,也就是我们所说的“异名相吸”。
若两块磁铁同名磁极相对,即北极对北极、南极对南极,当二者将彼此推开时,势能就会减弱。基于“磁铁会朝着能够减小势能的方向移动”这条规律,所以同名磁极会相互排斥。
“动能—势能”转化的另一个经典例子就是过山车:当过山车从高处冲下时,势能将不断转化为动能,在到达最低点之前,过山车的速度会越来越快。
还需要说明的一点是,物体被地心吸引落向地面并不是因为磁力作用(magnetism),而是地心引力(gravity)作用的结果。地球周围还存在一个“引力场”,同样储存着能量。
和磁力不同,重力从不会产生“排斥”的效果,因为重力的方向只有一”个,永远指向地心,且重力没有南北两极之分。
那么我们可以无止尽地从磁场中“汲取”势能吗?
并不能。當两块磁铁吸在一起后,我们必须把一些势能“放回”磁场才能把他们拉开,而能量是不能够平白无故地获得的。实际上,把吸在一起的两块磁铁拉开所提供的能量来源于我们自身,我们身体内的这些能量又来源于吃下的食物,而吃下的蔬菜、肉类所具有的能量又来自为它们提供能量的动植物或是太阳。
因此,在最后我们还需要记住一能量不会凭空产生,所有能量都有它的出处,世界上并不存在所谓的“永动机”。
——摘自“果壳童学馆”