生活中的“電與磁”

靜川

靜 川：哈爾濱市第113中學物理教師。哈爾濱市骨干教師，道里區(qū)學科帶頭人，科研骨干教師。曾獲全國教學大賽一等獎；多節(jié)示范課已由中央廣播電視大學音像出版社正式出版發(fā)行。

知道生活中怎么可以找到磁鐵嗎？方法可能很多。不過，你可能想不到，如果你拆開一個廢舊的音箱，在揚聲器里定能有所收獲。揚聲器是播放聲音的，為什么要用到磁鐵呢？想要揭開這其中的奧秘，就讓我們從磁鐵說起吧！

找來各種面值新舊不同版本的硬幣，用磁鐵試一試哪些能夠被吸引？其實，磁鐵除了能吸引鐵之外，還能吸引鈷和鎳等物質(zhì)。我們把像磁鐵一樣具有磁性的物體稱為磁體。磁體不同位置的磁性強弱是不同的，你可以將一個條形磁鐵平放在一堆大頭釘中，將條形磁體拿起來你會發(fā)現(xiàn)，兩端吸引的大頭釘最多，而中間幾乎不吸引。磁體上磁性最強的部分叫磁極，任何一個磁體都有N極和S極兩個磁極。你可以試一試，將兩個磁體的N極相對，再將一個磁體的N極和另一個磁體的S極相對，你會發(fā)現(xiàn)同名的磁極會相互排斥，而異名的磁極會相互吸引。很有趣吧！磁懸浮列車就是根據(jù)這個原理制造的。

我們生活中所使用的磁體有些是天然磁體，而有些則是按照我們的具體需要制成的各式各樣形狀的人造磁體，要制造人造磁體需要磁性材料。鐵被磁化后，磁性容易消失，稱為軟磁材料。鋼被磁化后，磁性能長期保持，稱為硬磁性材料。所以制造永磁體使用鋼，制造電磁鐵的鐵芯使用軟鐵。生活中我們所使用的銀行磁卡、錄音磁帶、存儲的磁盤等都應用了磁性材料。

在磁體周圍存在著一種我們看不見、摸不到的物質(zhì)——磁場。磁場雖然看不見，但卻像我們身邊的桌椅一樣真實存在。不信，你可以用一塊磁鐵去靠近靜止在桌面上的小磁針，小磁針轉(zhuǎn)動了，這就是磁鐵周圍磁場對小磁針作用的結(jié)果。磁場既有大小也有方向，為了能夠直觀形象地描述磁場，我們可以在磁體周圍放一些小磁針，當小磁針靜止后，把小磁針所在位置用帶方向的曲線連接起來。任何一點的曲線方向都和放在該點的磁針北極所指的方向一致，我們把這些曲線稱為磁感線。磁感線如同光線一樣，并不是客觀存在的，而是我們建立的一種理想模型。利用這些立體的分布在磁體周圍的磁感線，我們就可以根據(jù)曲線的疏密知道磁場的強弱，而曲線上任一點的切線方向就是該點的磁場方向。

地球其實就是一個巨大的磁體，在地球周圍存在著地磁場。如果在地球附近放一個小磁針，小磁針在地磁場作用下，靜止后就有一個固定的指向性。由于地磁場的南極在地理北極附近，小磁針靜止后N極就會指向地理北極。我國古代的四大發(fā)明之一——指南針，就是這樣被發(fā)明出來的。信鴿能準確地辨別方向也是依靠地磁場。不過，關(guān)于地磁場的形成原因目前還沒有一個確切的定論，或許有一天，你就是揭開這一奧秘的人喲！

我們可以用磁鐵在廢棄的材料堆里將鋼鐵等材料挑選出來回收利用。不過，你想過嗎：磁鐵可以幫我們把鋼鐵吸引起來，但怎么才能放下來呢？有沒有一種磁鐵，它的磁性可以由我們自由掌控呢？電磁鐵的發(fā)明將這一想法變?yōu)榱爽F(xiàn)實，這還要感謝丹麥的物理學家奧斯特。在1840年的一天，奧斯特在實驗時發(fā)現(xiàn)，當導線中有電流通過時，放在導線旁邊的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，這一發(fā)現(xiàn)令他興奮不已。經(jīng)過他的反復實驗，終于證實了通電導體周圍存在磁場的事實。他證明了電和磁能相互轉(zhuǎn)化，這為電磁學的發(fā)展奠定了基礎。他的這一偉大發(fā)現(xiàn)為人類的發(fā)展開辟了一條嶄新之路。

你可以找來一根大鐵釘，將導線密繞在鐵釘上，一個簡易的電磁鐵就制成了。你現(xiàn)在可以在導線中通入電流，去試試看，它是否具有了磁性。如果斷開電流，磁性就會立即消失。而且，你在鐵釘上纏繞的線圈匝數(shù)越多，通過的電流越大，電磁鐵的磁性就會越強。當你改變導線中的電流方向時，電磁鐵的磁極也會隨之改變。怎么樣，電磁鐵的優(yōu)點還真不少吧！電磁鐵在我們的生活中發(fā)揮著重要的作用，電磁起重機、電鈴、磁懸浮列車等都有電磁鐵的應用。更重要的是由電磁鐵引發(fā)制造出來的電磁繼電器更是實現(xiàn)了人們自動控制電路和遠距離控制電路的夢想。

人類向前發(fā)展的腳步從未停止。當奧斯特揭開了電能生磁這一事實后，人們又怎能放棄用磁來生電的想法呢？英國的物理學家法拉第就是擁有這一想法的杰出代表。他一直認為，電和磁之間一定存在密切關(guān)系，而且可以相互轉(zhuǎn)化。他堅信磁也一定能產(chǎn)生電，并決心用實驗來證明它。開始的幾年中，他的各種努力都失敗了，但經(jīng)過近10年的時間，在他的不懈努力下，終于發(fā)現(xiàn)閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，導體中就會產(chǎn)生電流，這就是著名的電磁感應原理。法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應原理是一個劃時代的偉大科學成就，它使人類獲得了打開電能寶庫的金鑰匙，開通了在電池之外大量產(chǎn)生電流的新道路。你一定見過市場上有一種不用電池的“環(huán)保手電”，里面的發(fā)電機就是根據(jù)電磁感應原理制成的。受此啟發(fā)，我相信你在很多設備中都能找到發(fā)電機的身影。

不過，為我們生活輸送電能的發(fā)電站所使用的發(fā)電機組就要復雜得多了。而且，發(fā)電場的發(fā)電機組為我們輸送的都是大小和方向發(fā)生周期性變化的電流，也就是我們常說的交流電?？纯醇抑械碾娔鼙砩鲜遣皇菢擞小?0Hz”的字樣？這就是交流電的頻率?！?0Hz”表示一秒鐘要完成50個周期，電流方向要改變一百次。頻率越高，電流方向改變得越快?？纯茨銓W習時所用護眼臺燈的銘牌，頻率一定很高吧！

法拉第是幸運的，他在發(fā)現(xiàn)電磁感應原理的過程中，還找到了將電能轉(zhuǎn)化為機械能的方法。法拉第在奧斯特實驗中得到啟發(fā)，認為假如磁鐵固定，線圈就可能會運動。于是，他成功地發(fā)明了一種簡單的裝置，在磁場中放入一個線圈，只要有電流通過線圈，線圈就會繞著一塊磁鐵不停地轉(zhuǎn)動。事實上法拉第發(fā)現(xiàn)的通電線圈在磁場中可以受力轉(zhuǎn)動正是今天我們所使用電動機的制造原理。你不妨也自己親手制作一臺直流電動機，或許你的電動機并不能順利的連續(xù)轉(zhuǎn)動起來，那是因為要想讓線圈在磁場中連續(xù)轉(zhuǎn)動還需要有換向器的幫助。換向器并不是一個復雜的元件，你可以在電動玩具中拆開一個直流電動機，憑你的聰明才智一定能找到其中的奧妙。你能想象到一輛汽車上有多少個電動機嗎？——二三百個之多。你現(xiàn)在一定會對這些為我們創(chuàng)造今天幸福生活而不懈努力的科學家們感到由衷的敬佩吧！

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，電流的磁效應、電磁感應、磁場對電流的作用等這些電磁學的基本原理發(fā)揮著越來越大的作用。當你手拿電話與朋友聊天時，你可能不會想到電話與發(fā)電機和電動機有關(guān)吧。電話的基本原理：振動→強弱變化的電流→振動。如果從能量轉(zhuǎn)化的角度去思考，就是先將機械能轉(zhuǎn)化為電能，再將電能轉(zhuǎn)化為機械能，這種能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系不正是與發(fā)電機和電動機一致嗎？所以，電話的話筒應用的是電磁感應原理，而聽筒則是應用了磁場對電流的作用這一原理。我們K歌時所用的麥克風則與話筒原理相同，音箱中的揚聲器則與聽筒是相同的原理?，F(xiàn)在你明白為什么揚聲器中會有磁鐵了吧！.

另外，我們現(xiàn)代生活更離不開傳感器。傳感器是將其他信息轉(zhuǎn)化為電信息的元件，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。例如：遙控器中有紅外線傳感器，路燈有光感傳感器，電子秤有壓力傳感器……。傳感器早已滲透到工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源勘探、醫(yī)學診斷、生物工程，甚至文物保護等極其廣泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目都離不開各種各樣的傳感器。

怎么樣，是不是對電與磁的知識產(chǎn)生了極大的興趣？其實，生活中有著太多太多的新奇等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)、去探索、去揭秘。如果你擁有一顆好奇的心，有對知識的無限渴望，有敢于動手實踐的勇氣，在科學的海洋中，你定能乘風破浪，向著更高的目標邁進。endprint