物理学一个基本而深奥的谜团：为什么磁铁会“两极分化”？

量子认识 2023-05-08 16:15:46

我们许多人都知道，如果把一个条形磁铁一分为二，即使分得很小，磁铁仍然会“两极分化”：有两个不同的磁极，通常称为南极与北极。每个磁铁的北极都会被另一个磁铁的南极吸引，反之亦然。

这种吸引力特性使磁铁具有广泛的用途，从日常生活中的冰箱到医学成像，都离不开磁铁。

磁铁的“两极分化”是如何形成的呢？为什么有北极和南极？这是物理学家们一直在研究的问题，认为这是物理学中一个基本与深奥的谜团。尽管人们已经使用磁铁数千年，但科学家仍在认知有关它们如何工作的深层原理。

磁铁为什么会有磁极的最基本答案在于电子的行为。所有物质，包括磁铁，都是由原子构成的。在每个原子中，原子核被一个或多个带负电的电子包围。这些电子会产生微小的磁场，被科学家称为“自旋”。如果这些小磁场有足够多的指向同一方向，材料本身就会具有磁性。

电子的“自旋”是一个抽象概念，因为它是那么小，无法在显微镜下看到，但物理学家知道电子有磁场，因为他们可以测量到这种磁场。电子旋转是产生磁场的一种方式。反转电子的自旋方向，磁场就会翻转。

在可能的情况下，电子会成对出现，使它们的自旋相互抵消，使原子的净磁性为零。但在某些元素中，例如铁，就不可能发生。电子的数量和它们在原子核周围的位置意味着每个铁原子都会有一个不成对的电子，它产生一个微小的磁场。

在未被磁化的材料中，许多单独的磁场指向着随机的方向。这种状态下，它们大部分会相互抵消，所以材料总体上不具有磁性。但在适当的条件下，微小的亚原子磁场会对齐并指向同一方向，就像一个人群中四处走动的人与一个组织起来并面向同一方向的人之间的区别。这些非常小的磁场组合起来会产生更大的磁场，因此材料就成为了一个磁体。

永磁体是一种常用的磁体，其中许多原子的磁场已经被某种外力永久地对齐，比如置于一个更强大的磁场中。

通常，更强大的磁场是由电力产生的。电和磁从根本上是联系在一起的，磁场是由电荷的运动产生的。这就是旋转电子具有磁场的原因。科学家还可以利用电力来制造非常强大的磁铁。当电流通过线圈时会产生非常强的磁场，只要电流流动就会持续。这些电磁铁经常用于物理研究，并用于医疗工具，例如磁共振成像 (MRI) 机器等。

地球也有自己的磁场——这就是指南针工作的原理。科学家将磁铁的北极定义为如果磁铁可以自由旋转，则指向地球北极的一端。但从技术上讲，这意味着地球上的北磁极实际上是南磁极，因为相反的两极相互吸引。