磁铁的发现和应用
《三辅黄图》一文中有记载：“阿房宫……以慈石为门，怀刃者止之。”唐代的《元和郡县志》中的陈述：“秦磁石门，在咸阳东南十五里。东南有阁道，即阿房宫之北门也，累磁石为之。着铁甲入者，磁石吸之不得过。羌胡以为神。”《长安志》亦有记载：“东西有阁道，垒磁石为之，著铁甲入者，磁石吸之，不得过。”
古籍的记述中是阿房宫所采取的安全措施，这也是关于阿房宫最为神秘的传说之一。为什么说是传说？其实是因为在正史中并未找到明确的记载，楚霸王项羽军队入关以后，恨乌及屋，楚人一炬，可怜焦土。“磁石门”随着富丽堂皇的宫殿一起在历史的尘烟中漫去。于是，留给后人无尽的念想，也有了关于磁石门究竟有没有的困惑和探讨。
在2000多年前的春秋时期，我们的祖先就发现了天然磁铁矿石吸铁的性质。《管子》中有记载：“上有慈石者，下有铜金”。因为它好像慈祥的母亲吸引孩子一样，所以取名“慈石”，后来才改叫“磁石”。这就是磁铁，通俗的名字叫“吸铁石”。
我国是最早发现磁石的指向性的国家之一，司南就是最早的磁性定向工具。而后，在司南的基础上，发明了指南针。我国古籍中，关于指南针的最早记载始见于沈括的《梦溪笔谈》。该书介绍了指南针的四种用法：水法，用指南针穿过灯芯草而浮于水面；指法，将指南针搁在指甲上；碗法，将指南针放在碗沿；丝悬法，将独股蚕丝用蜡粘于针腰处，在无风处悬挂。磁针的制作，采用了人工磁化方法。正是由于指南针的出现，沈括最先发现了磁偏现象，“常微偏东，不全南也”。
南宋时，陈元靓在《事林广记》中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑，对于指南仪器，这是在结构上的一次较大改进，为将指南针用于航海提供了便利条件。指南针用于航海的记录，最早见于宋代朱彧的《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。以后，关于指南针的记载极丰。到了明代，遂有郑和下西洋，远洋航行到非洲东海岸之壮举。
图1.1.1 后世仿造的阿房宫
图1.1.2 司南
表1.1.1 分层学习要求
认识磁体
磁体在现代生活和科学技术中应用广泛。它使我们的生活更加便捷、有趣。
当你想把可爱的挂件挂出来展示，又不想弄脏墙面，磁铁挂钩来帮忙。磁铁可以直接吸附在入户门、冰箱、洗衣机等金属表面，既不弄脏墙面，又将挂饰完美展示。当你想要在黑板醒目位置张贴通知，胶带不是唯一选择，磁贴可以助你一臂之力。它方便粘取，还不会留下黏腻的痕迹。还记得小时候玩过的磁力片吗？你可以利用它们之间的互相吸引，任意变换形状，展现你惊人的想象力和创造力。如图1.1.3所示。
1.磁体应用广泛，得益于它的什么性质呢？
图1.1.3 磁体在生活中的应用
2.什么是磁铁？磁铁有哪些应用？
磁铁挂钩能够吸住金属表面，磁贴能够吸住黑板，磁力片能够互相吸引，关键在于它们内部有磁铁存在。磁铁能够吸引所有物体吗？通过不断尝试，你会发现，磁铁能够吸引铁、钴、镍等物质。人们最早发现的磁铁，属于天然的磁铁矿。古希腊人和古代中国人发现自然界中有种天然磁化的石头，能够神奇地吸起小块的铁，人们称其为“吸铁石”或者“磁石”。现在，人造磁铁的种类越来越丰富。磁性塑料和磁性橡胶是19世纪70年代发展起来的新型高分子功能材料，磁性冰箱贴就是用磁性橡胶制成的，样式精美，装饰效果绝佳。如图1.1.4所示。
图1.1.4 磁性材料
天然磁铁矿和人造磁铁，统称为磁体。
磁体的磁性
能吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。
在桌面上均匀地撒一些细铁屑，当磁铁靠近这些铁屑时，磁铁的两端都吸上了较多的铁屑，而磁铁的中部吸引得较少（见图1.1.5）。这说明，磁铁各个部分磁性强弱不同，两端的磁性比中部要强很多，磁铁两端磁性强的区域称为磁极。
3.磁极间的相互作用是通过什么实现的呢？
图1.1.5 磁铁吸引铁屑
将一根条形磁铁用细线悬挂起来（见图1.1.6），当磁铁静止时，它总是朝向南北方向。将磁铁转向东西方向，释放后，当其静止时，它又会朝着南北方向。从这个简单的实验现象可以知道，磁铁有极性。磁铁静止悬挂时，指向北的磁极称为北极（或N极），指向南的称为南极（或S极）。磁极总是成对出现，至今还未发现单磁极的磁体。指南针其实就是一个可以自由旋转的小磁体（见图1.1.7）。
图1.1.6 悬挂的条形磁铁
4.设想一下，若是一根磁铁从中间断开了，会出现两个磁单极吗？
图1.1.7 指南针
5.磁极的指向是否不变，它会受什么影响？
想一想
如果用另一根磁铁的一端分别靠近如图1.1.8所示悬挂磁铁的N极和S极，仔细观察，你会发现什么？
通过实验发现，当两根磁铁的N极靠近时，它们相互排斥；当两根磁铁的S极靠近时，它们也是相互排斥；然而，当一根磁铁的N极靠近另一根磁铁的S极时，或者一根磁铁的S极靠近另一根磁铁的N极，它们相互吸引。简而言之，磁极间的相互作用遵循这样的规律：异名磁极互相吸引，同名磁极互相排斥。
6.总结磁体间相互作用的规律，举例生活中哪些物品应用了这个规律？
图1.1.8 同名磁极相斥，异名磁极相吸
可以自由转动的指南针静止时总会朝着南北指向，周围没有磁铁，它为什么会这样呢？我们似乎可以从磁极间的相互作用中推测：地球可能本身就是一个巨大的磁体，并且，地球这个磁体的S极应该在地球的地理北极附近，地球这个磁体的N极应该在地球的地理南极附近，因为指南针的N极总是指向地球的北方——即地磁的S极。如图1.1.9所示。
7.指南针总是指向南北方向，地磁的南北方向与磁体的南北极有什么关系？
图1.1.9 地磁场
中国宋代科学家沈括（1031—1095年）是历史上第一位从理论高度来研究磁偏现象的人。他在《梦溪笔谈》中，最早记载了地磁偏角“方家（术士）以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”。首位提出较系统理论的是英国人威廉·吉尔伯特（William Gilbert，公元1544—1603年）。他在1600年著的《磁石论》一书中，把当时许多有关磁体性质的事实都记录了下来，同时创造性地做了划时代的实验：把一块天然磁石磨制成一个大磁球，用小铁丝制的小磁针装在枢轴上，放到该磁球附近，在这磁球面上发现小磁针的各种行为与我们在地球上看到指南针的行为完全一样。吉尔伯特用石笔把小磁针排列的指向标出一条条线，画成许多子午圈，与地球经线相像，也有一条赤道，小磁针在赤道上则平行于球面。因此吉尔伯特提出了一个理论：认为地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点，即磁极上。
8.地球的磁场跟哪种磁体的磁场比较类似呢？
图1.1.10 沈括
图1.1.11 威廉·吉尔伯特（William Gilbert）
磁化与消磁
散落在桌面上的回形针可以被磁铁吸引。实验时，你会发现被吸上去的回形针的下方还有回形针被吸着，如图1.1.12所示。这说明：与磁铁接触的回形针具有了磁性。当移走磁铁时，回形针纷纷脱落，且相互之间也不再吸引，这又说明：脱离磁铁时，原本“具有”磁性的回形针又失去了磁性，很快就会散落开来。
图1.1.12 永磁体使回形针磁化
9.什么是磁化？磁化有哪些方法？
一些物体在磁体或电流的作用下会显现磁性，这种现象叫做磁化。在刚才的实验中，之所以磁铁下方的回形针具有了磁性，就是磁铁将其磁化的结果。
当磁化后的材料受到了外来能量的影响，例如加热、冲击，磁性会减弱或消失，这个过程就称为消磁。还有一种消磁的方法是：把留有磁性的材料置于交流磁场中，渐渐减弱交流磁场强度直至消失，此材料就被消磁了。
10.什么是消磁，消磁有哪些方法？
磁性材料（见图1.1.3）按照磁化后消磁的难易程度，可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁材料，不容易去磁的物质叫硬磁材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。软铁（碳的成分很低的铁）就是常见的软磁材料，而钢就是常见的硬磁材料。
11.磁性材料可以如何分类？(www.xing528.com)
图1.1.13 磁性材料
磁场
磁体间的相互作用遵循“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”的规律。而且两块磁铁即使不是紧挨着，只要它们不是距离非常远，我们就可以感觉到它们之间力的作用，不管是引力还是斥力。可是它们之间并没有绳子或者弹簧之类的东西连着，那么这个力是怎么来的呢？
如图1.1.14所示，磁体与小球并未接触，却改变了小球的运动方向。这说明：磁体周围存在着我们肉眼看不见的物质——磁场。磁体周围存在着磁场，磁场对放入其中的磁体有作用力，这是磁场的基本性质。
图1.1.14 磁体吸引小球
做一做
磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。如图1.1.5所示，用条形磁铁靠近小磁针，你会观察到，小磁针发生偏转，这是因为小磁针处于条形磁铁的磁场中，条形磁铁的磁场对小磁针产生力的作用，小磁针受力发生偏转。紧接着，交换磁体的磁极方向，观察小磁针的偏转方向，你会发现，小磁针的偏转方向也发生了改变，这是因为力的方向发生了改变。当然，小磁针周围也存在磁场，当条形磁铁靠近小磁针时，条形磁铁也会处于小磁针的磁场中，小磁针的磁场对条形磁铁产生力的作用。小磁针对条形磁铁的力和条形磁铁对小磁针的力，这两个力是一对相互作用力，大小相等。只不过小磁针对条形磁铁的力相对于条形磁铁而言，作用效果不明显。
图1.1.15 条形磁铁使小磁针发生偏转
12.磁场产生的力的作用效果与什么有关？
把同一个小铁钉放在条形磁铁产生的磁场中的不同位置，小铁钉受到的磁力大小和方向不同，这表明磁场不仅有强弱而且有方向。
磁场的方向如何确定呢？我们可以通过小磁针的指向，去寻找答案。在条形磁铁的周围，多放置一些小磁针，观察小磁针N极的指向。你会发现，当小磁针静止时，小磁针指向确定，且在不同位置静止时，小磁针的指向并不相同，如图1.1.16所示。小磁针静止是因为它的两极受到的磁场力作用线过转轴，即力矩均为零。这说明这些小磁针的指向大致描述了条形磁铁周围磁场的方向。
图1.1.16 永磁体周围小磁针的指向
13.不同磁体的外部磁场分布有哪些特点？
物理学中规定：小磁针在磁场中某一点静止时，N极的指向即为该点磁场的方向。从某种意义上说，磁场方向的规定有一定的人为因素。
如果将条形磁铁或U形磁铁上放一块透明玻璃板，将铁屑均匀的撒在玻璃板上，轻轻敲击玻璃板，发现铁屑呈现如图1.1.17所示的分布。图1.1.16与图1.1.17所示的情景是不是很相似呢？其实，图1.1.17中的铁屑被磁化了，因此与图1.1.16中小磁针的情景别无二致。在磁铁的磁场内，铁屑颗粒受到磁力作用而具有磁性，每一个铁屑颗粒就相当于一个小磁针。
14.圆环形磁铁内部有磁场吗？请说明你的探究方案？
图1.1.17 永磁体周围铁屑的分布
15.为什么我们不规定S极的方向为磁场方向呢？
铁屑的分布还表征了磁场强弱的信息。在磁铁的两极处，铁屑的分布最密集，说明铁屑在该处所受磁力较大，磁性较强；离两极越远，铁屑的图样越来越稀疏，说明该处磁力较小，磁性较弱，磁场也越弱。铁屑颗粒分布的疏密情况，可以显示铁屑在磁铁周围各处所受的磁力大小，也可以呈现出磁铁周围各处磁场的强弱，但却无法显示磁铁周围各处的磁场方向。
16.铁屑分布的疏密程度与磁场强弱的关系是怎样的？
在一块薄玻璃板的下面分别放两块磁铁，让它们的异名磁极相对，或者同名磁极相对。玻璃板上面撒一些细的铁屑，看会发生什么现象？你会看见，铁屑会自动排列起来，连成一条条曲线，如图1.1.18所示。
图1.1.18 铁屑分布图
17.试试看画出条形磁体周围的磁感线。
其中，N、S极相对的两块磁体中间，铁屑在N极和S极之间形成的曲线是连续的，也就是说，曲线从N极直至S极，而N极和N极之间的曲线互相排斥，不能融合和贯穿。这种现象说明，磁铁的两极之间存在某种联系。为了形象地描述磁场，人们就把铁屑在磁场中的排列情况，用一些带箭头的曲线来表示，这样的曲线叫做磁感线。磁感线上，任何一点的切线方向表示该点磁场的方向，曲线分布的疏密程度表示磁场的强弱。几种典型磁场的磁感线分布情况如图1.1.19所示。
图1.1.19 几种典型磁场的磁感线分布
18.磁感线是否真实存在？它有哪些特征？
19.理解记忆几种典型磁场的磁感线分布！
有了磁感线，我们就可以很方便地描述磁铁之间的相互作用。但是必须明白，磁感线是我们为了理解方便而假想的，实际上并不存在。
自我评价
1．关于磁场，下列说法正确的是（ ）。
A．地磁场的N极在地理北极附近，S极在地理南极附近，地磁两极与地理两极并不完全重合
B．磁极间的相互作用不都是通过磁场发生的
C．磁感线是磁场中真实存在的一些曲线
D．磁体周围的磁感线从磁体的N极发出，回到磁体S极
2．在一个圆纸盒里有一个条形磁体，圆纸盒外放着一些小磁针，各磁针的指向如图1.1.20所示，请画出圆纸盒里的磁体并标明N、S极。
图1.1.20 圆纸盒与小磁针
3．如图1.1.21所示，小磁针处于静止状态，请在图中虚线处标出磁感线的方向和小磁针的N极。
图1.1.21 条形磁铁的磁场
4.有两根完全相同的钢棒，一根有磁性，另一根没有磁性，如果不用其他器材，怎样才能知道哪一根有磁性，哪一根没有磁性？
磁畴：用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理
磁铁的外部，磁感线由磁铁的N极穿出，进入磁铁的S极。那么，磁铁的内部情况又如何呢？
要解释上面的问题，我们还应该认识磁体的内部情况。磁性材料里面分成很多微小的区域，每一个微小区域就叫一个磁畴，如图1.1.22，每一个磁畴都有自己的微小磁场。
图1.1.22 磁畴
一些材料，其内部各个磁畴的微小磁场方向不同，磁场互相抵消，所以整个材料外显的磁性是很微弱的。当各个磁畴的方向趋于一致时，整块材料对外就显示出磁性，磁化就是在做这件事（见图1.1.23）。当对外不显磁性的材料被放进另一个强磁场中时，就会被磁化。但是，不是所有材料都可以被磁化的，只有少数金属及金属化合物可以被磁化。
图1.1.23 磁化前后
用磁畴可以解释磁体被分开后为什么并不是两半各剩一个磁极了。在条形磁体中间，存在着许许多多磁畴的北极和南极，彼此相对排列，磁性相互抵消。而在磁体两端的磁畴磁极处于磁体的最外端，没有与之相反的磁极，因此磁性很强。如果将磁体分割成两半，其中的磁畴依然按同样的方式排列着，因此，半块磁体的两端同样分别有许多的磁畴南极和北极，构成很强的磁性。
可能你已经发现，磁铁内部各个磁畴排列一致，都是由S指向N，由此可以推测：磁铁内部的磁场从S极指向N极。
综上所述，磁铁外部的磁感线从磁铁的N极穿出，进入磁铁的S极，在磁铁内部从S极又回归到N极，磁感线形成闭合的回路，条形磁铁的磁场分布如图1.1.24所示。[1]
图1.1.24 条形磁铁的磁感线
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