磁场与磁现象-通识物理精要

人类最早发现的“磁现象”来自天然磁石对铁类物质的吸引。比如，在中国的春秋战国时期，《管子·地数篇》一书中就曾记载“上有慈石者，其下有铜金”的现象，其说明了磁石能吸引某些金属的特性，当然这里字面的“铜金”并非现代化学意义上的“铜金”，而是泛指铁这类金属，这也算是中国有关“磁现象”的最早文字记载了。有趣的是，中国的“磁石”这个名称是从“慈石”转变过来的，意思是磁石吸引铁就像一个慈爱的母亲吸引自己的孩子一样。无独有偶的是，在欧洲大陆的法国人也是最早用类似的名称“aimant（法文意为慈爱）”来命名磁石的。

中国是世界上最早对物质磁性做出全面研究和应用的国家，如图10.9 所示，传说在遥远的夏朝，中华民族的始祖“黄帝”与南方九黎族的首领蚩尤争夺中原，蚩尤战败后施雾逃走，黄帝则在医祖岐伯的帮助下制造了指南车，并在指南车的指引下冲出迷雾，最终抓住并杀死了蚩尤，这个传说可以算是世界上对磁现象最早的应用了。战国时代，中国人根据指南车的传说进一步制成了指南针，最初的指南针用天然磁石制成，样子像一只勺子，底圆，可以在平滑的“地盘”上自由旋转，等它自然静止时勺柄就会指向南方，古人称它为“司南”。中国人发明的指南针，不仅为世界航海业的发展做出了巨大的贡献，也成为体现中国古代科技水平最著名的“四大发明”之一。到了宋代，中国对磁现象的研究达到了更高的水准，代表性的研究成果则是著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中记载和验证了磁针“常微偏东，不全南也”的磁偏角现象，这比欧洲最早记录“磁偏角”现象的英国人诺曼要早约400年。

图10.9　指南车帮助黄帝战胜了蚩尤(www.xing528.com)

我们知道磁石具有磁性，可以吸引铁、钴、镍、锰等金属。所有的磁石都具有两极，一个北极（N 极）、一个南极（S 极）；两极的磁性最强，且磁极间也满足“异性相吸、同性相斥”的基本规律。我们知道：带电物体间的相互作用是通过电场来实现的，那么磁体间的相互作用又是通过什么来实现的呢？根据场论的观点，一个磁体在周围空间会激发磁场，而磁体间的相互作用也是通过磁场来实现的。为了描述磁场的强度和方向，人们引入了“磁感应强度”的物理概念，用字母B 表示。同时，为了形象地描述磁场的分布，人们模仿电场线的做法，也虚拟出一种闭合的曲线，叫作“磁感线”。与电场线类似，磁感线也是一种物质，其疏密程度体现了磁感应强度的大小。在磁体外部，磁感线从N极出发，返回S极；而在磁体内部，磁感线则从S极出发，返回N极，并形成闭合曲线。

其实，地球就是一个天然的大磁体，地磁和地理的两极刚好相反，且存在11.3°的偏角，也就是沈括所发现的“磁偏角”。大雁和鸽子等鸟类做长途飞行就是靠地球磁场的导航来完成的，在大雁和鸽子的大脑内部有一个区域，就像指南针一样，可以感受到地磁线的方向，所以它们可以明显地感知自己的飞行路径，而不会迷失方向。不过，大雁的“人”字形飞行和地磁线没有关系，这只是为了借用前一只大雁扇动翅膀产生的气旋而形成的较为省力的飞行方式。地磁场不仅能为鸟类导航，还能很好地保护地球上的生命。通常，宇宙间充斥着大量宇宙射线，这些高能射线足以杀死任何暴露在辐射下的生物，而地球的磁场就可以很好地屏蔽这些射线。因为这些射线主要由高能的带电粒子构成，而带电粒子在磁场中的运动会因为受到“洛伦兹力”而发生偏转，并转向磁场最强的两极地区，所以地磁场更像是护盾一样时刻保护着地球上的生命。在地球历史上曾有过几次地磁场偏转，那时磁场强度的衰减会导致保护作用的减弱，很多生物就因为高剂量的宇宙辐射而死亡。在这个过程中，海洋生物会占一些便宜，因为带电粒子很难穿过水层，所以海洋也更有利于初级生命的诞生和进化。此外，极光现象的出现也与地磁场有关。我们知道极光常常出现在地球的两极地区，就是因为带电粒子进入地磁场后，会在地磁场作用下转向强磁极区。这些高能带电粒子会使两极地区高空的大气分子电离，从而呈现出一些绚丽多彩的发光现象。极光不只在地球上出现，其他满足“大气、磁场和高能带电粒子”条件的星球上也可以欣赏到这美丽的极光现象。

通常，地震发生前的地磁场会发生显著变化，从而导致一些神奇的地震预警现象，比如：在1976年的唐山大地震前，就有人看到关闭的白炽灯夜间自动亮起，还有市民的收音机突然失灵，这都是典型的震前电磁异常现象。另外，地震前一些动物往往也会表现出极度烦躁的现象，鸡鸣狗吠、鱼儿浮出水面等等。其实，这些现象都可能与地磁场的突变有关。地壳中的岩石通常含有磁性物质，地震前岩石发生剧烈的形变，造成局部地磁场异常，这就是所谓的“震磁效应”。这种突然的地磁场异常会导致电磁场的剧烈变化，从而引发导线的发光放热和电波信号异常；而鸡、狗、鱼等动物对磁场的反应比较敏感，由于长期适应了稳定的地磁场，当磁场突然出现剧烈的变化时，这些动物就会产生烦躁不安的情绪。因此，在地震观测站附近，人们常常会饲养一些对磁场反应敏感的小动物用于地震预警研究。