生活中的“电与磁”

静川

静 川：哈尔滨市第113中学物理教师。哈尔滨市骨干教师，道里区学科带头人，科研骨干教师。曾获全国教学大赛一等奖；多节示范课已由中央广播电视大学音像出版社正式出版发行。

知道生活中怎么可以找到磁铁吗？方法可能很多。不过，你可能想不到，如果你拆开一个废旧的音箱，在扬声器里定能有所收获。扬声器是播放声音的，为什么要用到磁铁呢？想要揭开这其中的奥秘，就让我们从磁铁说起吧！

找来各种面值新旧不同版本的硬币，用磁铁试一试哪些能够被吸引？其实，磁铁除了能吸引铁之外，还能吸引钴和镍等物质。我们把像磁铁一样具有磁性的物体称为磁体。磁体不同位置的磁性强弱是不同的，你可以将一个条形磁铁平放在一堆大头钉中，将条形磁体拿起来你会发现，两端吸引的大头钉最多，而中间几乎不吸引。磁体上磁性最强的部分叫磁极，任何一个磁体都有N极和S极两个磁极。你可以试一试，将两个磁体的N极相对，再将一个磁体的N极和另一个磁体的S极相对，你会发现同名的磁极会相互排斥，而异名的磁极会相互吸引。很有趣吧！磁悬浮列车就是根据这个原理制造的。

我们生活中所使用的磁体有些是天然磁体，而有些则是按照我们的具体需要制成的各式各样形状的人造磁体，要制造人造磁体需要磁性材料。铁被磁化后，磁性容易消失，称为软磁材料。钢被磁化后，磁性能长期保持，称为硬磁性材料。所以制造永磁体使用钢，制造电磁铁的铁芯使用软铁。生活中我们所使用的银行磁卡、录音磁带、存储的磁盘等都应用了磁性材料。

在磁体周围存在着一种我们看不见、摸不到的物质——磁场。磁场虽然看不见，但却像我们身边的桌椅一样真实存在。不信，你可以用一块磁铁去靠近静止在桌面上的小磁针，小磁针转动了，这就是磁铁周围磁场对小磁针作用的结果。磁场既有大小也有方向，为了能够直观形象地描述磁场，我们可以在磁体周围放一些小磁针，当小磁针静止后，把小磁针所在位置用带方向的曲线连接起来。任何一点的曲线方向都和放在该点的磁针北极所指的方向一致，我们把这些曲线称为磁感线。磁感线如同光线一样，并不是客观存在的，而是我们建立的一种理想模型。利用这些立体的分布在磁体周围的磁感线，我们就可以根据曲线的疏密知道磁场的强弱，而曲线上任一点的切线方向就是该点的磁场方向。

地球其实就是一个巨大的磁体，在地球周围存在着地磁场。如果在地球附近放一个小磁针，小磁针在地磁场作用下，静止后就有一个固定的指向性。由于地磁场的南极在地理北极附近，小磁针静止后N极就会指向地理北极。我国古代的四大发明之一——指南针，就是这样被发明出来的。信鸽能准确地辨别方向也是依靠地磁场。不过，关于地磁场的形成原因目前还没有一个确切的定论，或许有一天，你就是揭开这一奥秘的人哟！

我们可以用磁铁在废弃的材料堆里将钢铁等材料挑选出来回收利用。不过，你想过吗：磁铁可以帮我们把钢铁吸引起来，但怎么才能放下来呢？有没有一种磁铁，它的磁性可以由我们自由掌控呢？电磁铁的发明将这一想法变为了现实，这还要感谢丹麦的物理学家奥斯特。在1840年的一天，奥斯特在实验时发现，当导线中有电流通过时，放在导线旁边的小磁针发生了偏转，这一发现令他兴奋不已。经过他的反复实验，终于证实了通电导体周围存在磁场的事实。他证明了电和磁能相互转化，这为电磁学的发展奠定了基础。他的这一伟大发现为人类的发展开辟了一条崭新之路。

你可以找来一根大铁钉，将导线密绕在铁钉上，一个简易的电磁铁就制成了。你现在可以在导线中通入电流，去试试看，它是否具有了磁性。如果断开电流，磁性就会立即消失。而且，你在铁钉上缠绕的线圈匝数越多，通过的电流越大，电磁铁的磁性就会越强。当你改变导线中的电流方向时，电磁铁的磁极也会随之改变。怎么样，电磁铁的优点还真不少吧！电磁铁在我们的生活中发挥着重要的作用，电磁起重机、电铃、磁悬浮列车等都有电磁铁的应用。更重要的是由电磁铁引发制造出来的电磁继电器更是实现了人们自动控制电路和远距离控制电路的梦想。

人类向前发展的脚步从未停止。当奥斯特揭开了电能生磁这一事实后，人们又怎能放弃用磁来生电的想法呢？英国的物理学家法拉第就是拥有这一想法的杰出代表。他一直认为，电和磁之间一定存在密切关系，而且可以相互转化。他坚信磁也一定能产生电，并决心用实验来证明它。开始的几年中，他的各种努力都失败了，但经过近10年的时间，在他的不懈努力下，终于发现闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体中就会产生电流，这就是著名的电磁感应原理。法拉第发现的电磁感应原理是一个划时代的伟大科学成就，它使人类获得了打开电能宝库的金钥匙，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。你一定见过市场上有一种不用电池的“环保手电”，里面的发电机就是根据电磁感应原理制成的。受此启发，我相信你在很多设备中都能找到发电机的身影。

不过，为我们生活输送电能的发电站所使用的发电机组就要复杂得多了。而且，发电场的发电机组为我们输送的都是大小和方向发生周期性变化的电流，也就是我们常说的交流电。看看家中的电能表上是不是标有“50Hz”的字样？这就是交流电的频率。“50Hz”表示一秒钟要完成50个周期，电流方向要改变一百次。频率越高，电流方向改变得越快。看看你学习时所用护眼台灯的铭牌，频率一定很高吧！

法拉第是幸运的，他在发现电磁感应原理的过程中，还找到了将电能转化为机械能的方法。法拉第在奥斯特实验中得到启发，认为假如磁铁固定，线圈就可能会运动。于是，他成功地发明了一种简单的装置，在磁场中放入一个线圈，只要有电流通过线圈，线圈就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发现的通电线圈在磁场中可以受力转动正是今天我们所使用电动机的制造原理。你不妨也自己亲手制作一台直流电动机，或许你的电动机并不能顺利的连续转动起来，那是因为要想让线圈在磁场中连续转动还需要有换向器的帮助。换向器并不是一个复杂的元件，你可以在电动玩具中拆开一个直流电动机，凭你的聪明才智一定能找到其中的奥妙。你能想象到一辆汽车上有多少个电动机吗？——二三百个之多。你现在一定会对这些为我们创造今天幸福生活而不懈努力的科学家们感到由衷的敬佩吧！

随着科学技术的不断发展，电流的磁效应、电磁感应、磁场对电流的作用等这些电磁学的基本原理发挥着越来越大的作用。当你手拿电话与朋友聊天时，你可能不会想到电话与发电机和电动机有关吧。电话的基本原理：振动→强弱变化的电流→振动。如果从能量转化的角度去思考，就是先将机械能转化为电能，再将电能转化为机械能，这种能量转化的关系不正是与发电机和电动机一致吗？所以，电话的话筒应用的是电磁感应原理，而听筒则是应用了磁场对电流的作用这一原理。我们K歌时所用的麦克风则与话筒原理相同，音箱中的扬声器则与听筒是相同的原理。现在你明白为什么扬声器中会有磁铁了吧！.

另外，我们现代生活更离不开传感器。传感器是将其他信息转化为电信息的元件，是实现自动检测和自动控制的首要环节。例如：遥控器中有红外线传感器，路灯有光感传感器，电子秤有压力传感器……。传感器早已渗透到工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源勘探、医学诊断、生物工程，甚至文物保护等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目都离不开各种各样的传感器。

怎么样，是不是对电与磁的知识产生了极大的兴趣？其实，生活中有着太多太多的新奇等待我们去发现、去探索、去揭秘。如果你拥有一颗好奇的心，有对知识的无限渴望，有敢于动手实践的勇气，在科学的海洋中，你定能乘风破浪，向着更高的目标迈进。endprint