教材中有关磁铁的问题值得探讨|磁铁片拼接图形教材
时间：2019-01-30 03:38:58 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
中学物理教材对磁铁知识介绍不多且停留感性阶段，对学生感兴趣的一些问题诸如磁铁为什么会有磁性、磁单极存在吗、磁铁磁性与温度有关吗等没有涉及。当学生问起这类问题时，教师常常不知从何谈起。本文就有关磁铁的一些问题与大家共同探讨。
1 磁铁磁性的由来
磁铁是由铁磁质构成的，而铁磁质是磁介质的一种。我们先从磁荷观和分子电流观理解铁磁质磁化微观机理。
1.1 磁荷观点
我们知道电磁有许多联系：电荷有正负，磁极有南北，并且都同性相斥、异性相吸。电学将电解质分子看作正、负电荷组成的电偶极子。而磁学将磁介质分子看作正、负磁荷构成的磁偶极子。未磁化的介质中各磁偶极子取向杂乱无章，它们磁偶极矩相互抵消，对外不显磁性。在外磁场作用下，磁偶极子受力矩作用而使其磁偶极矩转向外场方向，并在一定程度上沿外场方向排列。磁介质内部的磁偶极分子整齐排列，N、S极首尾相接而相互抵消，宏观上在介质两端出现N、S极(图1所示)。在外磁场撤去后，被磁化的铁磁性材料仍可保持其磁性，这样就成了磁铁。
1.2 分子电流观点
该观点认为介质内每个磁分子相当于一环形电流。无磁场时的各分子环流随机取向，其磁矩彼此抵消，宏观不显磁性。有外磁场时，各分子环流的磁矩受磁场力矩作用，一定程度上沿外场方向排列。介质均匀的内部分子环流绕向一致，相邻每对电流元方向相反，效果互相抵消。但在横截面边缘上各段电流元不会抵消，宏观上等效于沿截面边缘的大环形电流(称为磁化电流)并产生磁场，就说介质磁化了，如图2所示。去掉外磁场后，被磁化的铁磁性材料继续保有磁性，就成了磁铁。
近代物理学研究表明：原子磁矩主要由电子轨道磁矩和自旋磁矩组成，分子环流可看作是分子(或原子)的总磁矩。所以分子电流观点解释更合理些，但磁荷观点要直观和简便。
1.3 磁铁的磁性
当代磁学发现铁磁质磁性主要来源于电子自旋磁矩。无外磁场时，铁磁质中电子自旋磁矩在小范围内自发排列形成一个个小“自发磁化区”，称为磁畴(图3所示)。
未磁化的各磁畴自发磁化方向一般不同，铁磁质对外不显磁性。加上外磁场后，各磁畴磁矩受其作用，倾向于沿外磁场方向排列，顺着外磁场方向的磁畴扩大，逆着外磁场方向的磁畴缩小，磁矩不再抵消而对外显磁性。外磁场很强时，全部磁畴沿外场方向排列达到饱和磁化。这时撤去外磁场，制作磁铁材料掺有的杂质和内应力会阻碍磁畴恢复到原来退磁状态，从而产生剩磁，这就是磁铁磁性的由来。
2 跟磁铁有关的问题
2.1 磁单极是否存在
永磁铁截成两段后，两段磁铁内部各磁畴基本仍沿原来方向排列，故它们两端将显示各自的N、S极。继续分割下去，情形仍然如此。是否存在只有一个磁极的磁体(磁单极子)?狄拉克1931年论证了微观世界存在磁单极子。但人们直到今天仍没有找到磁单极子，无法证实其存在。有人做过这样实验：先将磁铁N极(或S极)在一根直钢棒中部处摩擦数次，并垂直于钢棒移开磁铁；再用两个条形磁铁的S极同时摩擦钢棒两端数次，然后向外移走S极，这样钢棒左右两端都被磁化成了N极。但这并不是磁单极，虽然两端均为N极，但中部为S极。钢棒左半段和右半段中的磁畴在磁铁作用下，沿外磁场方向排列，宏观表现为使钢棒中部磁化成S极，两端则成了N极。
2.2 形状影响磁铁磁性
拿两个同型号、磁性强弱差不多的条形磁铁，用弹簧秤测其叠放(串联)时磁极吸引力，要比单个磁铁大；把条形磁铁截为两段，每段与原来整体相比，吸引力要小。这说明磁铁磁性与形状有关，磁铁内部剩磁与其形状密切相关。材料一样、截面相同，磁铁越短，其内部退磁场越强，对磁畴磁矩整齐排列的干扰就越大。因此在品种、截面相同时，长磁铁对外显示的磁性要比短磁铁强。但磁铁内部的退磁场对其磁畴磁矩干扰程度并不随长度增加按比例减弱。
故磁铁长度增加一倍，对外显示的磁性增强，但并没有增强一倍。
2.3 磁铁磁性与温度有关
室温下磁铁可吸铁钉，但烧红的磁铁不再吸引铁钉，说明磁铁磁性与温度有关。磁铁内部分子因温度升高运动越快，磁畴规则排列受到影响，宏观磁性下降。当温度升高到某个值时，剧烈的分子热运动完全破坏电子运动方向的规律性，磁性因磁畴完全瓦解而消失。磁学将这个温度称为居里温度。烧红磁铁温度一般超过800℃�，高于其居里温度(钢铁约为770℃�）而失去磁性。要想使磁铁恢复磁性，在其温度降下来后，重新给磁铁充磁。
2.4 怎样保护磁铁
加反向磁场时，磁铁内磁畴磁矩趋向混乱排列：即使撤去外磁场，磁铁磁畴磁矩也不完全恢复原来的整齐排列，磁性下降。磁铁受到冲击和震动，内部排列规则的磁畴磁矩也有一定程度紊乱，使其内部结构发生变化，造成磁性下降。所以不要把磁铁放在有磁场(或电流)处，注意防止震动，避免敲击。由于磁铁磁性与温度有关，不要将其放在靠近热源处。存放条形磁铁时，应把不同磁极相对放置，中间距离10mm，并用两块衔铁分别吸于两端；蹄形磁铁应两极相对，异极闭合，形成闭合磁路来保护磁铁的磁性。此外还要保持磁铁干燥清洁，以免锈蚀。
（栏目编辑 罗琬华）
