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分不开的N和S极,电磁炉的发明原理


铁有N极(北极)和S极(南极),如果从中间切开磁铁,你会发现被切开的两块磁铁仍有N极和S极。再切开也还是这种情况,无论切开多么小,N极和S极始终会成对出现,无法取其一极,这是为什么呢?

关于N和S的永恒“爱情”


关于N和S的“爱情”我们要从固体磁性的微观起源来理解。原来,材料中的电子本就具有自旋磁矩——如同一个非常微小的磁铁,而电子就如同行星绕太阳一样绕着原子核运动,就产生了轨道磁矩,自旋磁矩和轨道磁矩的叠加就形成了电子的总磁矩。不一样的电子排列会导致原子的磁性大小不同。



当这些有磁性的原子固体排列方向相同时,就使材料整体上出现磁性。如果材料磁矩排列杂乱,整体上也不会有磁性。了解了磁性来源,N极和S极为什么会成对出现,我们就比较容易理解了。由于磁铁本身的磁性来自于磁铁内部原子的磁性,而原子本身就像微小的磁铁,并有着N和S两极,也可以这样说,微观上磁极就是成对的,所以无论怎么切割磁铁,它始终会有成对的磁极。


微波炉的发明


斯宾塞是一位电子学天才,微波炉就是他发明的。1945年,斯宾塞正在测试一个磁控管时,他忽然发觉口袋里有点不对劲,还听到了咝咝声。他停下手上的工作,结果却发现,他口袋里面的一块巧克力融化了。斯宾塞想,可能是那磁控管发射的微波烤化了这巧克力。因为这个发现,他立刻想到了可以利用微波的这种现象制造厨房电器。后来经过斯宾塞不断地实验与改良,终于发明了微波炉。


“田螺姑娘”是这样工作的


微波炉是通过给食物中的水分子加热来工作的。大家知道水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的,氧原子对电子有很强的吸引力,所以水分子中的电子集中在氧原子一边,相应的氧原子的一边带负电,氢原子一边就带正电了。


通常水分子都是杂乱无章地排列着的,正、负极不分方向。当水处在电场中时,带正电的那一边就会朝电场的方向转动。如果是一个静止的电场,那么水分子们就会和排队一样静止下来。如果电场在不停地转动时,水分子也就会不停地跟着转,试图与电场保持一致的方向。如果电场转动速度快,那么水分子也就会剧烈振动,从而产生大量的内能。水温度也就随之增高了。一般食物中都会含有丰富的水分,所以在微波作用下食物可以迅速被加热甚至煮熟。


磁对铁情有独钟


铁是一种铁磁性材料,铁磁性材料里面离子和原子的磁矩存在着相互作用,会使区域磁矩朝一个方向排列,继而形成磁畴,磁畴有很强磁性。磁铁吸引铁的主要原因是铁本身形成了一个磁畴。铁磁类物质磁化后,内部的磁畴会整齐划一地排列起来,使整体表现出磁性,从而可以被磁铁所吸引。除了铁以外,钴、钕、镍、钆等金属都具有自发磁化性质。木头内部没有磁畴,其原子中的电子磁矩是相互抵消的,当遇到外磁场作用时,会产生反抗外磁场的微小磁矩,导致不能被吸引。铝则是一种顺磁性物质,磁矩排列无序,加外磁场之后,磁矩倾向于和外磁场一致,但是没有铁磁性材料强,因此一般磁铁不能够吸引铝块。


磁铁在生活中的身影


磁铁,我们虽不能经常直观感受它,但它却虔诚地在为我们人类服务。比如,指南针、吸铁石、微波炉等,还可以做发动机、磁疗仪器、电动机、电风扇的马达、扬声器(喇叭)、磁化水等。军事领域也有其身影,比如隐形飞机的材料,电磁武器的开发研究等。




本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创

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