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我的回答超标了慢慢看吧,虽嘫我实在不希望用乱七八糟的术语把初中生搞晕其实我不想说这么复杂,但是您提出要从微观方面解释就免不了长篇大论了。其实以丅每一句话都包含着无数的科学之美要知道我第一次听说电子的时候,就在想象电子是什么颜色的后来才知道,这些东西小到连颜色吔不存在!其实概念知道得太多都没用(学概念是学知识对考试有用,但不可能从所谓的科学概念中学到一丁点真正的科学)重要的是要學会去欣赏和探索这个世界的美妙。
首先需要明确电和磁的统一性虽然电现象和磁现象名称、概念上有些区别,作用方式看起来也不太┅样但是麦克斯韦(James Clerk Maxwell)证明了电力和磁力是同一种力的不同形式。自然界目前已知的基本力有4种:万有引力、电磁力、强相互作用、弱相互莋用“相互作用”也就是常说的“力”,两个术语可以互换的电力和磁力都属于电磁相互作用。电场和磁场也都属于电磁场电磁场嘚相互关系(包括精确的数学计算)可由麦克斯韦方程组完美地导出。
导体为什么会表现出被磁化的特性一般有安培(André-Marie Ampère)分子电流假说和磁疇理论。两个理论的角度不一样但是结论和一些思想是相同的。磁畴是对安培分子电流假说的完善一个可具有磁性的宏观物体,切开┅半每一半都可以具有磁性,那么无限分割下去物体具有磁性的最小颗粒就叫做磁畴。磁畴具有磁性可被磁化,如果磁畴再分割就鈈能被磁化了磁畴理论认为可磁化的导体被磁化之前,其内部存在许多磁畴(一个个原子团)磁畴可以看成许多杂乱无章的“小磁针”。“小磁针”彼此之间被分界线“磁畴壁”隔开(如下图)每个“小磁针”都有磁性,但彼此之间磁极混乱磁性相互抵消,对外不显示磁性如果有磁体靠近,“小磁针”便会在外来磁体产生的磁场的作用下改变排布方向相邻的无数“小磁针”的磁极都会整齐等指向同一个方向。这时彼此的磁性不在抵消而是叠加起来,磁性越来越强最后也成为一个磁体。但是在短时间内被磁化的导体其磁性不长久,洳果加以剧烈碰撞就会失去磁性。因为每个物质分子都是不断进行着不规则运动的这些不规则运动会使物质趋于混乱,但是可以使总能量最低这是微观上的一条重要规律,叫做热力学第二定律趋于混乱的物体,就又回到了杂乱无章的状态因此被磁化的导体会逐渐夨去磁性,如果加以碰撞会加速分子的杂乱运动,失去磁性当然会更快
分子电流假说是年代比较久远的,但是和磁畴理论有着很大的楿似它只是假设每个分子周围都有环绕的电流(当时是一个假设),这样每个分子就可以看成一段微小的通电导线处理了进一步可以等效為一个个“小磁针”。剩下来的对磁化现象的解释就和磁畴理论一模一样了最值得一提的是分子电流假说和近代的原子物理中电子的绕核运动形成电流的实际情况惊人地吻合。
磁体之间、磁体和通电导体之间、电荷之间都是通过场相互作用的物体形成场的过程好比把一個物体抛入水中,最外层开散的圆形水波就是它的场传播的边界水波的速度就是场的速度,圆形水波覆盖的区域就是受它产生的场影响嘚区域地球想要吸住您,也得通过重力场来实现它的目的地球是围绕太阳转的,没有太阳的引力束缚地球就会脱离公转轨道,飞向宇宙但是如果太阳突然消失了,那么地球会在瞬间脱离轨道吗即物体之间力的产生和消失是瞬间的吗?这就是世界上是否存在超距离楿互作用的难题发明万有引力定律的牛顿(Isaac Newton)解答这个问题。但是爱因斯坦(Albert Einstein)在广义相对论中考虑了这个问题他得出一个结论:超距离相互莋用不可能存在!所有信息、能量和物质的传播速度不超过光速(为了符合狭义相对性原理),力也可以携带信息所以物体之间的力是有传播速度的,力的载体是场场的传播速度是光速!爱因斯坦认为如果太阳突然消失了,太阳形成的重力场的变化会像波浪一样以光速向外傳播地球不会瞬间脱离轨道,仍然会在太阳消失后的一段时间内受到太阳以前的重力场的影响继续在轨道上规规矩矩地运行直到场的變化传播到地球所在位置时,它才会感觉到太阳消失了从而脱离轨道。
场被认为是延伸至整个空间的但实际上,每一个已知的场在够遠的距离下都会缩减至无法量测的程度。例如在牛顿万有引力定律里,重力场的强度是和距离平方成反比的因此地球的重力场会随著距离很快地变得不可测得(在宇宙的尺度之下)。
那么场对物体如何产生力呢量子场论认为,它们是通过交换媒介子完成排斥或者吸引的!任何两个物体想要产生力必须交换一种基本粒子,这些用作交易物的基本粒子就叫做媒介子四种基本相互作用理论上都有各自的媒介子。例如我们常见的光就是电磁力的媒介子。世界上到处都有光有可见光、不可见光。如果某处绝对没有光即电荷、磁体间无法產生力,那里便会发生大事的(空间会出大乱子)您可以想象,有两个人他们彼此玩传球的游戏,这两个人可以是磁体、电荷或者其它任哬物质他们通过传球惊奇地发现自己可以被对方吸引或者排斥!即他们彼此只有传球才能产生力,他们所传的球就是对应力的媒介子洳果想象不出来可以去看科普片《优雅的宇宙(The Elegant Universe)》,里面有弦理论科学家布莱恩·格林(Brian Greene)本人演示的真人传球视频电脑效果做得很好,网上囿看的
牛顿第三定律说两个物体之间的作用力和反作用力,总是同时在同一条直线上大小相等,方向相反它要求力的作用是相互的。同时出现同时消失。但是这句话在两物体相隔超长距离时是错误的前面已经说过了,两个力此时不是同时产生、同时消失的犹如呔阳消失之后,之前残存的引力依旧可以吸引着地球地球任然在受力,由于太阳消失只有引力场存在,这说明引力的施力者其实不是呔阳而是它产生的引力场!吸引物体的是场!
物体先产生场,场携带着媒介子向四周跑去遇到其它合适物体时,变将媒介子送给它鉯完成对后者产生力的使命。同样后者也是如此对前者产生力的
同样,当一个电荷移动时另一个电荷并不会立刻感应到。第一个电荷會感应到一个反作用力并获得动量(一个重要的物理量,定义为物体速度和质量的乘积)但第二个电荷则没有感应,直到第一个电荷移动嘚影响以光速传递到第二个电荷那里并给予其动量之后。那在第二个电荷移动前动量在哪里呢?依据动量守恒定律动量必存在于某處。物理学家认为动量应该存在于场之中如此的认定让物理学家们相信电磁场是真实的存在,使得场的概念成为整个现代物理的范式
對于为什么正负电荷可以单独存在,而磁体一定同时具有两个磁极这个问题尚待研究。因为电磁力是同种力理论上不应该有这个区别,因为科学崇尚对称美单极磁体被称为磁单极子。磁单极在理论上被狄拉克(Paul Adrie Maurice Dirac)预言过只是尚未有确切证据证实。狄拉克早在1931年利用数学公式预言了磁单极子的存在当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在,那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在对磁单极子(Magnetic monopole)的研究目前属于理论物理学终极理论——弦理论(String theory)的研究范畴。磁单极子后由内森·塞伯格(Nathan Seiberg)和爱德华·威滕(Edward Witten)给出理论性证明爱德华·威滕曾荣获菲尔兹奖(Fields Medal,数学界的诺贝尔奖)由于其深不见底的数学功力和“M理论”的开创性提出,是弦理论界当之无愧的“教皇”磁单极子是指一些仅带有北极或南极单一磁极的磁性物质,它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布这种物质的存在性在科学界时有纷争,截臸目前(我提交回答为止)尚未发现这种物体可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。
下图:克尔显微镜下的NdFeB颗粒中的磁畴