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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074929]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 5 说磁
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一分钟简介
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本章将探索磁性这一神奇的自然现象，为后面数个与磁有关的章节做铺垫。我们将首先了解不同磁性的分类和它们的起源，并通过亲手实践，验证铝是被磁铁吸引的，铜是被磁铁排斥的，胡萝卜也具有磁性等有趣而且违背常识的现象。我们还将利用物质的磁性，制作一个简单但是寓意深远的‘居里热机’。
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闲话基本原理
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磁铁是非常令人着迷的东西，它们之间存在着一种魔力，要么难舍难分，要么无法靠近。究竟是什么东西在主宰着这种隔空传递的力呢？有时一块磁铁碎成两半，这两半却相互排斥，即使它们前一秒还是一个整体；有时一块磁铁碎成两半，它们却还紧紧连在一起。这又是为什么呢？为什么螺丝刀和磁铁呆久了也会“近朱者赤”而变得带有磁性呢？
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我国的古人把磁铁叫作“慈石”。李时珍《本草纲目》曰：慈石取铁，如慈母之招子，故名。《本草纲目》还记载了“慈石”的诸多药用，比如治疗耳聋、刀伤等。虽然今天的人们有个头疼脑热时不会想到吞一块磁铁来治病，但是我们从其他方面更加深入地研究了磁铁，以及更广泛的物质的磁性。由此产生了无数利用磁性的发明，改变了人类文明的进程。
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我记得高中物理书上曾讲过，磁性起源于存在的一种“分子电流”，即磁铁里有许多小的环形电流。我们知道环形电流相当于一个小小的磁铁。许许多多的分子电流向同一个方向旋转，这样它们产生的磁场叠加在一起就形成了非常强的磁性，这是一个非常粗略的图像，而且也不尽正确。通过科学家们不懈的研究，我们现在了解了，这个所谓的“分子电流”其实是一种叫作电子自旋磁矩的东西。电子是我们知道的最基本的粒子之一，目前我们认为它没有内部结构，不可以再分开成更小的粒子了。这个奇怪的粒子除了带负电以外，它还具有角动量（称为自旋），并且像一个小磁铁一样，具有磁矩。
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这一点倒不难理解。我们可以设想一个玻璃球，它带有负电荷，如果我们让它旋转起来的话，那么这些转圈的负电荷就形成了环形的电流。（电流不就是运动的电荷形成的吗？）环形电流产生磁场，就形成了一个小磁铁。当电子的自旋概念最早被荷兰的两位年轻的物理学家古兹米特（Samuel Goudsmit）和乌伦贝克（George Uhlenbeck）提出来时，他们就用这种带电小球的模型来估算电子旋转的速度。但是估算的结果是电子这个小球表面的速度将会超过光，这个结果看起来太荒唐了。古兹米特和乌伦贝克心里没底，就向他们的导师—著名物理学家埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）询问意见。埃伦费斯特先生说：“你们还年轻，做一点荒唐的事情是应该的，你们把这个结果发表出去也没有人会责怪你们。”[1]幸亏埃伦费斯特先生的开明，这才诞生了一项伟大的发现。后来我们知道，电子的自旋不能从经典物理的角度去理解，它是一种全新的量子物理现象。要深入理解电子的自旋，需要很多理论基础，这就留给大家以后钻研了，对于业余科学家，我们要了解的是，电子就像一个小小的磁铁一样。亿万个电子的“南北极”整齐地排列在一起就形成了我们日常里看到的磁铁（见图5.1）。
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图5.1 一个普通磁铁由很多个电子“小磁铁”组成
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当然，并非所有的磁性都是由电子的自旋整齐排列造成的，我们熟悉的电磁铁就是由通电线圈产生，也就是说这个磁场是由电子在空间中的运动导致的。还比如说，对我们生活有着巨大影响而默默无闻的地球磁场，到现在，我们也不清楚它的产生机制。更为神奇的是，地球的磁场并不是恒久不变地指向同一个方向，它隔一段时间就会慢慢地逆转。大约每隔45万年，地球磁场的南北极会颠倒过来。幸好这个颠倒并不是一夜之间发生的，而是需要很长的时间，否则靠磁场判别方向的动物们可就真的是“找不着北”了。（“探索与发现”一节将会介绍一种有趣的靠地磁场生活的海洋生物趋磁细菌：Magnetotactic Bacteria。）
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了解了磁性产生的一些机制，我们来看看根据物质的磁性进行的分类，这样有助于我们从纷繁芜杂的磁现象中理清头绪。根据物质在外加磁场下的反应，我们把物质分为以下几大类：铁磁体、反铁磁体、顺磁体和逆磁体。听着这些名字有点糊涂了，不着急，我们来看一些在生活中常遇到的物质归属于哪一类。
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铁磁体就是像铁一样的材料，它有什么特点呢？遇到磁铁时强烈地被吸引，如果跟强磁铁在一起呆久了，它自己也带有了磁性。这些特点可以从电子自旋来理解。一根普通的铁钉里有千万个带有自旋的“小磁铁”，即电子。而且这些电子在铁钉里并不是漫无纪律，而是比较有序地排列着，如图5.2所示，大家可以看到电子在铁钉里拉帮结派，形成了“割据”。一小块区域内的电子自旋排列基本是平行的，它们形成了一个强度远远大于单个电子的“中等磁铁”，这些区域被称作磁畴（Magnetic Domain）。在铁金属中，它们的尺寸大约是几十微米（1μm等于10—6m），相当于有几十亿个电子平行排列在一起。如果我们能够单独分离出这么一小块铁来，那么我们就得到了一块微米级的磁铁（微米磁铁是一个热门的研究前沿）。但是，毫无疑问，一根铁钉可远远不止几微米，从图5.2中我们看到，宏观的铁钉是由很多个磁畴组成的。遗憾的是，这些磁畴之间并没有达成一致指向同一个方向，而是比较随意地排列着。虽然它们各自都产生不小的磁场，当组成宏观材料时，各自的磁场相互抵消，从而对外显现不出磁性来，所以一根普通的铁钉并不带有磁性。但是，当有一个磁铁靠近它时，情况就不一样了，这些“中等磁铁”（磁畴）在外加干涉下，统统指向了平行外加磁场的方向，这样它就被变成了一块强有力的磁铁（如图5.1所示那样），与外来磁铁紧密吸引。并且当外来磁铁被拿走后，这些磁畴们还念念不舍地指向同一个方向，留下了外加磁场的痕迹，这就是跟磁铁呆久了，铁也变得有磁性的原因。
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图5.2 金属铁中的“磁畴”
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反铁磁体是一种非常奇特的物质，日常生活中不容易见到，所以我们可以略开它不谈。而顺磁体和逆磁体则几乎涵盖了生活中遇到的99%以上的东西，值得我们深入地了解一下。
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在我们的生活常识中，似乎除了铁器能和磁铁发生相互作用以外，其他东西就属于“没有磁性”之类了，比如我们区分铝和铁，一个办法就是拿磁铁来吸一吸，能被磁铁吸走的是铁，否则就是铝。但是铝真的对外来磁铁没有丝毫反应吗？非也。实际上铝也被磁铁吸引着，如果不信，在后面的动手实践一节你可以自己亲手做实验验证这一点。常识还告诉我们，铜也不和磁铁发生相互作用。真是如此？非也。实际上铜被磁铁排斥着，后面你也将自己动手验证。
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你是不是觉得熟悉的世界开始混乱了？
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实际上铝和铜就是两大类物质—顺磁体和逆磁体的代表人物，它们和磁铁之间发生着微妙的相互吸引或者排斥的关系。只不过这个作用力非常小，比铁对磁铁的力要小成千上万倍，所以一般状态下不容易发现。所谓顺磁体就是像铝那样，能够感受到外来磁铁微弱的吸引力的物质；而逆磁体就是像铜那样，能够感受到外来磁铁微弱的排斥力的物质。这些性质是怎么引起的呢？首先来看顺磁体，如图5.3所示，金属铝中也有很多个“小磁铁”，即电子自旋，和铁不一样的是，铝中的这些电子自旋非常不配合，基本上都是横七竖八地排列着。即使有一个外来的磁场，它们也不愿意整齐地排列起来，大部分的电子还是横七竖八、我行我素，只有小部分的电子指向了和外加磁场平行的方向，所以宏观上它变成了一个强度很弱的大磁铁，和外加磁铁有弱小的吸引力。一旦外加磁铁撤离，它们又变得自由散漫，宏观上一点点磁性都没了。
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图5.3 顺磁体
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顺磁体还算好理解，和铁磁体有些类似。那么铜是怎么回事呢？它怎么还会被外加磁场排斥呢？按理说，铜、铝和铁都一样是良好的导体，这就证明它们里面都有大量自由活动着的电子“小磁铁”。既是磁铁，那么在外加磁场的作用下它们应该趋向于和外加磁铁相吸引才对啊。比如把一块磁铁的南极靠近指南针，指南针就会转动方向，使得自己的北极朝向外加磁铁的南极，互相吸引。要理解逆磁性还真不是一件容易的事情，但是我们还是可以用高中学过的物理知识来了解一下它最基本的原理。
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