為甚麼磁鐵沒有單獨的N極和S極？

說一個你初中三年沒搞懂的問題 為什麼磁鐵兩極分明 卻永遠沒法分割成單獨的N極或S極 地球人都知道 磁鐵有一頭是N極一頭是S極 兩極界線分明 但我們卻從來都見不到 只存在單獨N極 或者只存在單獨S極的磁鐵 為什麼兩個磁極 永遠都是成對出現缺一不可 這到底是為什麼 你可能有這樣的想法 既然磁鐵本身就自帶N極和S極 那我拿一塊磁鐵 從中間直直地切一刀 不就能順理成章地 得到一塊只有S極 和一塊只有N極的磁鐵了嗎 這個想法看似合情合理邏輯通順 但實際操作中卻不是這麼一回事 被切開後的這兩塊磁鐵 每一塊都依然保持著兩極聚全的狀態 既有N極也有S極 絲毫沒有按照我們設想的那樣 變成單磁極的磁鐵 這到底是怎麼回事 其實這背後的原理 並沒有你想的複雜 從表面看 你所看到的磁鐵都是完整的個體 但實際上任何一塊磁鐵 都是由無數個極其微小的磁鐵緊密組合 有序排列而成的整體 簡單說 我們把一塊大磁鐵切開 本質上不過是把這些 原本聚集在一起的微小磁鐵 分成了兩個小組 並沒有改變任何一個微小磁鐵本身的性質 而每一個微小磁鐵 本身都是自帶N極和S極的 所以從宏觀的層面看 新形成的兩塊小磁鐵 不管多小 都會保持著兩極共存的狀態 哪怕我們把磁鐵拆到 最最微小的磁性單元 再想通過分割這個最小單元 來得到單獨的N極或S極 照樣是做不到的 為什麼說做不到 想要弄明白這一點 就要先搞懂一個問題 磁鐵的磁性來源 當搞懂了磁性的由來 你就知道磁鐵的兩極 為何永遠都是共存了 在經典物理學的框架體系裡 所有的磁現象 都源於電流或者變化的電場 這是磁現象的核心本質 那像磁鐵這類磁性物質 它身上的磁性到底是從哪裡來的呢 這就要說到一個微觀結構 大家知道 世間萬物都是由分子或者原子構成的 而原子內部又包含著原子核 和圍繞原子核運動的電子 不管是電子繞著原子核運動 還是電子的自旋運動 都會產生微小的磁場 這些無數個微小磁場疊加在一起 它就會形成我們能直觀感受的宏觀磁性 磁場的理解 我們可以把它想像成 電在空間中劃出的一條 有固定方向的線 這條線一旦形成 就天然有了明確的起點和終點 這就好比你劃一個線段 不管是長是短 都必然有兩個頭 不管你把這條線切割得再細碎 再短小 任何一小段一點點的線段 它永遠都可以被清晰地區分出一頭一尾 這是它的固有屬性 無法改變 而磁鐵身上的s極和n極 就正好對應著這條磁場線的起點和終點 它們的本質其實就是磁場的方向標識 只要是有方向的存在 就必然會有從哪來到哪去的區分 而磁鐵的n極就相當於磁場的從哪來 也就是起點 s極對應的就是到哪去 也就是終點 二者等於是相互依存的一個整體 所以我們根本沒有辦法剝離出單獨一個極性 簡單來說就是任何一塊磁鐵 不管大小和形狀 本質上都是無數個微小磁鐵的集合體 不管我們用什麼方式去切割它拆分它 新形成的磁鐵都逃不開這個微觀層面的物理規律 永遠都會是兩極共存的狀態 所以根本不可能存在單磁極的磁鐵 那麼為什麼有的磁鐵斷開是相斥 而有的磁鐵斷了卻是相吸呢 這個問題其實很簡單 咱們以條形磁鐵為例 生活中我們看見的磁鐵基本上沒有標註磁鐵的兩極 但實際上它的磁極會成這樣的 也可能成這樣的 現實中兩塊磁鐵表面上看一模一樣 但實際上兩塊磁鐵的磁極的分佈並不相同 如果說磁極以這樣的形式出現 當你從中間切斷後 兩塊磁鐵將按照原來的這個斷面再吸回去 因為這樣的條形磁鐵在你切斷後 它的磁極方向並不會發生改變 N極和S極它會保持原來的方向 所以被切斷的磁鐵會按原來的斷面重新吸回去 但如果磁鐵的磁極是這樣的 當你把它從中間切開的時候 上面是N極對N極 下面是S極對S極 這時二者的表現就是同極相斥 無法沿著原來的斷面重新吸回去 只有當一邊的磁鐵旋轉一圈 讓上面變成S極下面變成N極 這樣才能讓兩塊磁鐵吸附在一起 那麼一塊普通的鐵又是如何變成帶有磁性的磁鐵 用書面的語言解釋這叫磁化現象 大家知道 一塊普通的鐵它本身是不帶任何磁性的 但是它屬於磁性物質 是可以被磁化的 那磁化的過程到底是什麼呢 其實磁化的過程 就是把鐵內部原本雜亂無章 毫無規律排列的磁綢 通過外界磁場的作用 把它們的方向全部履順 讓其指向同一個固定的方向 當這些磁綢的方向統一之後 這時它們各自的磁性就會相互疊加 在宏觀上就能體現出明顯的磁性 這就是磁化原理 說到這兒可能有些朋友不理解 為什麼磁鐵很容易一摔就斷 其實我們生活中常見的都是人造磁鐵 人造磁鐵一般是由鐵磁材料經過製粉 壓形 燒結 沖磁等過程製作而成 也正是因為這種粉末燒結工藝 所以人造磁鐵並不是硬鐵 這也是它很容易一摔就斷的原因 這纔是人類最厲害的技術突破之一 它不但可以輕而易舉地抓起一隻 連肉眼都看不到的活細菌 還能在瞬間把材料加熱至遠超太陽中心的溫度 換句話說 不管是粒子細胞還是銅牆鐵壁 它都能進行單獨去操作 這便是人類鑽研近百年都無法參透的激光技術 1916年 愛因斯坦提出一個構想 叫受極輻射 什麼是受極輻射 一般來說 像光這種東西的形成 它都是由原子躍遷產生的 當高能級原子不受外界的刺激 自發從高能級向低能級躍遷 並釋放出光子的過程 這叫自發輻射 就好比咱們日常中見到的普通燈光 它就是基於自發輻射原理產生的 但愛因斯坦構想的受極輻射 它是基於自發輻射的原理 用外來光子去刺激高能級上的原子 讓高能級原子躍遷到低能級 並釋放出相同的光子 這就叫受極輻射 理論上這個構想是成功的 但當時人們並沒有辦法去實現 更不會想到這個理論一旦實現 將會成為人類歷史的大殺器 這一擱置就過去20多年 直到1939年 蘇聯物理學家法布里·康特 釋放出一個強烈信號 首先他提出受極輻射 可以用粒子樹反轉的方法來實現 隨後又描述了粒子樹反轉 會必然導致分子放大 這不僅為受極輻射的構想邁出了關鍵一步 還側面表述了這一構想的含金量 但他並沒有能實現它 最終於1958年 被美國科學家肖洛和湯斯實現 並成功藉助粒子樹反轉 造出了一排微波計射器 它能將微波持續放大 最終成為美蘇冷戰 最早用於通訊雷達系統中 放大微弱微波信號 提升信號傳輸和探測能力的核心設備 兩年後1960年5月 美國科學家梅曼通過複製微波計射器 受極輻射放大原理 成功受極並放出了一束超強的光 叫做激光 時隔兩個月 他又製造了世界上第一臺激光器 之後激光便一發不可收拾 在激光之前 高壓麥充鮮燈所發出的光 堪稱是人造最亮的光 其亮度相當於太陽光不相上下 但激光出現後 人造光的亮度直接成數倍級增長 其紅寶石激光器發出的光 甚至比太陽光亮出百億倍 1985年 法國科學家穆魯和斯特里克蘭 成功研究出招揪麥充放大技術 很快成為了後續高強度激光標準技術 而且還將其廣泛應用到了 醫學的眼科矯正手術 1987年 美國科學家阿什金 更是發明瞭一種光學鑷子 利用激光束成功地抓起了活的細菌 關鍵還沒有對其造成任何的損傷 至今激光鑷子仍廣泛應用在 探索生命的機制 為表彰其三位科學家 在激光物理學領域 諾獎委員會2018年 還為其頒發了諾貝爾物理學獎 而在2015年11月 國際學術自然通訊週刊 還登出英國倫敦帝國學院 研究出一種新的加熱機制 使激光能在一百萬分之一秒內 直接將一些材料加熱至 遠超太陽中心溫度1500萬度 這就是人造激光 滑稽的是管子的構造還極為簡單 從外表看它就是一個常見的三通管 上面是它的進氣口 兩邊為出氣口 但是一旦往它的進氣口注入壓縮空氣 它就會發生一種超物理的現象 從管子的兩頭自動分離出冷氣和熱氣兩種氣流 冷氣一頭的溫度可以低到零下幾十度 而熱氣一頭溫度則可達一百多個攝氏度 那管內是不是有啥複雜的結構呢 並沒有 有物理大神用塑料管模擬了這個管子 首先是在管子上垂直方向打幾個孔 讓孔跟管子具有一定的傾斜角度 這是它產生超物理現象的關鍵 然後在管子上套兩個套環 接著在另一個管子上打一個進氣孔 把它套在兩個套環上面 這樣將得到一個槍聲 並將其做成密封 最後接上接口 這就是它的一個主體 隨後找來一個中間帶著小孔的注塞 將其塞進管子的一端 作為冷氣的出氣口 而熱氣的一端中間是一個凸起 把它固定到熱端出氣口 就這樣 當壓縮空氣往進氣口注入時 神奇的一幕就出現了 冷氣出口的溫度瞬間從常溫30度 降低到了十幾度 那麼這個無需任何電子器件的管子 為啥會發生如此不可思議的事情 然而這種現象的出現 人們除了通過熱成像畫面和溫度計 監管 已知空氣被分為冷熱兩個部分之外 其工作原理至今仍然沒有一個完整的解釋 只知道想要實現這一超物理現象 壓縮空氣進入管子必須得成一種渦流旋轉的狀態 工作原理雖然一直沒有搞明白 但這並不影響對它的使用 而且管子上還可以設計調節法 通過控制調節法即可調節其冷氣溫度 低溫甚至達到零下30多個攝氏度 像一些食品廠的極速冷卻 機牀加工降溫 以或是工業冷卻 它可能就會經常出現 這就是1922年法國的一名學生發現的急凍管 也叫做渦流管 你知道水垂效應嗎 它是生活中常見現象 更是海上攻勢不可逾越的屏障 威力遠超乎你的想像 接下來一起看看水垂效應 到底能產生什麼樣的威力 咱們先來看什麼是水垂效應 水垂效應 它是我們生活中比較常見 又很容易被忽略的一種現象 就是在水管裡的水正常流動的時候 咱們將閥門突然關閉 前面的水流被迫突然停止 對閥門以及管壁產生一個壓力 在慣性的作用下 後面的水流壓力急速上升 形成極大的水流衝擊波 形象的說 它就好比汽車追尾 車輛在高速行駛中 前面的車突然停止 後面的車在短距離內即時剎車 也會由於巨大的慣性運動撞向前面的車 造成不可控的追尾失控 也就是說 閥門突然關閉 管內的壓強就會急速上升 達到正常工作壓強的幾位甚至幾十倍 這種大幅度的壓強波動 引起管道強烈震動 類似用錘子在水管上猛敲 導致管道接頭斷裂 嚴重地造成管道爆管 相反 當關閉的閥門突然打開 在壓力作用下 前面的水體突然流動 後面的水體反應不及 未能及時跟上前面的水體 導致前面的水流與後面的水流 在密閉的管道中形成一個負壓 這種負壓可造成管道的裂開 重則管道破裂 這就是水錘效應 然而在實踐中 水錘造成管道崩塌 只是它的冰山一角 這種現象一旦經過專家的構思設計 它就會在水下形成一道堅不可摧的防禦體系 水雷 水雷對敵艦的破壞 就是水錘效應的原理 水雷在爆炸時會產生大量焦耳粒 壓力急速上升 氣泡迅速擴散形成巨大衝擊波 對敵艦造成第一次致命攻擊 巨大的衝擊即使不能把敵艦擊成兩半 在氣泡消失後也會形成負壓 被擠開的海水迅速回填 產生的能量堪比又一次爆炸 形成敵艦的二次攻擊 造成敵艦被淹沒 使其沉入海底 這就是水錘效應的硬所產生的威力