自然磁力 等

自然磁力

威廉·吉爾伯特（1544～1603年）

我們的生活每時每刻都和磁性有關，沒有它，我們就無法看電視聽收音機、打電話；沒有它，連夜晚甚至都是一片漆黑。

人類雖然很早就認識到磁現(xiàn)象，但直到近代，人們對磁現(xiàn)象的認識才逐漸系統(tǒng)化，發(fā)明了不計其數(shù)的電磁設備，比如電話、無線電、發(fā)電機、電動機等。如今，磁技術(shù)已經(jīng)滲透到我們的日常生活和工農(nóng)業(yè)技術(shù)的各個方面和領域。

在古代文明社會里，人們就了解到了磁現(xiàn)象，即小磁針按相同的方向排列于地球表面，正好指向地球的南北兩極。我國是對磁現(xiàn)象認識最早的國家之一，公元前4世紀左右成書的《管子》中就有“上有慈石者，其下有銅金”的記載，這是關于磁的最早記載。

我國古籍中，關于指南針的最早記載，始見于沈括的《夢溪筆談》。該書介紹了指南針的四種用法：水法，用指南針穿過燈芯草而浮于水面；指法，將指南針擱在指甲上；碗法，將指南針放在碗沿；絲懸法，將獨股蠶絲用蠟粘于針腰處，在無風處懸掛。正是由于指南針的出現(xiàn)，沈括最先發(fā)現(xiàn)了磁偏現(xiàn)象，“常微偏東，不全南也”。

指南針用于航海的記錄，最早見于宋代朱彧（yù）的《萍洲可談》：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”。西方關于指南針航海的記載，是在1207年英國納肯的《論器具》中。

但人們對自然磁力這一奇特現(xiàn)象的解釋深受古希臘思想的影響。古希臘人認為，宇宙是一個固定不動的天球，來自這個天球的各種善良或邪惡的勢力影響著我們的生活方式，而磁力就是其中之一，磁鐵與天球的兩極是盟友，這是由上天決定的。

打破這些奇思怪論的是英國的威廉·吉爾伯特醫(yī)生，他于1600年出版《磁石》一書，奠定了磁學的科學地位。吉爾伯特假設地球本身是一個巨大的天然磁石，用普通的帶磁性的材料制作了一個小磁球，用放在小磁球上的小磁針來模擬磁石在地球表面的運行方式。最令人吃驚的是，磁球上的小磁針表現(xiàn)出人們熟悉的磁偏角現(xiàn)象：當人們從地球赤道向兩極移動時，水平面上的指南針就會發(fā)生同樣的傾斜。于是吉爾伯特證實擁有磁力的是地球而不是上天，這一觀點對整個自然科學界產(chǎn)生了深遠的影響。

電磁學

漢斯·克里斯汀·奧斯特(1777~1851年)

安德列·安培(1775~1836年)

邁克爾·法拉第(1791~1867年)

1820年7月21日，丹麥物理學家奧斯特發(fā)表了長達6頁的論文，宣布他發(fā)現(xiàn)了電磁。他在為大學生們演講時發(fā)現(xiàn)，當指南針靠近帶電的電線時，指針發(fā)生偏斜，這一發(fā)現(xiàn)對于19世紀自然科學的研究有著極為重要的意義。奧斯特的論文很快被譯成其他歐洲文字，并為其他研究者指明新的研究方向。

安德列·安培在巴黎宣布，根據(jù)牛頓定律，所有電磁現(xiàn)象都可以被解釋為沿直線運動的短程電力。

倫敦皇家研究院的化學助理邁克爾·法拉第認為帶電的電線可以繞著磁旋轉(zhuǎn)，反之亦然。此后他研制出了世界上第一臺電動機。另外，他認為安培理論無法解釋圓周運動。1822年，他在日記中這樣寫到：“將磁變?yōu)殡姟！?831年8月29日，法拉第終于實現(xiàn)了人類的這一愿望。他將兩個線圈分別纏在一條軟鐵絲的兩端。當一個線圈通上電之后，鐵絲開始磁化并導致另一個線圈帶電。實際上這就是世界上最早的變壓器。過了6個星期，通過將線圈永久磁化，從而使電線產(chǎn)生電流，法拉第又發(fā)明了發(fā)電機。直到今天，人們不管使用何種能源發(fā)電，都是基于這個理論。

麥克斯韋方程組

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1831～1879年）

蘇格蘭物理學家麥克斯韋把電和磁結(jié)合在一起，發(fā)現(xiàn)了光。他還推測電和磁力之間可能有某種聯(lián)系。19世紀80年代，麥克斯韋根據(jù)法拉第的思想，設計出描述兩種力的方程組，后來干脆將它們合而為一，成為電磁場。

他求出方程組的一個解是波。他無意中發(fā)現(xiàn)波由起伏的電磁場構(gòu)成，并不斷地在空曠的空間里以每秒鐘3億米的驚人速度進行。于是麥克斯韋認為：光是一種電磁波。他的方程組還解答了光在遇到水和玻璃等透明材料時速度為什么會慢下來的原因。

1888年海因里希·赫茲依據(jù)麥克斯韋的理論發(fā)現(xiàn)波長比電磁波更長的光，我們現(xiàn)在稱之為無線電波。無線電波、毫米波、紅外線、可見光、遠紅外線、X光射線以及伽馬射線構(gòu)成了光譜大家族。它們的發(fā)現(xiàn)大都得益于麥克斯韋的電磁學理論。

地磁逆轉(zhuǎn)

松山元則（1884～1958年）

希臘人很早就知道天然磁石（磁鐵）具有天然磁性。而公元前300年，中國人就已經(jīng)將磁石稱為“司南”，即最早的指南針。他們發(fā)現(xiàn)當磁石在光滑的盤面上處于完全平衡狀態(tài)時，其勺柄總是指向南方。在公元紀年的第一個千年之初，他們設計出了最早的航海指南針。

但是直到17世紀人們才開始真正了解地球磁場。1600年，伊麗莎白一世的宮廷御醫(yī)威廉·吉爾伯特發(fā)表了專著《論磁》，他指出地球本身就是個巨大的磁球，指南針并非指向天空，而是指向地球的磁極。到了1635年，人們已經(jīng)知道地球磁場的磁性強弱和方向在地球各處并不相同。

20世紀早期，人們發(fā)現(xiàn)很多火成巖冷卻結(jié)晶時，磁力方向與地球磁場相同。伯納德·布倫希斯于1906年首次測量了巖石的磁性。但直到1929年日本地質(zhì)學家松山元則才指出地球磁場在過去的200萬年中曾發(fā)生過磁極逆轉(zhuǎn)。玄武巖很好地保存了地球磁場的磁性，通過對其磁化過程的分析研究，他測算了火山巖中連續(xù)層面所發(fā)生的磁極突變。換而言之，南北磁極發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。他的發(fā)現(xiàn)對于板塊構(gòu)造學說的創(chuàng)立起到了關鍵的作用。

20世紀60年代，地質(zhì)學家測算出在過去的500萬年中，地球共發(fā)生了20多次磁極逆轉(zhuǎn)。人們現(xiàn)在尚未完全了解地球磁場及其逆轉(zhuǎn)的根本原因，但很可能與地核外層液體導電物質(zhì)旋入地球深處的方式有關。