《青少年应该知道的磁》：第2章 磁学初探

------第2章 磁学初探------



在生活中，我们经常会用“和磁铁一样”去形容很有吸引力的事物。在课本中，我们也经常会看到有关于磁的诗句，其中，文天祥的“臣心一片磁针石，不指南方不肯休”，更是耳熟能详。那么，到底什么是磁，它有哪些特征呢？又是什么让所有的人的眼光都投向它呢？

1.天地之间——话说磁

在我们生存的这个美丽星球上，空气、水、阳光和磁，都是人类生活中不可缺少的生存条件。磁现象是伴随着宇宙的产生而客观存在的一种真实的自然现象。任何物质都或多或少地具有磁性，只不过物体之间的磁性有强有弱；任何空间都隐隐约约地存在着磁场，不同的是空间与空间之间的磁场有高低之分。磁性，作为一种特殊的物理性质普遍分布于宇宙的每一个角角落落。从遥远无垠的宇宙星际到广袤无边的天地之间，从肉眼无法看见的分子离子到细小如微的原子质子，磁在它们之间演绎着一个个“相吸相斥”的永恒主题。

我们的祖先很早以前就认识和发现了磁的特殊性质，掌握了磁技术，并进一步把这一成果应用到了社会生产之中，给当时人们的生产和生活带来了很多便利。指南针的重大发明和使用就是这一时期的杰出代表。

时光苒荏，步入现代，经济和科技空前发展，人们对磁的兴趣和热情也更加高涨，研究和认知也愈加深入，而且逐渐形成了自己的系统。随着磁的理论体系的日益完善，专门学科知识趋于成熟，于是磁学应运而生。

磁，被人们广泛应用于各个领域，全面开花，同时也取得了丰硕的骄人成果。而这一时代，电磁作为磁的“家族新贵”一时声名鹊起，风传世界，成为人们口头上津津乐道的时代流行语。

那么，磁究竟是什么？为什么人们对它如此宠爱有加，如痴如狂呢？而这一切还得从磁的基本性质说起。

2.相吸相斥——磁的性质

简单地说，磁体具有吸引钢一类金属物质的特性，称为磁性；具有磁性的物体叫磁体；我们把物体上本来没有磁性，而后来产生磁性的现象叫磁化。

磁性是物质放在不均匀的磁场中受到磁力的作用而产生的。在相同的不均匀磁场中，物质磁性的强弱是由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度来决定的。因为任何物质都具有磁性，所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用，只不过不同的物质，磁力的强度也不同。

物质的磁性不但是普遍存在的，而且是多种多样的。因此，物质所具有的这些磁性，也得到了广泛地研究和应用。近至我们的身体和周边的物质，远至各种星体和星际中的物质，微观世界的原子、原子核和基本粒子，宏观世界的各种材料，都具有这样或那样的磁性。磁体两端磁性强的部分被称为磁极。磁极的一端是北极（N极），另一端为南极（S极）。实验证明，磁体具有同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的特征。

磁性是物质的一种基本属性。磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等，能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料是具有磁性的强磁性物质，广义还包括可应用的磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。

3.强弱分明——磁的类别

世界上的物质所具有的磁性究竟有多少种呢？一般说来，物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性。

物质按照其内部结构和在外磁场中的性状，可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。其中，铁磁性和亚铁磁性物质属于强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质是弱磁性物质。这些都是宏观物质的原子中的电子所产生的磁性，原子中的原子核也具有磁性，称为核磁性。但是核磁性只有电子磁性的千分之一左右或更低。因此，一般来讲，物质磁性和原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性。原子核的磁性很低是由于原子核的质量远高于电子的质量，而且原子核磁性在一定条件下仍有着重要的应用，例如现在医学上应用的核磁共振成像（也常称磁共振CT，CT是计算机化层析成像的英文名词的缩写），便是氢原子核磁性的应用。

当磁体物质的磁化强度为负值时，固体表现的是抗磁性。金、银、铜等金属都具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了的物质内部的磁感应强度，则小于真空中的磁感应强度。顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1～3个数量级，物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就是存在着自旋磁矩和轨道磁矩。在外磁场作用下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性。

铁、钴、镍及一些稀土元素也存在着独特的磁性现象，称为铁磁性。因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的，所以同样性质的合金常被用来制造强磁铁。在铁磁性物质材料中，当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场，这种现象叫作“剩磁”。永磁体就是被磁化后，剩磁很大的磁体；相反，当铁磁性物质材料温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性就会消失。

反铁磁性是指在没有外加磁场的情况下，磁畴内邻近原子或离子的数值相等的磁矩，由于磁矩间的相互作用而处于反平行排列的状态，因而发生它们的合磁矩为零的现象。用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。

4.千呼万唤始出来——磁性来源

物质的磁性来自构成物质的原子，原子的磁性又主要来自原子中的电子。科学研究已经发现，原子中电子的磁性有两个来源：一个来源是电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为自旋磁矩；另一个来源是原子，电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨道磁性，称为轨道磁性。

物质是由原子组成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成。原子核就像太阳，而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外，电子除了绕着原子核公转以外，自己还有自转（叫做自旋），与地球的情况差不多。因此，我们也可以把一个原子看做一个小小的“太阳系”。另外，如果一个原子的核外电子数量较多，那么电子会分层，而且每一层有不同数量的电子。

在原子中，核外电子是一种带电粒子，带有负电荷。因此，电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有N极和S极。也就是说，电子就好像很多小小的磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上就类似于电流产生磁场的情况。

那为什么只有少数物质（铁、钴、镍等）才具有磁性呢？原来，电子的自转方向总共有上下两种。在一些物质中，向上自转和向下自转的电子数目一样多，（如左图所示）它们产生的磁极就会相互抵消，整个原子，以至于整个物体对外表现为无磁性。

而对于大多数自转方向不同的、电子数目不同的情况来说，由于这些电子的磁矩不能相互抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之间并没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物体并没有强磁性。只有少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部的电子在不同的自转方向上，数量不一样。这样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还会剩余一部分电子的磁矩没有被抵消。因此，整个原子具有总的磁矩。同时，由于一种被称为“交换作用”的机理，这些原子磁矩之间被整齐地排列起来，整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时，物体显示的磁性强弱也不同。例如，铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多，原子的总剩余磁性最强。而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少，所有它的磁性比较弱。

5.古今中外——磁的发展过程

我国是对磁现象最早进行文字记载的国家之一。公元前3世纪的《吕氏春秋》中所写的“慈石召铁，或引之也”，就对磁石的吸铁现象进行了描述。另外，关于磁现象的应用，我国古代后魏的《水经注》等书中，也提到秦始皇为了防备刺客行刺，曾用磁石建造阿房宫的北阀门，以阻止身带刀剑的刺客入内。医书上还谈到利用磁石吸铁的作用，来治疗吞针。但磁现象早期的应用方面，最光辉的成就要数指南针的发明和应用，这是我国对人类做出的巨大贡献。

司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的用来指示南北方向的指南器，但其实这时候它还不叫做指南针。最早指南的磁石是一种勺状的，称为司南。司南由一把“勺子”和一个“地盘”两部分组成。它的指勺是由整块磁石制成的，磁南极那一头琢成长柄状，圆圆的底部就是它的重心，琢得非常光滑。地盘是一个铜质的方盘，中央有个光滑的圆槽，四周刻有格线和表示24个方位的文字。由于司南的底部和地盘的圆槽都很光滑，因此，司南放进了地盘就能灵活地转动。当它静止下来的时候，磁石的指极性就会使长柄总是指向南方。这种仪器就是指南针的前身，虽然它的灵敏度很低，但是它的制造却能给人以启示：有一种地磁存在，而且我们可以利用磁石来指明方向。

后来，人们在制作司南的过程中发现，天然磁石因打击受热容易失去磁性，磁性较弱，因此，司南并没有广泛流传。到宋朝时，有人又发现了人造磁铁。钢铁在磁石上磨过之后，就会带有磁性，这种磁性比较稳固，不容易丢失。在长期实践中，人们制成了新的指向仪器——指南鱼。曾公亮的《武经总要》中详细记载了指南鱼的制造过程。指南鱼的制造有了一个重大突破，它就是采用了磁化的方法，使鱼形铁磁化，成为一个指向仪器。指南鱼是中国古代用于指示方位和辨别方向的一种器械。到北宋时期，我国劳动人民又用智慧创造出了一种指南工具——指南鱼。它是利用人工磁化的方法，将一片薄铁叶剪裁制成鱼的形状，鱼的腹部略微下凹，像一只小船；磁化后浮在水面，就能指示南北了。指南鱼的出现，是指南针发展过程中的一大进步。它起初成形于游戏之中，因为比司南使用方便，加之体积小、灵敏度高，因此逐渐流行于社会，深受人们喜爱。将指南鱼再加以改进，把带磁的薄片改成带磁的钢针，就创造了比指南鱼更先进的新的指南仪器了。把一支缝纫用的小钢针，在天然磁石上磨擦，使它带有磁性，而人造磁体的指南针也就这样产生了。此后，指南针的制造和安装方法，在北宋沈括的《梦溪笔谈》中已有明确记载。不久之后，人们将指南针与方位盘结合起来，也就成为了罗盘。罗盘的出现为航海提供了一个方便而可靠的指向仪器。后来，我国指南针又辗转传入了欧洲。将木块刻成龟的形状，在龟的腹部中心嵌入磁体，再将木龟安放在尖状立柱上，那么指南龟就制成了，而且它在静止时首尾是分指南北的。指南龟是当时比较流行的一种新装置。将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹的下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在了一个固定的、可以自由旋转的支点上了。另外，由于支点处摩擦力很小，因此木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向，而用于幻术。但是，这就是后来出现的旱罗盘的先身。

到16世纪，欧洲出现了航海罗盘，大大推动了航海事业的发展，也为研究地磁三要素创造了条件。

英国人吉尔伯特在磁的研究方面做出了重要的贡献。他的著作《论磁》是人们对磁现象系统研究开始的标志，书中记录了吉尔伯特研究磁现象时所做的各种仪器及实验过程，也记录了他从实验中所得到的结论。他从磁性“小地球”实验中，根据磁针的排列与指向，提出地球本身就是一个大磁体，两极位于地理的北、南两极附近；提出了磁子午线概念；吉尔伯特还说明了磁偏角及地磁倾角的测定方法；铁的磁化及去磁概念；对磁石的吸引与推斥进行了定性地研究。这都为磁的进一步研究开拓了道路。

到18世纪，磁的研究方面有了很大的进展。法国物理学家库仑在磁的研究方面做出了突出贡献。他参加了法国科学院为设计指向力强、抗干扰性能好的指南针而举行的竞赛活动，并提出丝悬指南针的设想，得到了磁学奖，并在此基础上制成了库仑扭秤。在建立了电荷相互作用的库仑定律的同时，他还得到了磁力的相互作用定律。可以说，库仑是静电、静磁学的第一位奠基人。此后，法国数学家、物理学家泊松，在库仑的基础上，又提出了磁体间的相互作用的势函数积分方程，将磁的研究发展到了定量的阶段。但这时，电与磁还是分别平行、独立地进行着研究的。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，在当时的科学界引起了很大的反响和重视。科学家纷纷转向这一方面的讨论和研究，推动了整个电磁学的发展。安培由电流磁效应想到：既然磁体之间有相互作用，电流与磁体间也有作用，那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用。他通过一系列实验，找到了电流间相互作用的实验根据，并进行了定量研究。通过研究，安培于1820年12月4日向科学院提交了一篇论文，提出计算两个电流线元间作用力的公式——安培定律的表达式。到1821年初，安培又进一步提出磁性起源的假说，这就是历史上有名的分子电流假说。

之后，安培发现的载流导体间的相互作用，仅在奥斯特发现电流磁效应后的第七天。新的发现的浪潮冲击着整个欧洲。法拉第在新的发现面前，又重做了已有的实验，并提出新的研究课题——既然电可以产生磁，为什么磁不可以产生电呢？于是，他开始了磁生电的研究。经过10年的艰苦努力，在大量实验的基础上，他终于发现了电磁感应现象以及其所遵循的规律。

电磁感应现象的发现是具有划时代意义的，法拉第把电与磁长期分立的两种现象最后联结在一起，揭露出电与磁本质的联系，并找到了机械能与电能之间的转化方法。在理论上，为建立电磁场的理论体系打下了基础；在实践上，开创了电气化时代的新纪元。

法拉第发现电磁感应现象之后，对法国科学家阿拉果所做的被称之为“神秘”的实验进行了解释，即悬挂着的磁体下方放一个可自由转动的圆铜盘，当盘转动时，磁体会转动；反之，磁体转动时铜盘也会转动。法拉第提出磁感线（磁力线）的概念，并第一次绘制了磁感线图。他认为磁感线是代表实在的物质实体；每根磁感线都对应一对磁极。后来又把有磁感线的空间称为“场”。麦克斯韦是英国著名的物理学家，他发展了法拉第的“力线—场”的思想，并把它数学化，提出了描述电磁场运动规律的方程组，并预言了电磁波的存在。

德国物理学家赫兹通过实验，令人信服地证明了电磁波的存在。这不仅验证了麦克斯韦电磁场理论的正确性，也为无线电技术的建立与发展奠定了基础。

1905年，爱因斯坦建立了狭义相对论，第一次把两种自然力——电力与磁力统一起来。近代，随着电子计算机的发明，新的磁性材料不断涌现出来。人类的科学技术及物质生产活动与电与磁已密不可分，但对磁的探索还是永无止境。随着新的磁现象的发现，磁的更深刻本质的揭露，为磁的广泛应用开辟了一个新的局面。

6.万宗归一——磁学

磁学是人们在实践过程中认识和积累的关于磁知识的系统学科。磁学又称为铁磁学，是现代物理学的一个重要分支。磁学由经典磁学和现代磁学两部分组成。经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科；现代磁学是研究磁、磁场、磁材料、磁效应、磁现象及其实际应用的一门学科。

法国物理学家库仑是经典磁学的代表人物之一。他在1785年确立了静电荷间相互作用力的规律——库仑定律，也就是：真空中，两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。后来，库仑又对磁极进行了类似的实验，研究证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。这就是经典磁学理论。

在磁场的经典理论中，磁荷和电场理论中的电荷的概念是有所区别的。电场中的独立的正负电荷可以单独存在，而单独的正负磁极实际上是不存在的，而且磁极从来都是成对出现的。正负磁极一般称为磁北极和磁南极。为了避免这种理论上的困难，经典磁场理论认为，一个非常细长的磁铁中的一个磁极，可以被近似地看做是一个单独的磁极。

一直以来，在现代磁学的领域中，经常会提到“三驾马车”。那么，现代磁学的“三驾马车”是指的什么呢？其实，这所谓的“三驾马车”就是指奥斯特、安培和法拉第。那么，为什么他们会被称为“三驾马车”？原来，他们在磁学的研究方面，所取得的研究成果极大地夯实了现代磁学的坚实基础。

丹麦物理学家奥斯特在1820年发现：一条通有电流的导线，会使其近处静悬着的磁针偏转。这就表明电流在其周围的空间产生了磁场，同时，奥斯特的这个实验也是证明电和磁现象密切结合的第一个实验。紧接着，法国物理学家安培等的实验和理论分析，详细地阐明了载着电流的线圈所产生的磁场，以及电流线圈间相互作用着的磁力。应用电流元来产生磁场的方法，证明磁场理论中的很多概念和电场理论中的很多概念十分相近。安培同时提出，铁之所以显现强磁性，是因为组成铁块的分子内存在着永恒的电流环，这种电流没有像导体中电流受到的那种阻力，并且电流环可因外来磁场的作用而自由地改变方向。这种电流在后来的文献中被称为“安培电流”或分子电流。

而电磁感应学的先行者法拉第，则以自己丰硕的研究成果为现代磁学开辟了一片广阔的天地——电磁时代。

磁学和电学有着直接的联系。经典磁学认为，如同电荷一样，自然界中存在着独立的磁荷：相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。而现代磁学则认为，环形电流元是磁极产生的根本原因，相同的磁极互相排斥，不同的磁极互相吸引。

独立的磁荷是不存在的。电子围绕原子核运动，所有的物质都具有某种特别的磁学效应。但是在自然界，铁、镍、钴等材料则表现了很强的磁特性，所以磁学又被称为铁磁学。

7.两个父亲——磁学之父

历史总会有惊人的相似。磁学的发展和推动也是如此，它犹如宇宙的磁暴现象，在厚积薄发的阵痛中喷薄而出：在平淡中孕育，在耀眼处自燃。美国物理学家范弗莱克和我国磁学专家施汝被称为磁学的“两个父亲”，他们是世界磁学领域的佼佼者，科学史上的“东西合璧”。

世界现代磁学之父——范弗莱克

范弗莱克（1899～1980年）是著名的美国物理学家。范弗莱克于1899年3月13日出生在康涅狄格州的米德尔城，1980年10月27日在马萨诸塞州的坎布里奇去世。范弗莱克1920年毕业于威斯康辛大学，1922年获哈佛大学博士学位。他先后在哈佛、明尼苏达和威斯康星大学执教，1934年又回到哈佛大学。

在物理学领域，范弗莱克主要在用量子力学方法，研究原子内部电子分布的基础上，探察单个原子的磁学性质。30年代，他提出了一种考虑电子受近邻电子影响的理论。这一理论目前仍是磁学领域内的基础理论。范弗莱克因对磁性和无序系统的电子结构进行基础研究，与安德逊和莫特（1905～1966年）一起分享了1977年度的诺贝尔物理学奖。他从事磁学研究将近50年，被人们称为“现代磁学之父”。

中国现代磁学之父——施汝为

施汝为（1901～1983年）是我国著名物理学家，1901年11月19日出生于江苏崇明（今属上海市）。1925年，施汝为毕业于东吴大学，1934年获美国耶鲁大学物理学博士学位，1955年被选聘为中国科学院学部委员（院士）。

施汝为曾经担任中国科学院物理研究所研究员、所长、名誉所长，是中国近代磁学研究与磁学教育的奠基人之一。他建立了中国第一个磁学研究实验室，在磁学和磁性材料等实验研究方面取得了多项重要成果。施汝为早期研制了一种新仪器，可以用来测定铁钴合金单晶的磁各向异性。他在金属基本磁性研究、铝镍钴永磁合金热处理研究等方面做了大量工作，并取得了多项重要成果。

20世纪40年代前后，施汝为又对坡莫合金和磁铁矿晶体的磁畴粉纹图进行了研究，开创了中国的磁畴实验观测工作。

8.魔力地带——磁场

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一，而磁场也是广泛存在的。地球，恒星（如太阳），星系（如银河系），行星、卫星、以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。

这张图是通过美国国家宇航局的火星全球探测飞船完成的。火星全球探测器绕火星球旋转时，探测器画出了火星的磁场“条纹”。图中所显示的是火星地表以下的磁场线，这种条纹表示着磁场的正反不同指向。

一般说来，物体之间要存在一个作用力，就会有一个力的作用点。然而，在磁学方面，这里理论并不成立。一个永磁体与另一个永磁体可以不接触，却互相施力，人们曾经称这样的现象为超距作用。近代的物理学家为了解释电荷之间和永磁体之间的相互作用力，引入了“场”的概念：在一个永磁体周围的空间中存在着一个磁场，使处于这空间中任何位置的另一个永磁体，受到磁场施加的力的作用；同时第二个永磁体所产生的磁场，也对第一个永磁体施加着反作用力。因为力是矢量，所以磁场也是一个矢量场。许多实验证明：磁场是一种真实的存在。

为了认识和解释科学研究过程中的许多物理现象和形成原因，磁场是必须考虑的一个重要因素。在现代科学技术和人类生活中，我们处处都可遇到磁场，发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等，无不与磁现象有关。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。而地球的磁极与地理的两极是相反的。

磁场是一种特殊的物质，摸不着、看不见。能够产生磁力的空间都存在着磁场。因此磁体的周围也存在着磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介来传递的。

磁场也是电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，而电流是电荷的运动。因此，概括地说，磁场是由运动电荷或变化电场产生的。

磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力。磁场对电流、对磁体的作用力或力矩都来源于这儿。

9.回形设想——磁感线

在很多事物的研究中，并不是很直接地就可以找到结果。在研究的过程中，有时候我们需要假设一些东西的存在，以助于研究。为了更好地研究磁场，比较形象地说明磁现象，人们便设想引进了一个物理概念——磁感线。

在磁场中，人们设想了一些曲线，使这些曲线上的任何一点的切线方向，都跟这一点的磁场方向相同，这些曲线就叫磁力线。磁力线是一种闭合曲线。并且，在这一研究中，我们规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。而磁铁周围的磁力线都是从北极出来进入南极，在磁体内部，磁力线从南极到北极。

磁感线的疏密表示的是场的强弱，它具有以下特征：①磁感线是人为虚拟的曲线，它有无数条；②磁感线是立体独立的，它们都不交叉；③磁感线的疏密显示磁力的大小，强弱；④磁感线总是从北极出发，进入与它最邻近的南极，形成闭合回路。

10.犬牙交错——磁场类型

由前面的介绍，我们知道，磁场有多种类型。下面，我们主要介绍其中具有代表性的几种。

恒定磁场：磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场。我们生活中经常会见到的，如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场，都属于恒定磁场。

交变磁场：磁场强度和方向在有规律地变化的磁场。比如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场，就属于交变磁场。

脉动磁场：磁场强度有规律地变化，而磁场方向不发生变化的磁场称为脉动磁场。如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场，都是脉动磁场。

脉冲磁场：用间歇振荡器产生间歇脉冲电流，将这种电流通入电磁铁的线圈，就可以产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式地出现磁场，磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。

恒磁场又称为静磁场，而交变磁场、脉动磁场和脉冲磁场都属于动磁场。磁场的空间各处磁场强度相等、或大致相等的称为均匀磁场，否则就称为非均匀磁场。磁场强度呈梯度变化，离开磁极表面越远，磁场越弱。

11.正负对撞——电磁场

前面我们说过，磁无处不在，因此可以说，磁场也无处不在。静止的电荷会产生静电场；静止的磁偶极子会产生静磁场。运动的电荷被称为电流，电流会产生电场和磁场。

所谓电磁场是指有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。在固定（静）电荷和电偶极化物质的四周会建立电场。当身体靠近电视或电脑荧幕时，会感受到毛发竖立，这就是因为（静）电场的存在。磁场则源于电荷的移动，电流量愈大，磁场愈强。一般所称的“场”指的是空间中的一个区域，进入该区域的物体都会感受到力的作用。例如，我们生活在地球的重力场中，也生活在地磁的磁场中，闪电时我们更笼罩在强大的电场中。

随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。

电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式和统一整体。电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面。变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，变化的电磁场以波动的形式在空间传播。电磁波以有限的速度在传播，具有可交换的能量和动量。如电磁波与实物的相互作用，电磁波与粒子的相互转化等等，都证明电磁场是客观存在的物质，它的“特殊”只在于没有质量。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

在随时间变化着的电磁场中，时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别。这样，就会出现一些由于时变而产生的效应。这些效应有非常重要的应用，并推动了电工技术的发展。

著名物理学家法拉第提出的电磁感应定律表明：磁场的变化要产生电场。而且，这个电场可以推动电流在闭合导体回路中流动。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等，都与电磁感应作用有紧密的联系。

由于这个作用，时变场中的大块导体内，将产生涡流及趋肤效应、表面淬火、电磁屏蔽等。
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------第3章 磁学延伸------

1.“地下工作者”——电磁波

正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。

电磁波是电磁场的一种运动形态。从科学的角度来说，电磁波是能量的一种。凡是能够释放出能量的物体，都会释放出电磁波。在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式从空间传播出去，所形成的电波与磁波的总称，叫做“电磁波”。

在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢。它们的能量几乎全部返回原电路，而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变很快，能量不可能全部返回原振荡电路。于是，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化，以电磁波的形式向空间传播出去。

电磁波属于横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波。波长越长的地面波，衰减越少。电磁波的波长越长，在绕过障碍物时也更加方便，可以更快地继续传播。中波或短波等空中波，则是靠围绕地球的电离层与地面的反复反射而传播的（电离层在离地面约50～400千米之间）。

光波是一种电磁波，无线电波也有和光波同样的特性。电磁波与光具有同样的传播速度，而且光波中有更多形式的电磁波。电磁波与光的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。例如，电磁波在通过不同介质的时候，也会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。

按照波长或频率的顺序，将这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们依次是工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。

我们一般所用到的波长都在10～3000米之间，分为长波、中波、中短波、短波等几种。传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米至几厘米。电磁波有红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。各种光线和射线，也都是波长不同的电磁波。其中以无线电的波长最长，宇宙射线的波长最短。

电磁波在传播中会携带有能量，因此，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。

2.“周公解梦”——电磁理论

电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场。而变化的电磁场在空间的传播则形成了电磁波，电磁波也常称为电波。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论。他断定了电磁场的存在，并推导出电磁波与光具有同样的传播速度。

其实，人们很早就接触到了电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。18世纪，物理学家们发现电荷有两种：正电荷和负电荷。另外，人们还发现，不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，而且它们作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。

19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。之后，安培又发现这个作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就有电流产生。这些实验表明，电和磁之间肯定存在着密切的联系。

当电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到，电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为了进一步研究，法拉第引进了力线的概念，认为电流的产生围绕着导线的磁力线，电荷会向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场，这个电场又将力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又再将力作用于其他磁体和内部有电流的物体。同时，电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，弥漫于整个空间。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，引进了位移电流的概念，建立了完整的电磁理论。他的研究成果表明：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上，他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为“麦克斯韦方程组”，后来成为经典电磁学的基本方程。

麦克斯韦的电磁理论预言：电磁波确实存在，而且它的传播速度等于光速。这一预言后来为赫兹的实验所证实。这时，人们才认识到麦克斯韦电磁理论的正确性。麦克斯韦电磁理论反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。由于电磁场能够将力作用于带电粒子，因此，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力。著名物理学家洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为“洛伦兹力”。于是，描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦兹力就构成了经典电动力学的基础。

3.心有灵犀——电磁感应

磁通量变化会产生感应电动势，因此，闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电涡流，这种现象叫电磁感应现象。

电磁感应是伟大物理学家法拉第的重大发现。抗磁性的基本来源就是电磁感应。这里感应电流所产生的磁场，对感应它们的磁场变化起着反抗作用，这就是楞次定律。

1820年，奥斯特发现电流磁效应后，许多物理学家便试图寻找它的逆效应，提出了磁是否能产生电，磁能否对电作用的问题。1822年，阿喇戈和洪堡在测量地磁强度时，偶然发现金属对附近磁针的振荡有阻尼作用。1824年，阿喇戈根据这个现象做了铜盘实验，发现转动的铜盘会带动上方自由悬挂的磁针旋转，但磁针的旋转与铜盘不同步，稍有滞后。

电磁阻尼和电磁驱动是最早发现的两种电磁感应现象。但由于没有直接表现为感应电流，当时并没有加以说明。

1831年8月，法拉第在软铁环两侧分别绕两个线圈，其中一个线圈为闭合回路，在导线下端附近平行放置一磁针；另一线圈与电池组相连，接开关，形成有电源的闭合回路。实验发现，合上开关，磁针偏转；切断开关，磁针反向偏转，这表明在无电池组的线圈中也出现了感应电流。法拉第立即意识到，这是一种非恒定的暂态效应。于是，他紧接着做了几十个实验，把产生感应电流的情形概括为五类：变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体，并把这些现象正式定名为电磁感应。进而，法拉第又发现，在相同条件下，不同金属导体回路中产生的感应电流，与导体的导电能力成正比。他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路、没有感应电流，感应电动势也依然存在。

经过不断地研究，法拉第给出了确定感应电流方向的楞次定律，以及描述电磁感应定量规律的法拉第电磁感应定律。并按产生原因的不同，把感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种。前者起源于洛伦兹力，后者起源于变化磁场产生的有旋电场。

电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一。它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，在对其本质的深入研究后，所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。

感应电流的产生必须要具备三个条件：（1）电路是闭合且相通的；（2）穿过闭合电路的磁通量发生变化；（3）电路的一部分在磁场中做切割磁感线运动（切割磁感线运动就是为了保证闭合电路的磁通量发生改变）。

这三者相辅相成，如果缺少一个条件，就不会有感应电流产生。感应电流的方向跟磁感线方向，导体运动方向有关系；感应电流的大小与导体切割磁感线的有效长度、导体切割速度、磁场强度有关。

电磁感应现象中，之所以强调闭合电路的“一部分导体”，是因为当整个闭合电路切割磁感线时，左右两边产生的感应电流方向分别为逆时针和顺时针，对于整个电路来讲，电流抵消了。

电磁感应是一个能量转换的过程。例如，重力势能、动能等可以转化为电能。热能等电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面，都有着广泛的应用。

4.隐形伤害——电磁辐射

电磁辐射是“电子烟雾”的一种，是损害人体健康的主要表现形式。它和电磁场共同对人体的健康产生危害。

广义的电磁辐射通常是指电磁波频谱而言。而狭义的电磁辐射是指电器设备所产生的辐射波。电磁辐射是传递能量的一种方式，辐射可以分为三种：游离辐射、有热效应的非游离辐射、无热效应的非游离辐射。

电磁辐射对人体有害。其中，危害人体机理的主要是电磁辐射的热效应、非热效应和积累效应等。

热效应：我们知道，人体内70%以上是水。当水分子受到电磁波辐射后，会相互摩擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。这就是热效应所带来的损害。

非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场。一般情况下，它们是稳定有序的。然而，它们一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场就会遭到破坏，人体正常循环机能也会遭受破坏。

累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害还没来得及进行自我修复之前，再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，这就会形成积累效应。如果长期维持这种状况的话，就会成为永久性病态甚至危及生命。

对于长期接触电磁波辐射的群体来说，即使功率很小、频率很低的电磁波，也会诱发意想不到的病变，应引起警惕。

各国科学家经过长期研究证明：长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等。另外，如男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等病症也可由电磁波辐射引起。

5.南极北极——地磁场

地球就是一个大磁体。地球的磁性，是地球内部的物理性质之一。在地球周围形成的磁场，它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此，处于地球表面的磁体，在可以自由转动的情况下，就会因磁体同性相斥、异性相吸的性质，而表现为指示南北。

存在地球周围的磁场中，并表现出磁力作用的空间，称为地磁场。它和一个置于地心的磁偶极子的磁场很近似，这是地磁场的最基本特性。

人类对于地磁场存在的早期认识，主要来源于天然磁石和磁针的指极性。地磁的北磁极在地理的南极附近；地磁的南磁极在地理的北极附近。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为南极）吸引着磁针的北极，地球的南磁极（磁性为北极）吸引着磁针的南极。

地球磁场的磁极和地理上的南北极方向正好相反，而且与地球的南北极并不重合。地磁的磁感线和地理的经线是不平行的，两者之间有一个11°左右的夹角，这个角被称为磁偏角。最早发现磁偏角的是我国北宋时期的科学家沈括。

此外，地球磁场的磁极位置也不是固定不变的。它有一个周期性的变化，这是地磁场的另一特性。

我们知道，地磁场很弱。但是它却可以延伸到很远的空间，保护着地球上的生物和人类，使我们免受宇宙辐射的侵害。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，而且变化非常缓慢。而变化磁场则包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球外部，而且非常微弱。

地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，其强度约占地磁场总强度的90%，产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程中，也就是自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域，平均强度约占地磁场的10%。地磁异常又分为区域异常和局部异常，它的存在与岩石和矿体的分布有关。

地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化，其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等，场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中，产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰，持续时间约为1～3天，幅度可达10纳特（数量级术语）。其他几种干扰变化则主要分布在地球的极光区内。除外源场之外，变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。根据变化磁场的内、外场相互关系，就可以得出地球内部电导率的分布。对地磁场的研究已成为地磁学的一个重要领域。

地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系，又和地壳上地幔的电性结构有关。因此，地球变化磁场在空间物理学和固体地球物理学的研究中，都具有非常重要的意义。

6.灵感与现实——地磁场理论与假说

历史上，第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600年提出了一种论点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。

1893年，数学家高斯在他的著作《地磁力的绝对强度》中，从地磁成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法。这样，地磁场的测量和起源研究就都可以用数学理论来表示了。但这仅仅是一种形式上的理论，并没有从本质上阐明地磁场的起源。

科学家们经过不断地探索和研究，现在已基本掌握了地磁场的分布与变化规律。但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。

目前，关于地磁场起源的假说，归纳起来可分为两大类：第一类假说是以现有的物理学理论为依据；第二类假说则独辟蹊径，认为对于地球这样一个宇宙物体，存在着不同于现有理论的特殊规律。

第一类假说中，比较具有代表性的有旋转电荷假说。它假定地球上存在着等量的异性电荷。这两种电荷，一种分布在地球内部，另一种分布在地球表面。电荷随地球旋转，因而产生了磁场。这一假说能够很自然地通过电与磁的关系，来解释地磁场的成因。但是，这个假说却有着致命的缺点：首先，它不能解释地球内外的电荷是如何分离的；其次，地球负载的电荷并不多，因此由它产生的磁场也是非常微弱的。根据计算，如果要想得到地磁场这样的磁场强度，地球的电荷储量需要扩大1亿倍才行。因此，理论计算的结果和实际情况的出入很大。

以地核为前提条件的地磁场假说，也属于第一类假说。弗兰克在这类假说中提出了发电机效应理论。他认为地核中电流的形成，应该是地核金属物质在磁场中做涡旋运动时，通过感应的方式而产生的。同时，电流自身形式的场，就是连续不断的再生磁场，就像发电机的情形一样。弗兰克所建立的模型说明了怎样实现地磁场的再生过程，也解释了地磁场有一定的数值。但是在应用这种模型的时候，却很难解释地核中的这种电路是怎样通过圆形回路而闭合的。此外，这个模型也没有考虑到电流对涡旋运动的反作用，事实上，这种反作用是不允许涡旋分布于平行赤道面的平面内的。

另外，属于第一类假说的还有漂移电流假说、热力效应假说和霍尔效应假说等。但是，这些假说都不能全面地解释地磁场的奇异特性。

关于地磁场起源还有第二类假说，这其中最具代表性的就是重物旋转假说。1947年，布莱克特提出：任意一个旋转体都具有磁矩，它与旋转体内是否存在电荷无关。这一假说认为，地球和其他天体的磁场都是在旋转中产生的，也就是说星体自然生磁，就好像电荷转动能产生磁场一样。但是，这一假说在试验和天文观测两方面都遇到了困难。在现有的实验条件下，还没有观察到旋转物体产生的磁效应。而对天体的观测结果表明，每个星球的磁场分布状况都很复杂，还不能证明星球的旋转与磁场之间存在着必然的关系。

关于地磁场的起源问题，学术界仍处在探索与争鸣之中。目前，还没有一个具有相当说服力的理论，对地磁场的成因作出解释。

7.黑子不黑——太阳磁场

黑子是太阳的表面常常会出现的黑色斑点。它是太阳磁场发生异常的主要表现形式：太阳表面上的磁化风暴，一个巨大的旋涡状气流。

黑子其实并不黑，它的温度在4500℃左右，只是由于它比周围的高温低了1500℃左右，因此，在我们看来它是呈现为黑色斑点的。黑子其实也不小，小黑子的直径也有1000千米左右；大黑子或者是黑子群，直径还可达10万千米以上。

太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。一般说来，一个黑子群中有两个主要黑子，它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的，则后随黑子就是S极的。在同一半球（例如北半球），各黑子群的磁极性分布状况是相同的；而在另一半球（南半球）情况则相反。在一个太阳活动周期（约11年）结束，另一个周期开始时，上述磁极性分布便全部颠倒过来。因此，每隔22年，黑子磁场的极性分布就会经历一个循环，称为一个磁周。

强磁场是太阳黑子最基本的特征。黑子的低温、物质运动和结构模型都与磁场息息相关。

太阳磁场是分布于太阳和行星际空间的磁场，分为大尺度结构和小尺度结构。其中，大尺度结构磁场主要指太阳的普遍磁场和整体磁场，它们是单极性的；小尺度结构磁场则主要集中在太阳活动区附近，且绝大多数是双极磁场。

在太阳风作用下，太阳磁场还弥漫在整个行星际空间，于是形成了行星际磁场。它的极性与太阳整体磁场一致，并随着离开太阳距离的增加而减弱。可以说，各种太阳活动现象都与磁场密切相关。如耀斑产生前后，附近活动区磁场会有剧烈变化，而黑子的磁场最强，能量也极大。

在太阳的剧烈活动中，就会有磁爆产生，而且充斥和弥漫整个太阳磁场。太阳磁场中最主要的磁现象有黑子、耀斑和日珥。

耀斑是最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放出的能量非常巨大，这个能量可能就来自磁场。在活动区内，一个强度为几百高斯（能量单位）的磁场一旦湮没，它所蕴藏的磁能便会全部释放出来，足够供给一次大耀斑爆发。在耀斑爆发前后，附近活动区的磁场往往会有剧烈的变化。

日珥的温度约为10000℃，它却能长期存在于温度高达一两百万℃的日冕中。它既不会迅速瓦解，也不会下坠到太阳表面，这主要依靠什么力量来维持呢？原来，磁力线的隔热和支撑作用就足以维持它的这种状态。宁静日珥的磁场强度约为10高斯，磁力线基本上与太阳表面平行；活动日珥的磁场强一些，可达200高斯，磁场结构较为复杂。

除太阳活动区外，日面宁静区也有微弱的磁场。整个说来，太阳和地球相似，也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰，太阳普遍磁场只是在两极区域比较显著，而不像地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1～2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化，甚至极性也会突然转换。总之，太阳上既有普遍磁场，又有整体磁场。只不过普遍磁场是南北相反的，而整体磁场是东西对峙的。

8.夜之魅——极光

在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。它会轻盈地飘荡，同时忽暗忽明，发出红的、蓝的、绿的、紫的光芒，人们把这种壮丽动人的景象叫做极光。

极光五彩缤纷，多种多样，魅惑无比。在自然界中，还没有哪种现象能与之媲美。它是地球两极空气中嬉戏无常、变幻莫测的炫目之光。

极光是南北极地区特有的一种大气发光现象。以前，由于人们认识的局限性，它在东西方的神话传说中，留下了一个个美丽的传说、妖艳的倩影。

随着现代科学突飞猛进的发展，现在人类已经能够用平静的心情和理性的眼光来看待极光，对它也能作出合理的科学解读了。

在相当长一段时间内，人们一直认为极光可能是由以下三种原因形成的。一种看法认为极光是地球外面燃起的大火，因为北极区临近地球的边缘，所以能看到这种大火；另一种看法认为，极光是红日西沉以后，透射反照出来的辉光；还有一种看法认为，极地冰雪丰富，它们在白天吸收阳光，贮存起来，到夜晚释放出来，便形成了美丽的极光。

总之，众说纷纭，无一定论。但事实是怎样的呢？20世纪60年代，科学家们将地面的观测结果与卫星和火箭探测到的资料结合起来研究，才逐步形成了极光的物理性描述。

现在人们认识到，极光一方面与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关；另一方面，又与太阳喷发出来的高速带电粒子流有关，这种粒子流就是我们通常所说的太阳风。

由此可见，形成极光必不可少的条件就是大气、磁场和太阳风，这三者缺一不可。具备这三个条件的太阳系其他行星，如木星和水星，它们的周围，也会产生极光。之后，水星和木星上的这种美丽的极光现象，已被实际观察到。

地磁场分布在地球周围，被太阳风包裹着，形成一个棒槌状的胶体，科学上称它为“磁层”。为了更形象化，我们可以把磁层看成一个巨大无比的电视机显像管：它将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成束，聚焦到地磁的极区，极区大气就是显像管的荧光屏，极光则是电视屏幕上移动的图像。但是，这里的电视屏幕是直径为4000千米的极区高空大气。通常，地面上的观众，在某个地方只能见到画面的1/50.在电视显像管中，电子束击中电视屏幕，由于屏上涂有发光物质，因此屏会发射出光，显示成图像。同样，来自空间的电子束，打入极区高空大气层时，也会激发大气中的分子和原子，导致发光，这样，人们便见到了极光的图像显示。在电视显像管中，由一对电极和一个电磁铁作用于电子束，产生并形成一种活动的图像。在极光发生时，极光的显示和运动，则是由于粒子束受到磁层中电场和磁场变化的调制造成的。

极光不仅是个光学现象，而且是个无线电现象。它会辐射出某些无线电波，因此可以用雷达来进行探测研究。另外，也有人说，极光还能发出各种各样的声音。

极光不仅是科学研究的重要课题，它还直接影响到无线电通信、长电缆通信，以及长的管道和电力传送线等许多实用工程项目。此外，极光还可以影响到气候，影响生物学过程。当然，极光也还有许许多多没有解开的谜。

在地球与月球距离的三分之一处发生的磁爆，使得北极光和南极光突然变亮。数十年来，科学家对触发极光突然变闪耀的机理也一直存有争议。

有关科学家曾经研究证实，极光耀现是由于一种叫作“磁重联”的作用所造成的。磁重联理论认为，“亚暴”（注：即“磁层亚暴”，发生在地球磁层的强烈扰动。持续时间为1～2小时，主要扰动区域包括整个磁尾、等离子体片和极光带附近的电离层。）发生在距离地球约12.8万千米的地方，也就是由地球往月球三分之一的路程处。

在极光发生区域，地球磁层两个磁场的磁力线，由于贮存太阳风能量而相互靠近。当两者之间达到一个临界值时，磁力线便重新排布，导致磁能转化为动能和热能，这种能量的释放就会促使极光瞬间变得明亮斑斓。

极光耀现与太阳风有关，地球磁场的磁力线在储存太阳能量时，可辐射到遥远的太空。科学家发现，发生的磁联作用最初离地球很远，不过之后它会向地球方向慢慢传播过来。月球的位置距离地球38.5万千米，而磁联作用则发生在大约距离地球12.8万千米处。

太阳风与地球大气原子冲撞后产生的极光通常极其微弱，肉眼是很难看到的。但人们偶尔也能见到科学家称为动态极光的耀眼光辉。未完待续......欲知下回，请关注微信公众号： xiaoyida_com ，回复 xse95229 获取完整内容！
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本小说内容节选自：育儿健康小说 《青少年应该知道的磁》

作者：华春
最后更新于：2016年09月08日
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