磁体与磁场的知识梳理- 畅鱼网

磁铁和磁力在我们的日常生活中无处不在，帮助我们在不熟悉的领域找到方向，在生活中，我们可以依靠磁铁做许多事情，比如在墙壁上贴东西等。但除了这些常见的例子，磁场似乎总是在宇宙力量的战争中起次要作用。在大多数情况下，它们只是被它们更强大的同类推来推去。

近日，科学家公布了关于磁体物理学的三个令人惊讶的事实！或许将改变你的“磁”的更深理解。

磁铁只对运动起作用

一个孤独带电荷的粒子，什么事也不做就能产生电场。这个场在粒子四周环绕，并指示其他带电粒子如何响应。如果附近有带电粒子，它就会被推开。如果一个相对带电的粒子离我们很远，它就会被轻轻拉近。

但是如果你把电荷转化为运动，会发生一件令人惊讶的事情:一个新的场出现了!这个奇特的场以一种奇怪的方式运动:它不是直接指向或远离电荷，而是绕着电荷旋转，总是垂直于运动的方向。更重要的是，一个附近的带电粒子只有在这个粒子也在运动的情况下才会感觉到这个新的场，而且它感受到的力也垂直于它运动的方向。

这个场，为了方便起见，我们叫它磁场，它是由移动电荷引起的，只影响移动电荷。磁铁中的每一个原子都有一层又一层的电子，而电子是带有自旋性质的带电粒子。自旋是一种基本的量子性质，虽然从技术上讲，把电子看作是微小的自旋金属球是不正确的……出于磁性的目的，我们可以把电子看作是微小的自旋金属球。这些电子是运动中的电荷，每个电子产生自己的极微小的磁场。在大多数材料中，电子的不同方向抵消了任何宏观磁场，但磁铁正是那种有许多电子整齐排列的材料，使磁场大到足以把东西粘到冰箱上。

可能存在磁单极子

因为我们在宇宙中看到的所有磁场都是由移动的电荷产生的，所以你永远不能把南北磁极(“单极子”)分开。他们总是成对来的。如果你把一块磁铁切成两半，就会得到两块更小、更弱的磁铁——它们的内部电子仍在旋转，一如既往。

磁体的这种性质过去(现在也是)是众所周知的，以致于詹姆斯•克拉克•麦克斯韦(James Clerk Maxwell)——那个发现电和磁是联系在一起的家伙——只是把“没有磁单极子这样的东西”这句话硬塞进了他的方程，然后就不管它了。几十年来，我们没有理由怀疑，所以我们听之任之。但是，当我们的眼睛开始注视着这个奇妙的亚原子世界时，我们对量子力学的理解不断加深，而量子领域的先驱保罗•狄拉克(Paul Dirac)注意到，这种新物理学深奥的数学中潜藏着某种有趣的东西。

如果幻想中的实验中有一个磁单极子存在，然后你把它和一个普通的熟悉的电荷配对，那么这两个单极子就会开始旋转。这个旋转实际上与距离无关;这两个粒子相距多远并不重要。但是狄拉克知道角动量(在这个旋转的对中，动量在一个圆中运动)是量子化的——而在我们的宇宙中角动量是离散的。所有的事情都是如此，包括我们这对奇特的磁单极子。

这就是问题所在:使用这个推理，狄拉克意识到如果角动量是量子化的，那么这些粒子上的电荷也必须量子化。由于这一效应与距离无关，如果整个宇宙中存在一个磁单极子，那么这将直接导致电荷的量子化，在此之前，我们一直认为电荷量子化是没有理论依据的实验事实。

磁是狭义相对论的关键

麦克斯韦尔(James Clerk Maxwell)发现的电磁之间的联系并非意外。他意识到它们是同一硬币的两面——电磁。变化的电场可以产生磁场，反之亦然。而爱因斯坦是麦克斯韦的超级粉丝，但是他更进一步，他意识到电、磁和运动之间有联系。从你的角度来看，电荷是移动的。没错，它们产生磁场。所以，不仅电场和磁场是一枚硬币的两面，而且你可以通过简单的移动来将它们相互转换。这也意味着不同的观察者会对他们所看到的产生不同的看法:一些固定的观察者可能会看到一个电场，而一个移动的观察者可能会发现产生磁场的同一个源。