为什么磁铁有北极和南极？

NBy Laurel Hamers

2023/5/1

Physics & Mathematics

 ( lifes-little-mysteries )

自旋的电子可能帮助解释为什么磁铁有北极和南极。

磁铁有一个北极和南极，但为什么呢？ (Image credit: Wittayayut via Getty Images)

将一个条形磁铁切成两半不会摆脱它的极。它将只会产生两个磁铁，每个磁铁都有一个北极，会被另一个磁铁的南极吸引，反之亦然。

正是这种吸引力的基本特性使磁铁对如此多用途是可用的，从持住一个派对邀请函到一个冰箱到进行医学成像。

但这些极怎样发生呢？为什么磁铁有北极和南极？

佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室主任格列格波丙格尔说，磁铁是“物理学中最深的秘密之一”。虽然人们一直用磁铁已有数千年，但科学家们仍正在学习关于它们如何工作的新事物。

至于磁铁为什么有两个极的最基本答案在于电子的行为。所有物质包括磁铁都是由原子组成的。在每个原子中，原子核被一个或多个带负电荷的电子包围。这些电子中的每一个都产生它自己的微小磁场，科学家指为一个“自旋”。如果足够多的小磁场正指向同一方向，物质本身变的磁性的。 

一个电子的“自旋”是某些一个抽象的概念的东西，丙格尔告诉生活科学杂志（Live Science）。技术上，没有人已经见过一个电子自旋------对被在一个显微镜下看到它太小了，但物理学家知道电子有一个磁场，因为他们已经测量过它。一种磁场被产生的方式是如果电子正在旋转。反转自旋的方向，磁场就会翻转。

当可能的时，电子将配对起来以便它们的自旋抵消掉，使一个原子的净磁性为零。但在某些元素中，例如铁这不可能发生。电子的数量和它们在原子核周围的位置意味着每个铁原子都有一个不成对的电子产生一个小磁场。

在一个未磁化物质中，这些单独的磁场正指向不同的随机方向。在这种状态下，它们大多彼此抵消掉，因此物质总体上没有磁性。但在适当的条件下，微小的亚原子磁场能对齐指向同一方向。人们可能会认为这就像一群人四处走动对所有人组织起来并面向同一个方向之间的区别一样。这些非常小的磁场的组合制造一个更大的磁场------因此物质变成一个磁铁。

日常生活中使用的许多磁铁如冰箱磁铁被称为永磁体。在这些材料中，材料中许多原子的磁场已经变得被一些外力永久对齐------就像被置于一个更强大的磁场中一样。

磁场的示例。(Image credit: VectorMine via Getty Images)

通常，更强大的磁场被电产生。电和磁根本上被联系，因为磁场被电荷的运动产生。这就是为什么一个自旋的电子有磁场。加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的资深科学家保罗菲拉新说，但科学家也能利用电来创造非常强大的磁铁。通过一个线圈跑足够的电流产生一个非常强的磁场，只要电流流动就会持续下去。这些电磁铁通常用于物理学研究，菲拉新告诉生活科学杂志。它们还用于磁共振成像 （MRI） 机器等医疗工具。

地球也有它自己的磁场------这就是使一个罗盘针工作的。科学家已经定义一个磁铁的北极为如果磁铁可以自由旋转会指向地球北极的末端。但技术上，丙格尔解释说，这意味着地球上的北极实际上是一个磁南极，因为相反的极吸引。

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在物理学传统中，磁场线从磁铁的北极向外流动并进入它的南极，形成一个闭环。

物理学家还发现了磁极的其他排列方式，包括四极，其中一个北极和南磁极的组合被排列在一个正方形中。但一个目标仍然难以捉摸，费拉辛说：还没有人发现一个磁单极子。

电子和质子是电单极子：它们各自有一个单一的电荷，无论是正电荷还是负电荷。但电子（以及其他粒子）有两个磁极。而且因为它们是基本粒子，它们不能进一步被分解。粒子电学上和磁学上的行为方式之间的这种差异已经引起了许多物理学家的兴趣，对一些人发现一个有一个单个磁极的粒子是圣杯。它的发现将挑战我们目前所理解的物理学的法则。

https://www.livescience.com/physics-mathematics/why-do-magnets-have-north-and-south-poles