电磁等量吗?
平日里,我们需要和电打交道。当家中的电线给电灯、电冰箱、电视机、食物搅拌机、吹风机、加热器以及电脑提供能量的时候,我们体验到了电的存在。使用电线导电,我们利用的是金属电子能够自由移动的特性。正是由于金属具有良好的导电性,我们才用铜和铝制作电线。这些金属导线能够使得电子从发电站流向并通过家庭配线。有序的电子流给我们的用电设备提供了能量。
同样,我们也能从电池中体验到电的存在。电池储存着带电电荷,从而能够给多种设备提供能量。电池中的电子从一端流出,经过我们的工具或玩具(例如手机)之后流回电池的另一端,这就是其工作原理。
某些绒毛与衣物摩擦时产生的火花,以及手与门把手之间突然迸发的火花,也同样能让我们体验到静电。我们也可以在科学试验中,把气球和衣物进行摩擦从而使电子自由移动,继而使这些气球相互排斥,或者利用气球吸起小纸屑。
住宅电线、电池以及静电都揭示了物体本质的某种深层次的东西。它们帮助我们理解这样一个事实:电存在于物体内部。电子并不只是我们在科学书籍中看见的一个词语。世界万物都由原子构成,而这些原子则由带电电荷构成,即带负电的电子和带正电的质子。世间万物都带电,电池和住宅电线只是一些非常特殊的带电体,通过它们,我们知道了“电存在于万物之中”这个事实。
同样,磁性也普遍存在于万物之中。我们大多都会通过家中的玩具或工具感知到磁的存在。事实上,电和磁的关系十分密切。磁的意义可不仅仅存在于粘在冰箱上的可爱小饰品之中哦!
通常,人们在接触电磁石之后,才会意识到电和磁之间的联系。在这里,将向大家介绍几个可以自己尝试的小实验。要完成以下两个实验,你们需要如下材料:
*4米长的规格为20的绝缘铜导线
*一根至少长15厘米的铁钉
*一个电压为1.5伏的性能良好的D型电池
*5个圆形磁铁(最好直径为3毫米)
实验步骤:剪下30厘米长的导线,放在一边。把剩余导线两端的绝缘表层去掉约2厘米,然后把导线空出约30厘米长,从铁钉的底端开始沿着同一个方向向顶端紧紧缠绕。注意导线之间不要重叠。在导线与电池连接之前,先测试一下缠绕着导线的铁钉能否吸起曲别针。铁钉的两端都要测试。然后把圆形磁铁的一端标为“A”,另一端标为“B”,再测试铁钉的两端与圆形磁铁两极之间的反应是否相同。在下列表格中填入你们的实验结果。
接下来,把导线的一端连到1.5伏电池的正极,另一端连到负极。可用胶带或电池夹板固定。然后再测试铁钉的两端能否吸起曲别针,以及与圆形磁铁两极的反应。断开导线(否则,电池的电力会很快耗光),一分钟之后再次重复检测一遍。写下最终结果,比较有电池和没有电池的两种不同情况。
你们会发现,在没有连接电池的情况下,铁钉不会吸起纸夹,因为它没有磁性。但它却能够感觉到磁力。因此,铁钉的任何一端都会被圆形磁铁吸引。同时,你还可以用两个圆形磁铁来证明磁铁的不同磁极作用效果完全不同。其作用效果与哪两端相靠近有关,你们会观察到吸引和排斥两种不同效果。
下面这张表格给出了非磁性材料、磁性材料和磁铁之间的主要区别:
大家可能已经发现缠上导线的铁钉与电池相连时会吸引曲别针。并且,铁钉的两端与磁铁靠近时,作用效果不同。进一步来说,导线中没有电流流动时,铁钉两端的作用效果相同;而与电池相连后,则作用效果不同。如果你是一个很细心的观察者,你就会发现铁钉的一端和圆形磁铁的某一侧相互排斥。
大家也可以通过下面的实验来研究电和磁的关系。小心地把20根30厘米长的标准导线的绝缘层剥去。拿出其中一根细铜线,用5个圆形磁铁组成的磁铁组对它进行测试,看其属于非磁性材料、磁性材料还是磁铁。记下实验结果。然后,再把导线的一端粘在D型电池的负极,另一端粘在正极。那么,导线就通电了,你们可以感觉到导线在慢慢地变热。断开导线后再用磁铁组的两极仔细测试导线。你们会发现铜导线能感觉到磁力,并同时表现出了吸引和排斥两种现象。这是因为电流已经把铜导线变成了一个弱磁铁。(你一定要确保从电池处断开了。)
这两个实验表明电与磁有着相互关联、相辅相成的联系。大多数人都从未参观过发电站,也从未亲眼见过电力的产生设备。但如果我们都去过那里,就不用再通过实验来学习电磁之间的关系了。通过发电站之行,我们就会知道:发电站通过金属导线绕磁铁旋转产生电力。当导线在磁极周围以正确的方式运动时,导线中就会有电流产生。之后,这股电流会通过其他输电线传输到我们使用的电器设备中来。
下面这个很酷的实验则会证明:只要让磁极穿过导线运动,就会产生电流。图示清楚地阐释了实验过程。洁净的试管中有5个圆形磁铁。管子的中央部分用导线缠了起来,并且导线的两端还连接着一个发光二极管。磁铁穿过线圈运动时,引起了导线中电子的流动,因此,产生了电流,点亮了小灯泡。做这个实验时,孩子们会开心地大叫:“妈妈,快看!没有电池!”
这个实验可以通过两种方法实现。第一种就是把书放在眼前,快速地来回移动,这样书中的图示也会快速地前后移动。这时对自己说:“我好困,我看见了小灯泡一亮一灭。”这个方法有时候可能会有效,但是却并不科学。
以上所有的实验,包括电磁石、与电池相连的铜导线、发电站之旅以及在导管中移动磁铁,都证明了电和磁关系密切。一方面,电流能让铁钉和细导线变成磁体;另一方面,我们还可以通过导线与磁铁的相互运动来产生电流。这些事例都揭示了电和磁深层次的特征,即都属于同一种作用力——电磁力。