筆者 東邪
火是一種特殊的現(xiàn)象，不同溫度的火能夠產(chǎn)生不同的影響。溫度較低的火能給人溫暖的感覺(jué)，溫度超過(guò)一定刻度的火會(huì)讓人產(chǎn)生灼燒感，這時(shí)候如果火焰繼續(xù)升溫，將會(huì)觸發(fā)有機(jī)物的化學(xué)反應(yīng)，直觀(guān)表現(xiàn)為人體皮膚燒了起來(lái)。火的強(qiáng)大之處不僅在于讓有機(jī)物燃燒起來(lái)，還在于它能讓冷冰冰的金屬瞬間化為“流水”。
接觸過(guò)中學(xué)物理知識(shí)的朋友應(yīng)該都知道，任何金屬都有一定的熔點(diǎn)。這個(gè)熔點(diǎn)指的是物體從固態(tài)變成液態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而大多數(shù)金屬在常溫條件下是固態(tài)的，隨著溫度的不斷升高變成液態(tài)的可能性就越來(lái)越大。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鐵的熔點(diǎn)是1538攝氏度，如果用超過(guò)這一熔點(diǎn)的溫度去加熱磁鐵，那么磁鐵會(huì)發(fā)生什么呢？
為什么磁體會(huì)有磁性？
在了解以上的問(wèn)題之前，我們首先需要清楚為什么磁鐵會(huì)有磁性。一般情況下，大多數(shù)物質(zhì)都不具有磁性，這要從構(gòu)成物質(zhì)的基本單位——原子說(shuō)起。原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核內(nèi)有帶正電的質(zhì)子，而電子帶負(fù)電，兩者電性抵消，因此原子呈中性。電子除了帶負(fù)電之外，它還帶有磁性，但大多數(shù)原子的電子排列順序十分混亂，因此相互之間的磁效應(yīng)抵消了。
磁體之所以會(huì)有磁性，是因?yàn)樵觾?nèi)的電子在外界因素的影響下排列整齊，讓磁性都朝著同一方向，從而導(dǎo)致磁性不會(huì)抵消反而加強(qiáng)。鐵、鎳、鈷等金屬都可以變成磁體，它們內(nèi)部的電子整齊排列之后形成一個(gè)自發(fā)磁化區(qū)，該區(qū)域被稱(chēng)為“磁疇”。如果想要讓磁體失去磁性，就必須破壞內(nèi)部的磁疇，目前主要的方法是施加高溫。
磁鐵融化后會(huì)發(fā)生什么？
在自然界中，鐵單質(zhì)比較少，更多的是鐵的氧化物，其中天然形成的磁體就是四氧化三鐵。這種化合物是鐵磁性礦石的主要成分，由于它呈現(xiàn)灰黑色，因此天然磁鐵看起來(lái)就是灰黑色的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，四氧化三鐵的熔點(diǎn)是1594.5℃，換而言之，只要給天然磁鐵加熱到這個(gè)溫度，它就會(huì)熔化。那么熔化后的磁鐵除了變成一灘液體，它的磁性還在嗎？
這就要說(shuō)到另一個(gè)概念了——居里點(diǎn)。聽(tīng)到這個(gè)名字是不是有點(diǎn)熟悉？沒(méi)錯(cuò)，居里點(diǎn)就是科學(xué)家居里提出來(lái)的，他就是居里夫人的丈夫皮埃爾·居里。皮埃爾通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天然磁體加熱到一定溫度后就會(huì)失去磁性，于是他將這一變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)定義為“居里點(diǎn)”。但這一溫度并不會(huì)讓磁體的形態(tài)發(fā)生變化，即磁體的熔點(diǎn)和居里點(diǎn)不同，而且熔點(diǎn)一般高于居里點(diǎn)。
不同材料的磁體居里點(diǎn)不同，而磁鐵的居里點(diǎn)在480~550攝氏度之間。磁鐵的居里點(diǎn)之所以是一個(gè)范圍，是因?yàn)榇盆F有很多種類(lèi)，有不同的鐵氧化物組成。因此可以肯定的是，磁鐵熔化后會(huì)變成液體，而且該液體已經(jīng)失去了磁性。
為什么磁鐵加溫至居里點(diǎn)會(huì)失去磁性？
了解磁體為什么會(huì)有磁性的問(wèn)題后，這個(gè)問(wèn)題就不難理解了。根據(jù)熱力學(xué)定律，分子、原子等基本粒子在升溫的情況下會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變得活躍的現(xiàn)象，其中氣體分子的活躍現(xiàn)象最為明顯，而固體原子的活躍現(xiàn)象最不明顯，所以即使固體內(nèi)部發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，我們也很難從物體的表面看出來(lái)。以此磁鐵加熱為例，磁鐵內(nèi)的原子在受熱后會(huì)出現(xiàn)熱運(yùn)動(dòng)。
熱運(yùn)動(dòng)會(huì)打破電子排列而成的順序，使磁疇被分解，最終導(dǎo)致磁性消失。此外，這個(gè)過(guò)程也可以看作是熵增的過(guò)程。熵指的是物質(zhì)狀態(tài)的混亂程度，熵越大，那么物質(zhì)的狀態(tài)越混亂。在常溫條件下，磁鐵內(nèi)部的熵比較低，因此內(nèi)部原子的狀態(tài)比較穩(wěn)定，電子的排列也比較有序。當(dāng)受到外界熱量的影響時(shí)，磁鐵的熵就會(huì)增大，導(dǎo)致內(nèi)部混亂程度增加。
這一發(fā)現(xiàn)衍生出什么應(yīng)用？
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了磁體的磁性受到溫度影響后，開(kāi)始嘗試將這一特性應(yīng)用到實(shí)際生活中，其中居里點(diǎn)最常見(jiàn)的應(yīng)用就是溫控設(shè)備。日常生活中使用頻率最高的電飯鍋就用到了相關(guān)的溫控設(shè)備，而這些設(shè)備的基本工作原理就是居里點(diǎn)特性。據(jù)了解，電飯鍋的溫控裝置通常由一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)在103攝氏度左右的磁體構(gòu)成。
在煮飯的過(guò)程中，水加熱到一百攝氏度左右就會(huì)達(dá)到沸點(diǎn)沸騰，這時(shí)電飯鍋內(nèi)的溫度還會(huì)繼續(xù)往上升一些。當(dāng)溫度達(dá)到103攝氏度時(shí)，原本被磁鐵吸住的磁體就會(huì)丟失磁性，進(jìn)而使得磁鐵失去了對(duì)磁體的吸引作用，最后觸發(fā)一系列的設(shè)定讓電飯鍋的電源斷掉或停止加熱進(jìn)程。除了在日常生活有所應(yīng)用之外，居里點(diǎn)在地質(zhì)學(xué)研究中也是重要的方法。
研究發(fā)現(xiàn)，地球上的巖石也是潛在的磁體，它們?cè)诘厍虼艌?chǎng)的磁化作用下會(huì)獲得微弱的磁性，使得巖石變成磁石，而且磁石的磁場(chǎng)方向和地球磁場(chǎng)是相同的。磁石也有居里點(diǎn)，如果其周?chē)h(huán)境的溫度達(dá)不到居里點(diǎn)，那么磁石的磁性就一直存在，而且不會(huì)隨著地球磁場(chǎng)方向的改變而改變。利用這一特點(diǎn)，地質(zhì)學(xué)家可以研究過(guò)去地球磁場(chǎng)發(fā)生的變化。
通過(guò)在地球上不同地區(qū)測(cè)出磁石的磁場(chǎng)情況，再加上鑒定該磁石形成的大概時(shí)期，就能確定該時(shí)期的地球磁場(chǎng)方向。后來(lái)不少地質(zhì)學(xué)家利用這一方法研究地球磁場(chǎng)的變化，發(fā)現(xiàn)了地球在歷史上發(fā)生過(guò)多次磁場(chǎng)掉轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，因此形成了“古地磁說(shuō)”的理論。
那么地球上最早的磁體是否在地球磁場(chǎng)的影響下出現(xiàn)的呢？這個(gè)問(wèn)題就要追溯到地球磁場(chǎng)的起源了，目前科學(xué)家還在研究這方面的問(wèn)題，因此該問(wèn)題暫時(shí)還沒(méi)有明確的結(jié)論。
