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出版者:Picture Window Books

作者:Rosinsky, Natalie M./ Boyd, Sheree (ILT)

出品人:

页数:24

译者:

出版时间:

价格:$ 29.37

装帧:SAL

isbn号码:9781404800144

丛书系列:

图书标签:

• 磁铁
• 物理
• 科学
• 实验
• STEM
• 儿童
• 青少年
• 教育
• 磁力
• 趣味科学

《磁场奥秘：无形的引力与创造》 引言 人类文明的发展，总伴随着对自然界 fundamental forces 的探索。从古老的“灵石”传说，到现代科学实验室里精密的实验，磁场——这股无形的力量，始终牵引着我们的好奇心。它潜藏在地球的深处，驱动着我们赖以生存的星球；它跳动在每一个电子设备的核心，构筑了我们信息时代的大厦；它甚至在生命体的内部悄然运作，影响着细胞的生长与信息传递。 本书并非一本简单的教科书，也不是一本零散的科普读物。它是一次深度探索，一次关于磁场本质、起源、表现以及它如何塑造我们所处世界的旅程。我们并非仅仅列举事实，而是试图理解“为什么”。为什么某些物质会相互吸引或排斥？磁场的强度是如何测量的？它与电荷之间又有着怎样的剪不断理还乱的关系？这些基本的问题，构成了我们理解磁场世界的基石。 我们将从最直观的现象入手，例如指南针为何总是指向北方，磁铁的吸引力来自哪里。但这仅仅是冰山一角。随着我们深入，将揭示磁场的微观根源——电子的自旋与轨道运动，以及它们如何汇聚成宏观的磁性。我们将穿梭于宏观世界与微观世界之间，感受物质构成中最精妙的平衡与运动。 然而，磁场的作用远不止于基础的物理现象。它在人类社会的进步中扮演着至关重要的角色。想想那些改变世界的发明：发电机、电动机、磁共振成像（MRI）、硬盘驱动器……没有对磁场深刻的理解和巧妙的应用，这一切都无从谈起。本书将带领你走进这些应用的背后，理解它们是如何利用磁场的神奇特性，解决实际问题，提升生活品质。 更进一步，我们将触及磁场在更广阔宇宙中的作用。太阳风的偏转，行星磁场的形成，星系的演化，甚至宇宙微波背景辐射中可能隐藏的磁场信息，都在诉说着磁场在宇宙尺度上的宏大叙事。我们将从地球的磁层，眺望更遥远的星辰大海，感受宇宙的壮丽与神秘。 这本书的目的是激发你的求知欲，培养你用科学的视角去观察和理解世界的习惯。我们力求语言生动，深入浅出，避免枯燥的公式推导（尽管在关键之处我们会点到为止），而是通过清晰的解释、生动的比喻和丰富的案例，让你能够真正地“看见”磁场。希望在阅读完这本书后，你不再将磁场仅仅视为一种物理现象，而是能够感知到它无处不在的力量，理解它如何与我们息息相关，并对其背后蕴含的科学智慧产生由衷的赞叹。 第一部分：磁场的根基——现象与理论 第一章：无形的触手——磁场的初识 从日常现象出发： 提起磁铁，大多数人脑海中会立刻浮现出两个磁铁互相吸引或排斥的场景，或者将回形针吸附在冰箱门上的画面。本章将从这些最基础、最直观的磁现象入手，引导读者认识磁场。我们将讨论： 磁极： 磁铁的两极——南极与北极，以及同极相斥、异极相吸的规律。为什么磁铁总是成对出现？为什么无法分割出单独的磁单极子？ 磁性物质： 哪些物质具有磁性？铁、钴、镍为何是典型的铁磁性物质？顺磁性与抗磁性物质又有什么不同？我们将解释这些差异背后的原因。 磁力线： 引入磁力线的概念，用形象的比喻（如水流的轨迹）来描述磁场的方向和强度。磁力线是眼睛看不见的，但它们的存在却可以通过小磁针的偏转等实验现象得以证明。 地磁场： 指南针为何能指引方向？地球本身就像一个巨大的磁铁，其南北极与地理南北极为何不完全重合？地磁场的存在对地球生命有何重要意义？（为后续章节埋下伏笔） 早期探索的足迹： 简要回顾人类早期对磁现象的认知历史，从古代中国和希腊的发现，到中世纪的航海应用，展现人类对磁场认识的渐进过程。 磁场的初步定义： 在不引入复杂数学模型的前提下，初步定义磁场为一种空间分布，它可以作用于带有磁性的物质，并产生力。 第二章：电与磁的共舞——电磁学的诞生 法拉第的闪电与电磁感应： 介绍迈克尔·法拉第在电磁学领域做出的革命性贡献。我们将重点阐述电磁感应现象：变化的磁场如何产生电流。通过简单的实验描述，让读者理解这一原理。 感应电动势： 介绍感应电动势的概念，即磁场变化驱动电荷移动的能力。 楞次定律： 解释楞次定律，即感应电流的方向总是阻碍引起感应的原因。用直观的例子说明这一点。 麦克斯韦的统一之梦——电磁场理论： 介绍詹姆斯·克拉克·麦克斯韦如何将电和磁统一起来，提出电磁场理论。 麦克斯韦方程组（概念性介绍）： 尽管不深入推导，但会介绍麦克斯韦方程组的核心思想：电场和磁场是可以相互转化的，并且以波的形式传播。 电磁波的预言： 麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，并推测其传播速度等于光速。这为光的本质是电磁波奠定了理论基础。 赫兹的验证： 介绍海因里希·赫兹如何实验证明麦克斯韦的理论，成功产生了并探测到了电磁波，从而证实了光就是一种电磁波。 电磁学对现代世界的意义： 简要提及电磁学理论如何为后来的无线电、电视、雷达等技术奠定基础。 第三章：微观世界的磁性——电子的奥秘 物质为何有磁性？——电子的贡献： 深入探讨物质磁性的微观根源。 电子的轨道运动： 电子围绕原子核运动，形成微小的电流环，从而产生磁矩。 电子的自旋： 介绍电子的内禀属性——自旋。电子自旋本身就具有磁性，就像一个小小的磁针。这比轨道运动产生的磁性更为重要。 磁矩： 定义磁矩，它是磁场强度的度量。当大量电子的磁矩方向大致相同时，物质就表现出宏观磁性。 磁性的分类： 基于电子行为的差异，详细解释不同种类的磁性： 铁磁性： 介绍铁磁性物质（如铁、镍、钴）的特点——磁畴的存在。在没有外磁场时，磁畴是随机排列的，但施加外磁场后，磁畴会重新排列，使得物质表现出强烈的磁性，并且磁性会“记忆”，即使撤去外场也能保持一定的磁性。 顺磁性： 介绍顺磁性物质（如铝、铂）的特点——原子或分子本身有磁矩，但在外磁场作用下才会部分排列，撤去外场后磁性消失。 抗磁性： 介绍抗磁性物质（如铜、金、水）的特点——在外磁场作用下，会产生一个与其相反方向的感应磁场，从而表现出微弱的排斥性。 磁畴理论的解释力： 通过磁畴理论，可以解释为什么磁铁可以被磁化，以及为什么有些物质比其他物质磁性更强。 量子力学的作用： 简要提及量子力学在解释电子自旋和物质磁性中的关键作用。 第二部分：磁场与应用——科技的驱动力 第四章：能量的转换大师——发电机与电动机 发电机：将动能转化为电能的魔法： 基于电磁感应的原理： 详细解释发电机如何利用法拉第的电磁感应定律。当导体在磁场中运动，或磁场发生变化时，就会产生感应电流。 关键部件： 介绍发电机的基本结构，如转子、定子、线圈等，并解释它们在产生电流过程中的作用。 不同类型的发电机： 简要介绍交流发电机和直流发电机的工作原理差异。 现代发电的重要性： 强调发电机在电力系统中的核心地位，从水力、火力、风力到核能，都离不开发电机的身影。 电动机：让能量转化为动能的动力： 基于安培定律的原理： 解释电动机如何利用通电导体在磁场中受力的原理（安培力）。 关键部件： 介绍电动机的基本结构，如定子、转子、线圈、换向器（直流电机）等。 力的产生与旋转： 详细解释磁场力如何作用在通电的线圈上，产生力矩，驱动转子旋转。 电动机的多样性与应用： 介绍不同类型的电动机（直流、交流、步进电机等），以及它们在工业、交通、家电等各个领域的广泛应用。 能源的循环与高效利用： 讨论发电机与电动机的协同作用，在能量转换中的重要性，以及如何通过优化设计提高能源利用效率。 第五章：信息的载体与传递——磁性存储与通信 磁性存储：记录过去的“指纹”： 硬盘驱动器（HDD）的原理： 详细解释硬盘如何利用磁性材料记录信息。 磁头： 介绍磁头的工作原理，如何通过磁化或退磁磁性介质上的微小区域来写入数据。 磁性介质： 描述硬盘盘片表面的磁性涂层，以及信息如何以磁极方向（二进制的0和1）存储。 读写过程： 解释磁头如何通过感应磁性介质上的磁性变化来读取数据。 磁带、软盘（历史回顾）： 简要介绍这些早期磁性存储技术，展现技术发展的历程。 磁卡的潜力： 介绍银行卡、交通卡等磁条卡的工作原理，以及它们在支付和身份识别中的应用。 磁性通信：看不见的信号： 电磁波的本质： 重申电磁波是信息的载体，而磁场在其中扮演着至关重要的角色。 无线通信： 简要介绍无线电波、微波等如何通过产生和传播的电磁场携带信息，实现远距离通信。 磁场在传感器中的应用： 介绍霍尔效应传感器等，它们如何利用磁场的变化来检测位移、速度、电流等物理量，广泛应用于汽车、工业自动化等领域。 磁性材料的进步： 讨论新型磁性材料的研发如何推动存储密度和通信速度的提升。 第六章：现代医学的“透视眼”——磁共振成像（MRI） 人体内的磁性回应： 核磁共振（NMR）的原理： 介绍MRI技术的核心——核磁共振。我们将重点解释： 原子核的自旋： 许多原子核（特别是氢原子核）具有自旋，就像微小的磁针。 施加外磁场： 在MRI设备中，强大的静态磁场会使人体内的氢原子核的自旋趋于某种方向。 射频脉冲： 施加特定的射频脉冲，可以将部分原子核的自旋“翻转”到另一个能量态。 弛豫与信号： 当射频脉冲停止后，被激发的原子核会回到低能态，同时释放能量，产生电磁信号。这个过程称为弛豫。 成像的奥秘： 不同组织的回应差异： 不同的人体组织（如骨骼、肌肉、脂肪、血液）中的氢原子核所处的微环境不同，导致它们的弛豫时间不同，释放的信号也不同。 梯度磁场的作用： 引入梯度磁场概念，解释它如何根据原子核在空间中的位置产生不同的共振频率，从而实现对身体内部的定位和成像。 图像的重构： 计算机如何根据收集到的各种信号，通过复杂的算法重构出人体内部的二维或三维图像。 MRI的优势与应用： 无辐射： 强调MRI是非电离辐射成像技术，对人体安全。 高分辨率与软组织对比度： 解释MRI在显示软组织细节方面的优势，例如大脑、脊髓、关节等。 临床诊断： 列举MRI在神经系统、心血管系统、骨骼肌肉系统等疾病诊断中的重要应用。 MRI的未来发展： 展望MRI技术在功能成像、分子成像等方面的未来发展前景。 第三部分：宇宙中的磁场——宏观与前沿 第七章：地球的守护神——地磁场及其影响 地球磁场的起源： 地核发电机理论： 介绍目前主流的地核发电机理论，即地球内部液态铁镍地核的对流运动产生的电流，进而产生地磁场。 地磁场的动态变化： 讨论地磁场并非永恒不变，它会发生极性倒转（地磁倒转），并且强度也会周期性变化。 磁层：地球的“防护罩”： 太阳风的威胁： 介绍太阳风（来自太阳的高能带电粒子流）对地球的潜在危害。 磁层的形成与作用： 解释地磁场如何形成一个巨大的“磁泡”——磁层，偏转大部分太阳风粒子，保护地球大气和生命免受侵害。 极光现象： 解释当太阳风粒子与地球磁层相互作用，并沿磁力线进入极区大气层时，会激发大气中的原子和分子，产生美丽的极光。 地磁场对生命的影响： 导航作用： 再次强调地磁场对鸟类、昆虫等动物迁徙的导航作用。 潜在的健康影响（谨慎探讨）： 简要提及关于地磁场变化对人类健康的一些研究，但强调结论尚不明确，避免过度渲染。 地磁场的研究意义： 探讨研究地磁场对于理解地球内部结构、地质活动以及行星科学的重要性。 第八章：星辰大海的磁性——天体物理中的磁场 恒星的磁性： 太阳的磁场： 介绍太阳的磁活动，如太阳黑子、耀斑、日冕物质抛射等，这些都与太阳的强大磁场密切相关。 恒星磁场的产生与演化： 探讨不同类型恒星磁场的形成机制，以及它们如何影响恒星的结构和演化。 星系的磁性： 星系磁场的普遍性： 介绍大多数星系都拥有宏观的磁场，这些磁场可以延伸到星系盘之外。 磁场在星系形成与演化中的作用： 探讨磁场如何影响星际物质的分布、恒星的形成过程，以及星系的动力学演化。 致密的星体：中子星与黑洞： 脉冲星的磁场： 介绍中子星（脉冲星）拥有极其强大的磁场，它们是宇宙中最强的磁体之一。 黑洞周围的磁场： 探讨黑洞吸积盘中的磁场如何影响物质的坠落，以及产生喷流等现象。 宇宙磁场的研究前沿： 宇宙微波背景辐射中的磁场信息： 介绍科学家正在尝试从宇宙微波背景辐射中寻找早期宇宙磁场的痕迹。 磁场在宇宙结构形成中的作用： 探讨磁场在宇宙大尺度结构形成中所扮演的角色。 第九章：未来的磁场——科技的无限可能 超导磁体与能源： 超导材料的发现： 介绍超导材料在零电阻状态下产生强大磁场的能力。 磁悬浮列车： 描述利用超导磁体实现的磁悬浮技术，其高效、低摩擦的特点。 核聚变反应堆： 强调超导磁体在约束高温等离子体，实现可控核聚变能源中的关键作用。 磁性在量子计算中的潜力： 自旋电子学（Spintronics）： 介绍利用电子自旋作为信息载体的领域，以及它在开发新型存储器和逻辑器件上的潜力。 量子比特与磁场： 探讨磁场在操控和读取量子比特中的作用，以及其在未来量子计算中的地位。 仿生学与磁场： 自然界的磁性启示： 回顾生物体内磁场的利用，例如迁徙生物的导航机制，以及对人体治疗的潜在探索。 磁性材料在医疗与工程中的创新： 展望磁性材料在靶向药物输送、微创手术、新型材料设计等方面的应用。 磁场探索的挑战与机遇： 新型磁性材料的研发： 讨论科学家如何不断探索和设计具有更优异性能的磁性材料。 对磁场本质的更深层理解： 展望未来，人类对磁场的认识将达到怎样的高度。 结语 从最初的“吸铁石”之谜，到如今操控着无数现代科技的强大力量，磁场始终以其独特的魅力，激发着人类的探索欲望。它不是一个孤立的物理概念，而是与我们的生活、与我们的文明、与整个宇宙紧密相连。 本书带领我们穿越了宏观与微观，从日常现象到宇宙深处，从经典理论到前沿科技。我们看见了磁场在能量转换中的关键作用，感受了它在信息存储与传递中的无声贡献，体验了它在医疗诊断领域的精密成像，更仰望了它在浩瀚宇宙中扮演的宏大角色。 磁场的研究，是人类智慧的结晶，是科学精神的体现。每一次对磁场认识的深化，都为人类带来了前所未有的发展机遇。我们相信，随着科学技术的不断进步，人类对磁场的理解将更加深刻，对它的应用也将更加广泛和精妙。 愿本书能点燃你对科学的好奇心，激励你继续探索这个充满魅力的磁场世界。在这个无形但无所不在的力量面前，我们永远有新的发现，有新的可能。

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