好玩的磁鐵，為什麼有時互相吸引、有時互相排斥呢？

孩子們總是滿懷好奇，為了幫助爸爸媽媽們回答這些包羅萬象稀奇古怪的疑問，童學館開啟了「好奇的孩子」專題。

磁鐵同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的現象很有趣。它的原理是什麼呢？

磁鐵為何同名相斥、異名相吸？

提問者：Dean，佛蒙特州

解答者：Stephen G Bosi，新英格蘭大學物理學講師

翻譯：金玉璨

編輯：果醬

每塊磁鐵都有兩個磁極：南極和北極。如果用繩子將一塊磁鐵懸掛起來，你會發現磁鐵的北極幾乎完全指向地球的北極方向，磁鐵的南北極因此得名。

之所以會產生這種現象，是因為地心本身就是一塊巨大的磁力很弱的磁鐵。你手中的磁鐵體積雖小，但磁力很強，且與地心平行，因此小磁鐵的北極會指向地球的北極。磁鐵指南針的工作原理正是如此。

磁鐵不總是牢牢吸在一起

如果你擺放位置不對，兩塊磁鐵會「推開」彼此，即相互排斥。換句話說，如果你把兩塊磁鐵的同名磁極擺在一起，即北極對著北極，或者南極對著南極，這兩塊磁鐵就會排斥彼此。

動手試試看！你會發現在這種情況下，兩塊磁鐵就像是被看不見的橡膠層包圍住了一樣，被拉扯開。這個隱形的「橡膠層」叫做磁場。

把鐵粉撒在磁鐵周圍，你會看到看到上圖所示的「磁場」。圖片來源：theconversation

同名磁極相斥：我們用帶箭頭的曲線（磁感線）描繪磁鐵周圍的磁場形狀。磁感線總是從北極出發，指向南極，是一條閉合的曲線。當兩個北極或南極相對時，磁感線指向兩個相反的方向，無法「連接」在一起，因此這兩塊磁鐵會「推開」彼此，即同名磁極相互排斥。圖片來源：theconversation

只有當兩個異名磁極擺在一起時（南極對北極、北極對南極），兩塊磁鐵才會吸在一起，即異名磁極相吸。此時的磁場就像一個撐開的橡皮筋把兩塊磁鐵拉在一起。自己動手的時候一定要小心，因為「磁力」可能會夾傷你哦。

異名磁極相吸：當兩塊磁鐵南北極相對時，箭頭指向相同的方向，磁感線能夠「連接」在一起，兩塊磁鐵會將對方拉向自己，即異名磁極相互吸引。圖片來源：theconversation

磁鐵為什麼會相斥或相吸？

你可能聽說過「能量」這個詞。物體的移動需要能量供應。汽油燃燒，靜止的汽車才會移動，這是因為汽油燃燒會釋放它所儲存的能量。

當儲存的能量釋放時，部分能量會轉化為運動所需的能量。科學家將儲存的能量叫做「勢能」（potential energy），由於運動而具有的能量叫做「動能」（kinetic energy）。

古代攻城用的重力拋石機，利用平衡重鎚的重力勢能，將石頭拋向敵城。圖片來源：Quistnix / wikimedia

你吃下的食物為你儲存了能量，當你跑步時，部分能量就轉化成了動能。

這和磁鐵有什麼關係呢？所有磁鐵周圍的磁場都具有勢能，其能量的大小可以改變，而你改變磁力勢能大小的方式將告訴你磁鐵會發生怎樣的運動。

一條需要銘記於心的規律

宇宙萬物都遵循這樣一條規律——不過若是沒有複雜的數學運算作支撐，人們很難解釋清楚這條規律，因為宇宙就是如此運行的——朝某個方向推動任意地方的具有勢能的物體（前提是未被捆住或固定住），物體移動，它的勢能將減少並轉化為動能。

因此，對兩塊異名磁極相對（南北極相對）的磁鐵而言，彼此靠近會減弱他們磁場中儲存的勢能，即它們將會朝著能夠減弱勢能的方向移動，被迫吸在一起，也就是我們所說的「異名相吸」。

若兩塊磁鐵同名磁極相對，即北極對北極、南極對南極，只有當二者將彼此推開時，勢能才能減弱。基於「磁鐵會朝著能夠減小勢能的方向移動」這條規律，所以同名磁極會相互排斥。

動能、勢能轉化的另一個經典例子就是過山車：當列車從高處衝下時，勢能將不斷轉化為動能，在到達最低點之前，過山車的速度會越來越快。圖片來源：wikimedia

還需要說明的一點是，物體被地心吸引落向地面並不是因為磁力作用（magnetism），而是地心引力（gravity）作用的結果。地球周圍還存在一個「引力場」，同樣儲存著能量。

和磁力不同，重力從不會產生「排斥」的效果，因為重力的方向只有一個，永遠指向地心。重力沒有南北兩極之分。

可以無止盡地從磁場「汲取」勢能嗎？

並不能。

兩塊磁鐵吸在一起後，你需要把一些勢能「放回」磁場才能把他們拉開，而你不能平白無故地獲得能量。

把吸在一起的兩塊磁鐵拉開所需的能量來源於你，這些能量來源於你吃下的食物，而吃下的蔬菜、肉類所具有的能量又來自為它們提供能量的動植物或是太陽。

能力不會憑空產生，所有能量都有它的出處。

本文來自果殼童學館

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