【右手螺旋定則】磁鐵的真面目竟然是「流動的電」?! 從生活現象探索電磁學的奇妙世界
我是科學訓練員桑子研，每天都是實驗日！
電流產生的磁場：解開電與磁的祕密連結
小時候，你有沒有在沙堆裡拿磁鐵去吸鐵砂玩過呢？那種神奇的力量，一定讓不少人看得目不轉睛吧！還有拿塑膠墊板在頭髮上摩擦，讓頭髮根根豎起來的靜電，也是自然課上會學到的生活小現象。不過，如果我告訴你，「磁鐵的力量」和「靜電的力量」其實都來自同一個「電」，你會不會嚇一跳？
以前，很多科學家都認為這兩種力是完全不相干的兩回事。直到1820年，丹麥物理學家漢斯·克里斯提安·厄斯特有了一個改寫歷史的大發現：他在導線裡通了電，結果放在旁邊的指南針，指針竟然轉向了和平常不一樣的方向！這簡直像變魔術一樣。
這個發現證明了「會動的電（電流）」可以產生「磁」。靜止不動的電（靜電）跟磁毫無關係，但只要一流動起來，馬上就帶上了磁性。原本被當成兩種不同力量的電與磁，其實就像硬幣的正反面，緊緊相連。接下來，就讓我們一起來看看解開「電與磁的連結」的關鍵定律，以及它的各種應用吧！
磁場到底是什麼？
首先，我們要先認識在磁的世界裡不可或缺的「磁場」。磁場指的是磁力能夠作用到的空間，磁鐵和電流的周圍都會產生磁場。拿鐵砂靠近磁鐵，N極和S極的地方是不是會黏得滿滿的？這就是因為磁鐵在四周製造了磁場，鐵砂受到影響才被吸過去。
磁鐵的神奇力量，其實從古代就為人所知。據說天然磁石常在土耳其的「馬格尼西亞」地區被挖到，這就是英文「magnet（磁鐵）」名字的由來。磁鐵有N極和S極兩個極，和靜電一樣，同極相斥，異極相吸。
想把這種磁力的作用「看」出來，就要靠磁力線。把指南針放在條形磁鐵旁邊，指針會乖乖指向固定的方向。順著指南針N極所指的方向一路畫線，就會浮現出一條從N極出發、繞回S極的漂亮曲線，這就是磁力線。磁力線畫得越密，代表磁場越強。
電流製造磁場的「右手螺旋定則」
從厄斯特的實驗，我們知道電流會產生磁場。那麼，這個磁場到底是怎麼形成的呢？
當直導線通上電流，導線周圍就會像漩渦一樣產生磁場。磁場的方向這樣找：右手大拇指指向電流的方向，其他四根手指彎曲的方向，就是磁場的方向。就像轉動一顆「右旋螺絲」時，前進的方向（電流）和旋轉的方向（磁場）是連動的。這個神奇的規則就叫做「右手螺旋定則」。
而電流產生的磁場強度，有一條簡單的公式：
H = I / 2πr
磁場（H）和電流大小成正比，和離導線的距離（r）成反比。換句話說，電流越大、離導線越近，磁場就越強。
用電流變出磁鐵的「電磁鐵」
「電流會產生磁場」這條定律，在我們身邊被廣泛應用著，最具代表性的就是「電磁鐵」。
有電流的時候才有磁場，電流一停磁場就消失。如果好好利用這個特性，能不能做出一顆超強的磁鐵呢？
答案的關鍵，就是把導線一圈一圈繞起來的「線圈」。回想一下剛才的右手螺旋定則：把導線繞成圓形再通電，在圓圈的中心，各處產生的磁場全都朝著同一個方向，互相加強。如果再把這樣的線圈重重疊疊繞很多圈，通電之後中心就會產生非常強的磁場，簡直就像一根真正的條形磁鐵。
電磁鐵的磁場方向，用右手也能輕鬆判斷：四根手指順著「電流的方向」彎曲，大拇指所指的方向就是磁場的方向。電磁鐵的用途可多了，像是用起重機搬運廢鐵，或是在回收工廠把鋁罐和鐵罐分開，在各個默默支撐我們生活的地方都能看到它的身影。
磁鐵的真面目是「分子電流」？
那麼問題來了，我們平常用的磁鐵，為什麼會有磁場呢？
為了解開這個謎，科學家把目光投向了原子的世界。原子周圍有帶負電的電子，像行星一樣不停地繞著轉。電子這樣繞圈，就等於是在一個小小的圓圈裡有電流在流動。
把這個想法發揚光大的，是法國科學家安德烈－馬里·安培。他認為磁鐵的內部有無數個小小的圓形電流，而且它們排列得整整齊齊，所以整體才能形成強大的磁場。這就是「分子電流假說」。
鐵砂或鐵釘之所以會被磁鐵吸住，是因為受到外來磁場的影響，內部原子的圓形電流方向暫時被排整齊了，自己也變成了一顆小磁鐵。這種現象叫做「磁化」。
有了這個想法，生活中各式各樣的磁現象就能說得通了。例如連接地球南北兩極的「地磁」，就可以用「發電機理論」來解釋：地球內部熔融的金屬帶著自由電子隨地球自轉而流動，產生了電流，電流再製造出磁場。原來連地球這顆巨大的磁鐵，源頭也是「電流」呢！
電與磁乍看之下是完全不同的現象，其實關係密切。這項「電磁統一」的發現，也是通往愛因斯坦相對論的重要一步。沒有這些物理定律，我們生活中不可或缺的各種電器產品，根本不可能存在。
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