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为什么只有铁有磁力 铜和铝却没有

小时候我们都喜欢玩磁铁,但是我们也会发现磁铁并不会吸附在所有的物体上,只有一部分物体能够和磁铁相互吸引。这究竟是为什么呢?今天小编就给大家讲讲磁力的相关知识。

磁力

磁力

磁是如何产生的

因为物质都是由原子构成的,要想对磁性的本质做一个深入的了解,就必须要从物质的微观结构说起。既然进入了微观世界,那么就必然要涉及到量子力学。

1897年,汤姆逊在研究阴极射线的时候发现了电子,正式揭开了电磁本质的研究。原子核中的质子带正电,核外电子带负电,同性相斥,异性相吸,电子就是因此才与原子核结合在一起的。因为它们的数量是对称的,于是整个原子保持电中性。当原子失去或者得到电子之后,就会转变为带电的原子,称之为离子。

原子模型
质子和电子都带有一个单位的基本电荷(元电荷)。粒子只要带有电荷,周围就会存在电场。库仑发现,两个带电粒子之间的作用力与距离的平方成反比关系,这就是关于静电力的库仑定律,与万有引力定律很相似。

电场如何变为磁场

磁铁周围存在磁场,那么电场是如何变为磁场的呢?一切都源于物体内部的微观粒子运动。其实,像电子、质子这样的微观粒子都存在一种叫做自旋的内禀性质(类似于自转),自旋是由粒子的内禀角动量引起的。带电粒子因自旋而产生磁场。此外,电子还在绕着原子核运动,同样也会产生磁场。类似的,比如地球内部拥有铁质核心,由于地球在自转,于是地球便拥有了磁场。

电场如何变为磁场

磁性

为了描述磁性,我们引入了磁矩的概念,磁矩大家可以简单理解为带有磁性的基本单元。电子的磁矩分为自旋磁矩与轨道磁矩。原子核内部的质子和中子可以看作一个整体,因此原子核也被认为拥有自旋,那么原子核就存在自旋磁矩。由于原子核的运动速度较慢,因此原子核的磁矩不到电子磁矩的千分之一,可以忽略。那么决定原子磁矩的便是核外电子。当原子构成物质时,核外电子的运动轨道会受到限制,使其不能构成一个整体,对外便不显示磁性。可见,最终决定原子磁矩的还是电子的自旋磁矩。

这里有必要提一下,质子和质子都是由三个带有分子电荷的夸克构成的,一般而言中子不带电,不过中子也存在非常微弱的磁矩。实际上,中子和质子可以相互转换。

既然原子的磁性与电子有关,那么一个原子是否对外显示磁性,就由它的原子结构来决定了,具体的有点复杂,就不多说了。研究显示,只有特定结构的原子才对外显示磁性。而且当这些磁性原子构成物质时,磁矩并不是按照一定方向规规矩矩排列的,而是犬牙交错,最终在磁矩的相互叠加下,磁性便抵消掉了。经过层层筛选,自然界中就只有铁、钴、镍等金属具有天然磁性了。

  磁性
为什么磁铁具有磁性?

众所周知,自然界中绝大多数物质都是没有磁性的,并且也很难被磁化,只有少数金属和金属化合物可以被磁化。磁铁具有天然的磁性,可当铜、铝等金属通电后又会产生磁性,这是为什么呢?

这里介绍一下磁铁,广义上的磁铁分为永磁和软磁,天然磁铁就属于永磁,常温下磁性并不会消失;而电磁铁则属于软磁,去掉电流后磁性就会慢慢消失。注意,磁铁并不一定就含有铁,还可能是其它成分。通常我们所说的磁铁是指永磁。

磁铁

如图所示,一个简单的电磁铁

磁畴

前面已经说过了,既然是磁铁,就必然存在磁性原子。其实磁铁中还可以分成许多微小的带有磁矩的区域,这被称之为磁畴。磁铁中的磁畴沿一个方向分布,于是整个磁铁便对外显示磁性。通常物体内的磁畴分布是随意的,磁场互相抵消,只有在外加磁场的作用下方向趋于一致,才会对外显示磁性,这一过程便是磁化。

磁畴
铜和铝为什么没有磁性?

那是因为铜属于抗磁性物质,铜原子的磁矩为0,即使外加强磁场,也很难将其磁化。不过当铜通上电流后,铜内部的自由电子在外加电场的作用下定向移动,于是便形成了磁场,铝通电后产生磁场也是这个原因。铝与铜又略有不同,铝属于顺磁性物质,在外加磁场下显示微弱的磁性,不过一般也认为它没有磁性、不能被磁化。

不管是顺磁还是抗磁,它们的磁化率都很低,通常都认为是不可磁化的,因此便没有磁铜、磁铝一说。而像铁钴镍这一类的铁磁性物质,由于其内部具有磁畴,施加一定强度的磁场,便会被永久磁化。不过铁磁性物质也只有在一定温度范围才存在磁性,当你把磁铁加热到一定温度时,原子的热运动变得剧烈,磁铁的磁性便会消失。

磁性

不同材质内的磁矩分布示意图

综上所述,从微观角度来看,所有物质内部都存在磁场,只是受物质的结构影响,大多数物质的内部磁场被抵消,宏观上对外不显磁性,或者磁性非常弱。

通过上面的介绍,大家也了解了为什么铁等少数物质能够拥有磁性,而铜、铝等物质却没有磁性。关于磁性的内容很复杂,小编只是简单的科普一下,同学们要是感兴趣的话可以阅读相关的专业书籍更深入的了解有关磁性的的知识。

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