為什麼磁鐵能夠吸引鐵鈷鎳等金屬,而不能吸引其他物質?

2021-01-09 艾伯史密斯

能被磁鐵吸引的金屬除了鐵之外,還有鈷、鎳、釓[gá]等等,這些都屬於鐵磁性物質,在鐵磁性物質內部存在很多未配對的電子,由於量子力學效應產生許多磁疇,當外界施加磁場時就會被磁化,從而受磁鐵吸引。

磁力

鐵塊能被磁鐵吸引對大家來說並不陌生,但是其中的原理卻非常深奧,有些關鍵甚至需要量子力學才能得到合理解釋。

四種基本力當中,只有電磁力和萬有引力的作用範圍無限遠,而且電磁力的強度是萬有引力的10^37倍,比如把一千克氫氣當中的質子和電子完全分開在相距0.3米的地方,它們之間的庫侖力將和地球對月球的萬有引力相當。

電磁力又可以分解為「庫侖力」和「磁力」,從本質上說,磁力是運動電荷產生的庫侖力,雖然在兩者在數學描述上大不相同,但是本質還是同源的。

電子磁矩

組成常規物質的基本單位是原子,原子由核外電子與原子核組成,其中核外電子以量子力學的規律繞著原子核運動,並且具有固定軌道,這種運動將對外產生磁矩,稱之為電子磁矩:

同時原子核的自旋也會產生磁矩,但是相對於電子磁矩來說大小可以忽略;如果一個原子的核外電子分布非常均勻,那麼所有電子在各個方向上產生的磁矩相互抵消,最終對外不表現磁矩或者只表現微弱的磁矩。

這種情況存在於元素周期表的兩側,所以這些原子組成的物質,基本都沒有什麼磁性;而對於元素周期表中間的原子,由於最外層電子的分布不完整,於是淨磁矩不為零,這些原子對外顯現磁性。

磁疇

我們也知道,並不是所有元素周期表中間的元素組成的物質都具有磁性,比如銅和鉻就沒有,即便它們的單個原子具有很強的磁矩。

這是因為單個原子具有磁矩還不行,宏觀物體由許許多多的原子組成,這些原子會隨機地排列,最終導致的結果就是各個方向上的磁矩抵消,最終對外不顯磁性或者磁性非常弱。

可就是存在幾個特殊的例子,它們的相鄰原子相互影響,從而形成特殊的晶體結構,每個晶體的大小在微米尺度,擁有10^17~10^20個原子,我們稱之為磁疇。

每個磁疇中的原子具有高度一致性,對外顯現較強的磁性,猶如微小的「磁鐵」,在外界沒有磁場時,各個磁疇的磁場方向隨機,整體對外不顯磁性或者顯現微弱磁性。

可一旦施加外部磁場,這些磁疇就如軍隊聽到命令一般,在外界磁場的作用下高度一致起來,然後整體對外表現磁性,從而被磁鐵吸引。

如果外界磁場較強,在撤去外界磁場後,有些磁疇無法恢復原來的方向,於是磁鐵對外還保持一定磁性,成為一塊永久磁鐵,也就是我們說的被磁化了。

具有這樣性質的物質並不多,其中鐵、鈷、鎳是最常見的,還有稀土元素釓等等,這些物質我們統稱為鐵磁性物質,它們都能被磁鐵吸引。

除了鐵磁性物質外,就是順磁性物質和抗磁性物質,但是它們對磁場的反應非常弱;如果我們對導體通電,也能讓導體成為一塊電磁鐵,這是因為運動的電荷能產生磁場。

居裡點

明白了磁鐵的機制,我們就能解釋在高溫下,鐵磁性物質發生變化的原理,因為溫度的本質是微觀粒子的無規則運動。

當溫度升高時,原子的熱運動加強,一旦熱運動的動能大於維持磁矩方向的能量時,鐵磁性物質就會大幅度失去磁性,這樣的轉變溫度我們稱之為居裡點,不同物質的居裡點不同,比如鐵的居裡點為770℃,實現電飯鍋自動斷電的合金,居裡點為103~105℃。

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