磁鐵無處不在,取材於希臘的氧化鎂島,很多電子設備都要用到它,因此在現代世界中起著不可或缺的作用。磁鐵吸鐵是眾所周知的常識,廢品廠就會用一種強力磁鐵來分離出廢品中的鐵物。
我們人體內也含有鐵,鐵在人體中最重要的就是有補血的功能,鐵能形成血紅素,而血紅素在人體中主要起著為供氧的作用,它能夠攜帶氧氣,供應給人體的各個細胞和器官,讓人的身體的各個部位都能正常遠轉,當然還有提高免疫力等作用。
電子設備的普及讓我們每天都多少會跟磁鐵有直接或間接的接觸,有個腦洞比較大的問題:如果磁鐵的磁力足夠強,會吸走你體內的鐵嗎?
為什麼磁鐵能吸鐵
在回答那個問題之前,首先要明白磁鐵是怎麼影響鐵的。
物質大都是由分子組成的,分子是由原子組成的,原子又是由原子核和電子組成的。在原子內部,電子不停地自轉,並繞原子核旋轉,電子的這兩種運動會產生磁性。但是很對原子內部電子運動方向雜亂無章,大多數被抵消,很多物質是不具有磁性的。
鐵之所以具有鐵磁性,是因為每個原子的外殼中的四個不成對的電子都具有量子構型,從而賦予其強大的磁場,並使鐵原子像微型磁體一樣相互作用。這些磁性原子的磁極將與外部磁體對齊,從而產生吸引力,異性吸引並彼此面對。當然原子核中的質子和中子也有自己的磁場,但是它們比電子所產生的弱得多,弱到對原子的整體磁場幾乎沒有影響。
如果施加足夠強的磁場,則所有鐵塊中所有鐵原子的磁場也會對齊。如果施加磁場的時間足夠長,即使磁鐵消失了,鐵中的磁疇也會保持對齊,從而使鐵磁化,從而形成永久磁鐵。這種磁鐵內部鐵疇排列整齊,方向一致,用它去接觸鐵塊,就會對鐵塊同樣產生上面的磁化過程改變鐵塊表層的鐵疇(磁化作用下的原子排列成一層),這樣磁鐵就能吸鐵了。
磁鐵的磁力能有多大
磁場強度以高斯為單位,10,000高斯的度量單位稱為特斯拉。作為參考,我們所在的地球,地表磁場強度在0.25至0.6高斯之間。雖然不是很多,但它的廣泛分布足以讓各地的鴿子找到回家的路,讓迷路的人手中的指南針指南甚至是阻擋來自外太空的高能電子。下面說個強點的磁場強度,普通的冰箱磁鐵約有50高斯,電吉他拾音器約有100高斯,而我們最開始說到那個廢品廠用來回收鐵物的巨型磁鐵差不多有一個特斯拉。
因為電荷加速會產生磁場,流過電磁體中線圈的電流越高,產生的磁場就越強。但是,構成線圈的導線可能是導電的,它們仍然具有一點點電阻,這意味著流經導線的電流產生的一些電能將轉化為熱量、光能。這就是導致烤麵包機,烤箱或某些燈泡中的線圈變熱並發光的原因。
追求極致的科學家們就提出來超導體,可以理解為超導體沒有一點電阻,電阻和溫度的關係正比,所以沒有電阻的超導體工作環境可想而知,必須使用液氮讓它保持超低溫。沒有電能損失轉化為光能和熱能。因此它們可以承受更多的電流而不會發熱,因此可以產生難以置信的強磁場。有多大呢?據說能產生1.5至9.4特斯拉的強磁場。它的應用想必很多人也聽說過,磁共振成像(MRI)。
地球上的強力磁鐵能吸走我們血液中的鐵嗎?
人體平均含有3-4克鐵,幾乎所有的鐵都包含在血紅蛋白等分子中,每個血紅蛋白分子也只有一個鐵原子。但是在血紅蛋白中,有幾種類型,由於與其他原子如氮的配位-共價鍵,這些鍵不允許電子與磁場對準,導致上述鐵磁性鐵原子的外電子處於不同的構型,這使得許多鐵原子和分子具有的非常弱的吸引力。
所以目前的強力磁鐵MRI對人體內的鐵會有影響嗎?沒有,不過如果你體內有金屬植入物或金屬義肢,那你要小心了,它們可能會從你的皮肉飛出。當然還有個有趣的問題,如果你吃了很多含鐵的食物,因為食物在胃腸中是以元素形式存在的,具有鐵磁性。那也不用擔心,胃腸中鐵的含量還遠不到MRI能把它們從你胃中吸出的磁性。如果你攝入的鐵達到了那個程度,你應該已經中毒躺在通往醫院的救護車上了。
這種磁鐵真的存在嗎?
地球上還不存在能影響到你體內鐵的磁鐵,但是其他地方是否存在呢?
讓我們放眼宇宙,當一顆大質量恆星活到太陽質量的1.5至3倍時,它會發生爆炸,最終重力熬過了核聚變,所有粒子都被拉向中心。如果這可恆星的質量不夠大,那麼它將沒有什麼物質散到宇宙中去。所有的粒子受到超強引力的作用被吸向中心,甚至大多數電子被吸入質子結合成形成中子,形成我們所謂的中子星。它的質量大於太陽,但其大小卻只有一座城市那麼大,一茶匙的中子星就有十億噸重。
中子星通常也非常快地旋轉,每秒高達數百轉,並且由於並非所有質子和電子都結合在一個中子星中,所以它們可以在快速旋轉的表面周圍形成電流,從而產生強大的磁場,距推測其強度達到了萬億高斯的大小。這種強度的磁場不僅可以吸走你體內的鐵,還能破壞體內用以維持生命發生的化學反應和神經突觸。不過你在被它磁場殺死之前首先會被它的強大引力拉成義大利麵。
不過中子星可不是宇宙中最強的磁鐵,還有一種天體叫磁星。磁星是一種具有極強磁場的中子星,與其他中子星的區別在於旋轉相對更快,大多數中子星每一到十秒鐘旋轉一次,而磁星的旋轉速度不到一秒鐘一次。其強度單位我就不用高斯了,約為一億特斯拉到一千億特斯拉。這種強磁場將拉動你體內的電子,使你的原子平行於極端磁場而伸長領域。然後它將破壞將你體內分子凝聚在一起的分子鍵,真正做到了將你撕裂成一個個原子。
不過別害怕,目前探測到最近的磁星據我們有9000光年,而我剛才說的情況在你距離他足夠近(比如說幾百公裡)的距離時才會發生。