磁性探秘｜同樣是金屬，為何只有磁鐵？卻沒有磁銅和磁鋁？

在日常生活中，我們聽過磁鐵，卻沒有聽過磁銅、磁鋁。玩過磁鐵的可能都知道，磁鐵具有磁性，兩塊磁鐵之間可以相互吸引，且能夠將不具備磁性的鐵磁化，被磁化後的鐵也帶有磁性。磁鐵能夠磁化鐵，卻不能磁化銅和鋁，這是為什麼呢？為什麼只有磁鐵等少數物質具有天然磁性呢？

為了弄明白這個問題，我們先來了解一下，與磁相關的知識。

電磁同源：人類對電磁現象的認識歷程

早在幾千年前，人類就發現了天然磁鐵，並對磁鐵的磁性有了一定認識，發現能夠利用磁鐵指示方向，我國古人還製成了世界上第一個指南儀——司南。幾千年前的古埃及人就知道尼羅河中有一種會放電的魚。在此之後，人類還發現摩擦會產生靜電，古希臘學者泰勒斯、亞里斯多德還對此進行了研究。

     

人類雖然很早就發現了與電、磁相關的現象，並對它們有了一定的認識，但並不知道它們之間存在聯繫。

時間來到了18世紀，1752年美國物理學家班傑明·富蘭克林通過風箏實驗統一了天電與地電，還順便發明了避雷針，並提出了電荷守恆定律。可惜的是，1753年俄國電學家利赫曼為了重複這個實驗，不幸被雷劈死。

     

1820年，奧斯特意外發現電流能夠偏轉指南針的方向，這表明電流具有磁效應；1831年，法拉第與亨利發現變化的磁場能夠使導線中產生感應電流，電磁感應現象的發現將電和磁統一了起來。麥克斯韋站在巨人的肩上，對電磁學加以整理，提出了麥克斯韋方程組，並預言了電磁波的存在，揭示了光也是電磁波。此後，赫茲通過實驗證明了電磁波的存在。

     

上圖為麥克斯韋

磁和電是同源的，電和磁往往是同時存在的。不過電和磁並不完全對稱，電荷存在兩種——正電荷和負電荷，卻並沒有發現磁單極子。

發電機和電動機的發明使人類進入了電力時代，為資訊時代的到來鋪平了道路。人類雖然認識到電和磁在本質上是一樣的，但要想深刻理解電磁現象背後的運作機理，傳統的經典力學顯然不夠用了。

磁是如何產生的？

因為物質都是由原子構成的，要想對磁性的本質做一個深入的了解，就必須要從物質的微觀結構說起。既然進入了微觀世界，那麼就必然要涉及到量子力學。

1897年，湯姆遜在研究陰極射線的時候發現了電子，正式揭開了電磁本質的研究。原子核中的質子帶正電，核外電子帶負電，同性相斥，異性相吸，電子就是因此才與原子核結合在一起的。因為它們的數量是對稱的，於是整個原子保持電中性。當原子失去或者得到電子之後，就會轉變為帶電的原子，稱之為離子。

     

質子和電子都帶有一個單位的基本電荷（元電荷）。粒子只要帶有電荷，周圍就會存在電場。庫侖發現，兩個帶電粒子之間的作用力與距離的平方成反比關係，這就是關於靜電力的庫侖定律，與萬有引力定律很相似。

磁鐵周圍存在磁場，那麼電場是如何變為磁場的呢？一切都源於物體內部的微觀粒子運動。

其實，像電子、質子這樣的微觀粒子都存在一種叫做自旋的內稟性質（類似於自轉），自旋是由粒子的內稟角動量引起的。帶電粒子因自旋而產生磁場。此外，電子還在繞著原子核運動，同樣也會產生磁場。類似的，比如地球內部擁有鐵質核心，由於地球在自轉，於是地球便擁有了磁場。

     

為了描述磁性，我們引入了磁矩的概念，磁矩大家可以簡單理解為帶有磁性的基本單元。電子的磁矩分為自旋磁矩與軌道磁矩。原子核內部的質子和中子可以看作一個整體，因此原子核也被認為擁有自旋，那麼原子核就存在自旋磁矩。由於原子核的運動速度較慢，因此原子核的磁矩不到電子磁矩的千分之一，可以忽略。那麼決定原子磁矩的便是核外電子。當原子構成物質時，核外電子的運動軌道會受到限制，使其不能構成一個整體，對外便不顯示磁性。可見，最終決定原子磁矩的還是電子的自旋磁矩。

這裡有必要提一下，質子和質子都是由三個帶有分子電荷的夸克構成的，一般而言中子不帶電，不過中子也存在非常微弱的磁矩。實際上，中子和質子可以相互轉換。

既然原子的磁性與電子有關，那麼一個原子是否對外顯示磁性，就由它的原子結構來決定了，具體的有點複雜，就不多說了。研究顯示，只有特定結構的原子才對外顯示磁性。而且當這些磁性原子構成物質時，磁矩並不是按照一定方向規規矩矩排列的，而是犬牙交錯，最終在磁矩的相互疊加下，磁性便抵消掉了。經過層層篩選，自然界中就只有鐵、鈷、鎳等金屬具有天然磁性了。

     

為什麼磁鐵具有磁性？

眾所周知，自然界中絕大多數物質都是沒有磁性的，並且也很難被磁化，只有少數金屬和金屬化合物可以被磁化。磁鐵具有天然的磁性，可當銅、鋁等金屬通電後又會產生磁性，這是為什麼呢？

這裡介紹一下磁鐵，廣義上的磁鐵分為永磁和軟磁，天然磁鐵就屬於永磁，常溫下磁性並不會消失；而電磁鐵則屬於軟磁，去掉電流後磁性就會慢慢消失。注意，磁鐵並不一定就含有鐵，還可能是其它成分。通常我們所說的磁鐵是指永磁。

     

如圖所示，一個簡單的電磁鐵。

前面已經說過了，既然是磁鐵，就必然存在磁性原子。其實磁鐵中還可以分成許多微小的帶有磁矩的區域，這被稱之為磁疇。磁鐵中的磁疇沿一個方向分布，於是整個磁鐵便對外顯示磁性。通常物體內的磁疇分布是隨意的，磁場互相抵消，只有在外加磁場的作用下方向趨於一致，才會對外顯示磁性，這一過程便是磁化。

     

銅和鋁為什麼沒有磁性？

那是因為銅屬於抗磁性物質，銅原子的磁矩為0，即使外加強磁場，也很難將其磁化。不過當銅通上電流後，銅內部的自由電子在外加電場的作用下定向移動，於是便形成了磁場，鋁通電後產生磁場也是這個原因。鋁與銅又略有不同，鋁屬於順磁性物質，在外加磁場下顯示微弱的磁性，不過一般也認為它沒有磁性、不能被磁化。

不管是順磁還是抗磁，它們的磁化率都很低，通常都認為是不可磁化的，因此便沒有磁銅、磁鋁一說。而像鐵鈷鎳這一類的鐵磁性物質，由於其內部具有磁疇，施加一定強度的磁場，便會被永久磁化。不過鐵磁性物質也只有在一定溫度範圍才存在磁性，當你把磁鐵加熱到一定溫度時，原子的熱運動變得劇烈，磁鐵的磁性便會消失。

     

上圖為不同材質內的磁矩分布示意圖

結語

綜上所述，從微觀角度來看，所有物質內部都存在磁場，只是受物質的結構影響，大多數物質的內部磁場被抵消，宏觀上對外不顯磁性，或者磁性非常弱。

希望通過上面的介紹，大家能夠明白：為什麼鐵等少數物質能夠擁有磁性，而銅、鋁等物質卻沒有磁性。關於磁性的內容很複雜，我這裡只是簡單科普一下，有需要的請看專業書籍。

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