吸鐵石為什麼能吸鐵呢?這個問題還是比較深刻,並且到目前為止,也沒有定論,那咱們嘗試來展開討論一下。要了解這個問題,首先咱們得先回答第一個問題,就是吸鐵石為什麼會具有磁性呢?那它這個磁場又是如何形成的呢?像初高中的時候啊,我們學過電流可以生成磁場,所謂電流就是說運動的電場可以生成磁場啊,或者說含時電場生成磁場,含時磁場生成電場,正所謂電磁一家親。那問題就來了,如果說磁場是電流生成的,那吸鐵石,就是磁石,它的磁場是怎麼來的呢?這吸鐵石貌似是沒有電流對吧,它也不電人。
其實這個問題是人們對於磁現象最早提出的問題,後來呢是發現了電生磁,說電流的這個磁效應和磁石的還一模一樣,順帶著就把電和磁給統一了。但是反過來一想,就是其實在當年至少在麥克斯韋這個年代,人們還並不能解釋最初的問題,就是關於磁石的磁場的問題。這個問題是得等到量子力學的微觀理論建立了之後才能夠得到解釋,如果硬要是說磁石的磁場產生於電流,也沒什麼大問題。因為磁石的這個微觀粒子它也是由原子核和電子組成的,那你電子圍繞著這個原子核運動,這就是電荷的移動啊,也會產生電流,所以本質上和電流產生的磁場沒啥區別。
你看電流是啥呀,電流就是電荷的定向移動對吧,所以歸根結底無論是電場還是磁場,都是電荷產生的效應。但是最早人們就不是這麼認為的,最早人們認為電就是電,磁就是磁,所以最早人們對於這個磁石的解釋,就是說這個磁石裡面存在著一種磁荷。這個磁荷和電荷類似也是同性相斥,異性相吸。假設有個吸鐵石,左邊南極右邊北極,這是因為兩種磁荷,由於排斥效應,分別跑到這塊吸鐵石的兩邊了。
這個模型很好理解吧,但是模型雖好卻有問題解釋不了。如果要是真的是剛才說的那樣,那我趁這個吸鐵石不注意,我突然從中間給它掰成兩半了,那是不是應該它一邊帶的全是正的磁荷一邊帶的全是負的磁荷呢?
那磁單極子就應該出現了,可是生活當中大家都應該有體會,這個吸鐵石斷了之後,它會迅速的再次生成南北極,無論你給它掰成多少份,都不會出現磁單極子。所以人們就發現了,原來磁荷不存在,真正存在的只有電荷。電荷會產生電場,而電場的相對論效應就是磁場,在微觀層面,每一個原子它都是由這個更基本的帶電粒子組成的,這些帶電粒子的運動就會產生磁場。那有同學要問了,那是不是可以說每一個原子它都是一個小吸鐵石呢?
不一定,為什麼呢?因為微觀粒子的運動有我們能理解的,還有我們不能理解的。能理解的就是這個電子的繞核運動,當然這也是理想模型,繞核運動就會提供一個軌道角動量和一個磁場。不能夠理解的就是這個粒子的自旋,就是說這個粒子它本身動不動不重要,但是它有自旋角動量,角動量是啥呢?就相當於它在繞核旋轉,或者說自己在轉,具體細節我們不知道,但是這個角動量就是真實存在的。具體可以看一下斯特恩蓋拉赫實驗,所以自旋就會產生一個自旋磁矩和另外一個磁場,那如果說某個原子,我們把所有產生磁場的這個因素全部考慮進來,最終要是存在一個合磁場,那麼就可以說這個原子它是一個小吸鐵石了。
核磁共振正是利用到了這種性質,這些小吸鐵石往往都是抱團的,就是這一小片一小片,方向相同的小磁場在一起,這叫做磁疇。但是說一堆原子在一起,原子的排列是雜亂無章的,那在宏觀層面所有的這些小磁場,或者說磁疇就相當於是相互抵消了。大多數這個物質都是這樣的,但是有一些物質,它內部的這個磁疇排列有序,整體它就會體現出一個大磁場,這個大磁場就構成了一個吸鐵石,這就是吸鐵石磁場的來源。
那為什麼說鐵鈷鎳等金屬,可以被吸引呢,就是因為這些金屬內部它是具有磁疇的,但是排列混亂,所以這個鐵它不能去吸引另外一塊鐵。但是只要在外磁場的這個影響之下,鐵內部的磁疇就會按照這個磁場線排列,這又變成有序的了,那此時它就具有磁場,所以吸鐵石可以吸鐵,本質上還是磁場和磁場的作用。就是我先把你變成磁場,然後呢,我再去吸引你,這是關於磁鐵的問題。