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为什么磁铁能够吸引铁钴镍等金属,而不能吸引其他物质?

2020-03-26

能被磁铁吸引的金属除了铁之外,还有钴、镍、钆[gá]等等,这些都属于铁磁性物质,在铁磁性物质内部存在很多未配对的电子,由于量子力学效应产生许多磁畴,当外界施加磁场时就会被磁化,从而受磁铁吸引。东莞磁铁厂家

磁力

铁块能被磁铁吸引对大家来说并不陌生,但是其中的原理却非常深奥,有些关键甚至需要量子力学才能得到合理解释。

四种基本力当中,只有电磁力和万有引力的作用范围无限远,而且电磁力的强度是万有引力的10^37倍,比如把一千克氢气当中的质子和电子完全分开在相距0.3米的地方,它们之间的库仑力将和地球对月球的万有引力相当。

电磁力又可以分解为“库仑力”和“磁力”,从本质上说,磁力是运动电荷产生的库仑力,虽然在两者在数学描述上大不相同,但是本质还是同源的。

电子磁矩

组成常规物质的基本单位是原子,原子由核外电子与原子核组成,其中核外电子以量子力学的规律绕着原子核运动,并且具有固定轨道,这种运动将对外产生磁矩,称之为电子磁矩:

东莞磁铁厂家同时原子核的自旋也会产生磁矩,但是相对于电子磁矩来说大小可以忽略;如果一个原子的核外电子分布非常均匀,那么所有电子在各个方向上产生的磁矩相互抵消,最终对外不表现磁矩或者只表现微弱的磁矩。

这种情况存在于元素周期表的两侧,所以这些原子组成的物质,基本都没有什么磁性;而对于元素周期表中间的原子,由于最外层电子的分布不完整,于是净磁矩不为零,这些原子对外显现磁性。

磁畴

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我们也知道,并不是所有元素周期表中间的元素组成的物质都具有磁性,比如铜和铬就没有,即便它们的单个原子具有很强的磁矩。

这是因为单个原子具有磁矩还不行,宏观物体由许许多多的原子组成,这些原子会随机地排列,最终导致的结果就是各个方向上的磁矩抵消,最终对外不显磁性或者磁性非常弱。

可就是存在几个特殊的例子,它们的相邻原子相互影响,从而形成特殊的晶体结构,每个晶体的大小在微米尺度,拥有10^17~10^20个原子,我们称之为磁畴。

每个磁畴中的原子具有高度一致性,对外显现较强的磁性,犹如微小的“磁铁”,在外界没有磁场时,各个磁畴的磁场方向随机,整体对外不显磁性或者显现微弱磁性。

可一旦施加外部磁场,这些磁畴就如军队听到命令一般,在外界磁场的作用下高度一致起来,然后整体对外表现磁性,从而被磁铁吸引。

如果外界磁场较强,在撤去外界磁场后,有些磁畴无法恢复原来的方向,于是磁铁对外还保持一定磁性,成为一块永久磁铁,也就是我们说的被磁化了。

具有这样性质的物质并不多,其中铁、钴、镍是最常见的,还有稀土元素钆等等,这些物质我们统称为铁磁性物质,它们都能被磁铁吸引。

除了铁磁性物质外,就是顺磁性物质和抗磁性物质,但是它们对磁场的反应非常弱;如果我们对导体通电,也能让导体成为一块电磁铁,这是因为运动的电荷能产生磁场。

居里点

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明白了磁铁的机制,我们就能解释在高温下,铁磁性物质发生变化的原理,因为温度的本质是微观粒子的无规则运动。

当温度升高时,原子的热运动加强,一旦热运动的动能大于维持磁矩方向的能量时,铁磁性物质就会大幅度失去磁性,这样的转变温度我们称之为居里点,不同物质的居里点不同,比如铁的居里点为770℃,实现电饭锅自动断电的合金,居里点为103~105℃。

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