为什么只有吸铁的磁铁,没有磁铜或磁铝呢?

先打破一下题主的想象力,磁铜和磁铝有何难求?凡是能导电的金属,插上电源,让其导电,就可以拥有磁性,能使得指南针发生偏转!难道同学们忘了,我们踩在脚下的地球,本身也具有地磁性,可它明显不是一个纯铁球吧。

电磁同源

好了,回到问题的解决上来,其实问题很简单,我们只要解决——磁场从哪里来?就能明白,日常生活中,我们通常使用的为什么是磁铁,而不是什么磁铜和磁铝了。

物理学史上,一牛二爱三麦的大名你不能不知道,而把电和磁一举拿下,梳理得妥妥帖帖的人,正是麦克斯韦。麦克斯韦的伟大,就是告诉了我们,其实电和磁在本质上是一回事

开头我已经说过了,想要有磁性,没有什么不是让导体通电不能解决的,如果不行,请加大电流,就在于此。

永磁体的奥秘

题主这时候,一定会抗议了,我指的是不通电的情况,谁有事没事给自己电疗?杨永信老师附体了也不玩这个!

好吧,我明白你的意思了,电线可以收起来,让我们进入微观粒子的世界!

二十世纪二十年代,科学家们其实已经知道电子和质子的存在了。一个原子大体上是一群带正电荷的质子,质子周围有一群带负电的电子绕其旋转。而根据观测,质子的微磁性比电子的微磁性,要弱近千倍!所以,原子核对于整个原子的磁性来说,几乎没有影响。要理清头绪,我们要把目光聚焦到电子身上。

量子力学告诉我们,只有具备半满的外层电子层结构的元素,它们形成的原子才具有磁性,从元素周期表中,我们知道,镍、钴、铁、锰、铬等等符合这个设定。

但真实情况并非如此简单,单个原子的磁性,不代表由该种原子组成的物质也有磁性,例如,铬就是最反磁性的物质。

想要获得稳定的磁性,除了半满外层电子层结构出身之外,还得具备磁场同方向排成一列的晶体结构

所以,经过层层筛选,具备天然磁性的幸运儿,在自然界中真不多,只有镍、钴、铁等聊聊几种而已。

结语

至于,题主会不会再想了解一下,电子为何带电荷以及自身微磁属性的来源呢?

很遗憾,这次是真没答案了。量子力学到这个层面,就瞎了。

人类啊,还差得远呢。

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在日常生活中,我们听过磁铁,却没有听过磁铜、磁铝。玩过磁铁的可能都知道,磁铁具有磁性,两块磁铁之间可以相互吸引,且能够将不具备磁性的铁磁化,被磁化后的铁也带有磁性。磁铁能够磁化铁,却不能磁化铜和铝,这是为什么呢?为什么只有磁铁等少数物质具有天然磁性呢?

为了弄明白这个问题,我们先来了解一下,与磁相关的知识。

电磁同源:人类对电磁现象的认识历程

早在几千年前,人类就发现了天然磁铁,并对磁铁的磁性有了一定认识,发现能够利用磁铁指示方向,我国古人还制成了世界上第一个指南仪——司南。几千年前的古埃及人就知道尼罗河中有一种会放电的鱼。在此之后,人类还发现摩擦会产生静电,古希腊学者泰勒斯、亚里士多德还对此进行了研究。

人类虽然很早就发现了与电、磁相关的现象,并对它们有了一定的认识,但并不知道它们之间存在联系。

时间来到了18世纪,1752年美国物理学家本杰明·富兰克林通过风筝实验统一了天电与地电,还顺便发明了避雷针,并提出了电荷守恒定律。可惜的是,1753年俄国电学家利赫曼为了重复这个实验,不幸被雷劈死。

1820年,奥斯特意外发现电流能够偏转指南针的方向,这表明电流具有磁效应;1831年,法拉第与亨利发现变化的磁场能够使导线中产生感应电流,电磁感应现象的发现将电和磁统一了起来。麦克斯韦站在巨人的肩上,对电磁学加以整理,提出了麦克斯韦方程组,并预言了电磁波的存在,揭示了光也是电磁波。此后,赫兹通过实验证明了电磁波的存在。

上图麦克斯韦

磁和电是同源的,电和磁往往是同时存在的。不过电和磁并不完全对称,电荷存在两种——正电荷和负电荷,却并没有发现磁单极子。

发电机和电动机的发明使人类进入了电力时代,为信息时代的到来铺平了道路。人类虽然认识到电和磁在本质上是一样的,但要想深刻理解电磁现象背后的运作机理,传统的经典力学显然不够用了。

磁是如何产生的?

因为物质都是由原子构成的,要想对磁性的本质做一个深入的了解,就必须要从物质的微观结构说起。既然进入了微观世界,那么就必然要涉及到量子力学。

1897年,汤姆逊在研究阴极射线的时候发现了电子,正式揭开了电磁本质的研究。原子核中的质子带正电,核外电子带负电,同性相斥,异性相吸,电子就是因此才与原子核结合在一起的。因为它们的数量是对称的,于是整个原子保持电中性。当原子失去或者得到电子之后,就会转变为带电的原子,称之为离子。

质子和电子都带有一个单位的基本电荷(元电荷)。粒子只要带有电荷,周围就会存在电场。库仑发现,两个带电粒子之间的作用力与距离的平方成反比关系,这就是关于静电力的库仑定律,与万有引力定律很相似。

磁铁周围存在磁场,那么电场是如何变为磁场的呢?一切都源于物体内部的微观粒子运动。

其实,像电子、质子这样的微观粒子都存在一种叫做自旋的内禀性质(类似于自转),自旋是由粒子的内禀角动量引起的。带电粒子因自旋而产生磁场。此外,电子还在绕着原子核运动,同样也会产生磁场。类似的,比如地球内部拥有铁质核心,由于地球在自转,于是地球便拥有了磁场。

为了描述磁性,我们引入了磁矩的概念,磁矩大家可以简单理解为带有磁性的基本单元。电子的磁矩分为自旋磁矩与轨道磁矩。原子核内部的质子和中子可以看作一个整体,因此原子核也被认为拥有自旋,那么原子核就存在自旋磁矩。由于原子核的运动速度较慢,因此原子核的磁矩不到电子磁矩的千分之一,可以忽略。那么决定原子磁矩的便是核外电子。当原子构成物质时,核外电子的运动轨道会受到限制,使其不能构成一个整体,对外便不显示磁性。可见,最终决定原子磁矩的还是电子的自旋磁矩。

这里有必要提一下,质子和质子都是由三个带有分子电荷的夸克构成的,一般而言中子不带电,不过中子也存在非常微弱的磁矩。实际上,中子和质子可以相互转换。

既然原子的磁性与电子有关,那么一个原子是否对外显示磁性,就由它的原子结构来决定了,具体的有点复杂,就不多说了。研究显示,只有特定结构的原子才对外显示磁性。而且当这些磁性原子构成物质时,磁矩并不是按照一定方向规规矩矩排列的,而是犬牙交错,最终在磁矩的相互叠加下,磁性便抵消掉了。经过层层筛选,自然界中就只有铁、钴、镍等金属具有天然磁性了。

为什么磁铁具有磁性?

众所周知,自然界中绝大多数物质都是没有磁性的,并且也很难被磁化,只有少数金属和金属化合物可以被磁化。磁铁具有天然的磁性,可当铜、铝等金属通电后又会产生磁性,这是为什么呢?

这里介绍一下磁铁,广义上的磁铁分为永磁和软磁,天然磁铁就属于永磁,常温下磁性并不会消失;而电磁铁则属于软磁,去掉电流后磁性就会慢慢消失。注意,磁铁并不一定就含有铁,还可能是其它成分。通常我们所说的磁铁是指永磁。

如图所示,一个简单的电磁铁。

前面已经说过了,既然是磁铁,就必然存在磁性原子。其实磁铁中还可以分成许多微小的带有磁矩的区域,这被称之为磁畴。磁铁中的磁畴沿一个方向分布,于是整个磁铁便对外显示磁性。通常物体内的磁畴分布是随意的,磁场互相抵消,只有在外加磁场的作用下方向趋于一致,才会对外显示磁性,这一过程便是磁化。

铜和铝为什么没有磁性?

那是因为铜属于抗磁性物质,铜原子的磁矩为0,即使外加强磁场,也很难将其磁化。不过当铜通上电流后,铜内部的自由电子在外加电场的作用下定向移动,于是便形成了磁场,铝通电后产生磁场也是这个原因。铝与铜又略有不同,铝属于顺磁性物质,在外加磁场下显示微弱的磁性,不过一般也认为它没有磁性、不能被磁化。

不管是顺磁还是抗磁,它们的磁化率都很低,通常都认为是不可磁化的,因此便没有磁铜、磁铝一说。而像铁钴镍这一类的铁磁性物质,由于其内部具有磁畴,施加一定强度的磁场,便会被永久磁化。不过铁磁性物质也只有在一定温度范围才存在磁性,当你把磁铁加热到一定温度时,原子的热运动变得剧烈,磁铁的磁性便会消失。

上图为不同材质内的磁矩分布示意图

结语

综上所述,从微观角度来看,所有物质内部都存在磁场,只是受物质的结构影响,大多数物质的内部磁场被抵消,宏观上对外不显磁性,或者磁性非常弱。

希望通过上面的介绍,大家能够明白:为什么铁等少数物质能够拥有磁性,而铜、铝等物质却没有磁性。关于磁性的内容很复杂,我这里只是简单科普一下,有需要的请看专业书籍。

热爱科学的朋友,欢迎关注我。

为什么只有吸铁的磁铁,没有磁铜或磁铝呢?

磁铁是大家日常生活中比较常见的物品之一了,估计有很多朋友都有过这样的疑问,那就是为何只有能吸住铁的磁铁,而没有可以吸住金、银、铜、铝的磁金、磁银、磁铜和磁铝呢?要想解决这个疑问,我们需要对磁性产生的原理作一下简要的探讨。

磁性产生的原理

按照磁性物体产生磁场的条件不同,可以将其划分为两大类,一个是永磁性物体,另一个是电磁性物体。我们平常所看到的黑黑的磁铁,就属于永久性磁铁;而金属线圈在通上电之后,也会表现出一定的磁性,电流消失后磁场随之消失,则这种物体为电磁性,也叫软磁。

无论是永磁性物质还是电磁性物体,根据麦克斯韦方程,磁场的产生,都归结于电流,即电场的运动。这一点对于电磁性物体来说很好理解,电荷在导体中的流动产生了电流,从而形成了电磁场。而对于没有通电的永久性磁铁来说,磁场的产生实质上也离不开电场,这个电场是由磁铁组成物质中的原子,其中的核外电子围绕原子核高速运动时所呈现的规律性排列所致。

不可否认的是,世界上所有的物质,都具有磁性,只是磁性的表达方式不一样而已,总体上看可以分为三大类,一种是顺磁性物质,即物体在外加磁场的作用下,可以产生与外磁场相同的附加磁场环境,大部分物质都有这个性质,比如过渡金属、稀土元素及其化合物、有机物自由基、氧气等。第二是抗磁场物质,即物体在外加磁场作用下,产生与外磁场相反的附加磁场,比如铜等很多金属和惰性气体就有这样的性质。第三种是铁磁性物质,在外加磁场作用下,与顺磁性物质一样也产生与外磁场相同的附加磁场,不过这个附加磁场的强度要大得多,比如铁、钴、镍等少数金属。

对于铁磁性物质来说,每一块磁体都由许多小的“分隔区域”所组成,这些小的区域被称为磁畴。在没有外加磁场时,每个磁畴中的原子都呈现有规律的排列,但是各个磁畴中的原子存在相互作用,也就是说磁力相互抵消了,整体上并不表现出磁性。但如果在外界磁场的作用下(充磁过程),这些磁畴中的原子的排列方向更加矢量化,都会沿着充磁的方向排列,使得每个磁畴的磁矩方向都与外磁场的方向相同,磁体整体上的总磁矩就不零了,对外就表现出磁性来。

磁力传播所依托的介质

截至目前,整个宇宙中物质和物质间存在的相互作用力,科学家们已经将它们归纳为4种基本形式,即引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。其中电磁力和引力是普遍存在于宏观、中观和微观世界,不过空间尺度越大,引力在相互作用时所表现出来的效果就越明显。而强相互作用力和弱相互作用力,主要反映的是微观原子层面的力作用方式。

无论是哪一种力,科学家们判定,它们的“传播”过程都必须依赖相应的、特殊的“空间场”,这种“空间场”需要特定的微观粒子,通过它们的定向移动来承担传递力场作用。根据粒子物理标准模型,截至目前,科学家们对电磁力、强相互作用力、弱相互作用力相对应的基本粒子已经被发现,其中电磁力对应的是光子、强相互作用力对应的是胶子、弱相互作用力对应的是W和Z玻色子。而引力目前科学家们还没有发现明确的传播介质,目前普遍以假设的“引力子”来阐释。

既然磁力属于电磁力的范畴,因此磁场的产生,就需要电磁场作为媒介环境,那也就意味着承载着电磁力传播的基本粒子-光子,也是磁力得以传输的重要媒介。之所以我们看不到磁场中的光线,是因为转递磁力的光子所对应的光线频率,根本就不在可见光范围之内。同时,为了更好地表达磁力的产生,科学家们引入了虚光子的概念,正是带电粒子之间不断地交换虚光子,从而引发了电子能级的跃迁,最终释放出了不同频率的辐射线,从而产生了电磁相互作用力。

为何没有磁金、磁银、磁铜、磁铝呢?

根据前面对组成物质材料性质的分析,铁钴镍是铁磁性物质,容易被外部磁场磁化,而且产生的附加磁场强度很强,所以可以制造出永久性的磁体。而金、银、铜、铝这几样金属,从微观结构上,不具备形成能够与外部磁场环境相同的磁畴微结构,所以很难被同向磁化,也就制作不成吸引相应金属的磁体。

严格意义上来说,金、银、铜、铝也具有磁性的“本能”,只不过恰恰与铁钴镍相反,它们属于抗磁性物质,组成这些物质的原子中,其电子壳层全部由电子“充满”,电子的总磁矩为零。而当受到外部磁场环境影响时,原子中也能够产生一定的电子环流,不过环流产生的磁矩方向,与外界磁场环境相反,而且表现出来的磁化率是一个非常低的数值,仅为-10^(-6)级别,非常得微弱,远远达不到吸住或者排斥相应金属的目的,这也是为何制造不出来磁金、磁银、磁铜、磁铝的原因。

有关物体磁性的本质,较早的解释,是安培提出的分子电流假说。受奥斯特发现的电流磁场的启发,安培认为,在原子、分子等物质微粒的内部,存在一种环形电流——分子电流。每一个环形电流就相当于一个小磁针,环形电流的两侧就是两个磁极。

安培所处的时代,人们还不知道物质内部为什么会有分子电流,直到二十世纪初,电子的发现,人们才认识到物质内部的分子电流是由于原子内部电子运动形成的。

有少部分物质,内部的绝大多数的小磁针排列是有规则的,所以,就显示出磁性。在大多数的物质中,内部的小磁针排列是杂乱无章的,它们的磁场互相抵消,对外不显磁性。

铁磁性材料就属于那少部分物质,在一定的条件下,可以使其内部的小磁针规则的排列起来,有了磁性而吸引铁质物体。铜和铝就属于上面说的多数物质,虽然内部也存在小磁针,但无论如何也不能将这些小磁针规则排列起来,所以,不会有磁性。

因为铜和铝属非磁材料。所以不能形成磁铜和磁铝。只有铁能够磁化,在磁场的作用下,铁的内部分子结构重新排立组合成磁链。在强磁充磁器给铁和钢材料进行充磁。形成带磁性的磁铁和磁钢。

因为地球内部是铁核,所以,只有吸铁石。如果地球内部是金子的话,也会有吸金石。

大家好!我是馍馍!

《论电和磁》的作者麦克斯韦

关于为什么铁可以带磁,而铜或者铝等金属没有带磁的说法的问题?今天我们一起来窥探其中的因果!关于磁的相关经典著作,我们首先就要追溯1873年的《论电和磁》这本书了,这个应该是在牛顿之后的非常重要的物理学经典!

电生磁

这本书的复杂过程不再描述,馍馍只说一下这本书关于磁的结论,就是磁和电本质上是一样的!我们想一下初中关于电生磁和磁生电的物理课,是不是发现的确有很强的关联性呢?!小编馍馍说到这,其实就是想表达一个点,电和磁既然是相通的,那么磁一定跟电子是有联系的!因为电的形成就是跟负电子是关联的!

原子结构

关于铁,铜和铝等金属的带磁问题,我们现在只需要聚焦他们的带电子情况,通常金属原子周边都有电子层,而满电子层结构中,各个电子的运动方向都是均等,这也就导致了电子产生的电流互相抵消,既然抵消了就不会产生磁性了!这个大家应该可以理解的!而铝和铜就是属于这样的情况!

而原子要想具有磁性,其外层电子层就只能是半满的情况!因为只有这样它的电子才不对称,才容易形成磁!这就是铁容易带磁的原因!

下面我为大家提供一张元素周期表!

元素周期表

黄色是具有铁磁属性的!

好了!关于这个问题今天馍馍就说道这里了!

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