磁铁为什么能吸铁?它的能量从哪里来?

龙抬头1661


磁铁可以吸铁,本质是因为铁被磁化了,所以可以吸引。

在日常生活中,基本上大部分的物品都可以被磁化,拥有一丁点儿的磁性,而像铁、镍这样的金属更具有这种特性。

在没有外部磁场加持的时候,铁磁性材料内部会形成一个个独立的磁畴,这些都是自发磁化的小区域,如同下图所示,可以看出磁畴的方向没有统一,它们都是无序的,所以呢,对外界不显示磁性,相互被抵消了。

但是在有外部磁场的加持下,比如磁铁,这样铁磁性物质内部的各个小磁畴的方向就被统一了,被磁化形成了两极,所以对外界才产生出了磁性。

所以,磁铁才能够吸铁,而不能够吸塑料。

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一枚游戏科幻迷


就目前来看,在自然界中,一切力的作用归根结底无外乎只有四种——引力、电磁力、强核力以及弱核力。磁铁能够吸铁,这是电磁力在起作用。那么,磁铁和铁之间为什么可以产生电磁力呢?

这个问题需要从微观角度来阐述。原子的组成有两部分,一部分是带正电荷的原子核,还有一部分是原子核外围带负电的电子。电子自旋会产生自旋磁矩,从而产生磁场。另一方面,原子核外的电子在轨道上运动还会产生轨道磁矩,这也会产生磁场。此外,原子核的自旋也有自旋磁矩,同样也能产生磁场。

原子中的各种磁矩结合在一起产生一个总的原子磁矩,而原子磁矩的有序度决定了物质是否具有磁性。如果原子中的磁矩互相叠加,原子磁矩有序度高,这样就会产生一个磁场,从而使物质具有磁性。这样的物质就是我们所说的磁铁,最常见的磁铁主要是由四氧化三铁组成。另一方面,如果原子中的磁矩互相抵消,原子磁矩无序排列,这样无法产生磁场,物质也就没有磁性。

在磁铁产生的磁场的作用下,铁的原子磁矩排列会从混乱变成有序,从而被磁化,并产生磁场。这样磁铁和铁之间就能产生电磁力,所以磁铁可以吸铁。

而对于磁铁无法吸引的其他物质,它们的原子磁矩在磁场作用下不会从混乱变成有序,这样就无法产生磁场,所以它们无法与磁铁通过电磁力而吸引在一起。


火星一号


磁性的本质是电磁力,磁铁产生磁力是因为它在空间产生磁场,磁场越强,磁力越大。

磁铁为什么会有电磁力呢?这是因为这些磁体原子的内部结构比较特殊,有序排列,本身就具有磁矩。

磁性材料一旦被磁化,使其内部原子结构发生变化,从杂乱无章变得有序排列,形成很微小的晶格,这些晶格电子围绕着某个轴心运动,形成了环形电流,就成了一个个微小的磁体,大量南北极相同小磁体构成了磁性较大的磁铁。


磁铁有天然磁铁、人造磁铁、电磁铁之分。

天然磁铁是由磁铁矿中开采出来的,主要成分为四氧化三铁(Fe3O4),是一种本身具有磁矩的矿物,原子形成等轴晶体,晶体呈八面体、十二面体。地球本身就具有强大的磁场,这些磁石埋在地底下,由于其特有的晶体特性,被地球这个大磁铁所磁化,就成了永久磁铁。

人造磁铁是运用天然磁铁的某些特性,选取相应的材料,制成各种形状的磁性材料,然后让其在磁场中磁化。在磁场中,磁性物体受到外磁场的作用,内部小磁体的方向排列趋于一致,就显示出了磁性。

这些被磁化的磁性物体被撤去磁场后,内部排列能够继续保持下去,就成了一个人造磁铁。由于人类掌握了磁性的本质,因此一些人造磁铁比天然磁铁还要稳定和强大。

电磁铁是运用电磁转换原理,人为制造出若干环行线圈,中间加上铁棒。当通电时,就产生了磁场,断电磁场就消失。中间的铁棒是为了增加磁性,使电磁铁更能稳固的吸取物体。

人类自从认识了磁力和电磁转换的原理后,完全颠覆了这个世界,可以说现代的一切科学进展和社会生活都与电磁力息息相关。

我们现在使用的电力、能源、交通、航天、影视、医疗等等一切,都少不了电磁力的在其中的作用。

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时空通讯


人类很早就发现了磁铁,老祖宗就利用磁铁制成指南针来标记方向,应用在航海等人类探索活动中。现在的日常生活中,利用到磁效应的领域越来越多,从发电机到计算机的硬盘都是利用电流的磁效应。


天然的存在磁铁就是一些有磁性的矿石,也被成为吸铁石,现在还有人工磁铁,同时也可以把导线绕成线圈,制备电磁铁。人们可以利用磁铁吸引铁钉等金属物件,同时被吸引的铁钉也会带上一定的磁性,再次吸引其他更小金属东西。当把磁铁撤开,铁钉也会随之失去磁性,不再吸引其他小金属。

磁铁对于金属物体会有吸引,或者两个磁铁之间也会有作用力,这种磁力作用即使相距一定距离也会存在。这种磁场力的产生来源于磁铁周围的磁场,磁场具有势能,势能就是储存在体系中可以转化成其他形式的能量,比如转变成动能。和磁场类似的就是在重力场中有重力势能,就像在高处的石头总有掉下来的趋势,两个质量物体之间总有万有引力作用一样。

磁场还可以赋予一些金属如铁钴镍等以磁性,基本原理就是铁块等金属内部含有大量的磁畴,具有杂乱无章的排布,当把铁块置于磁场中,铁块内部的磁畴就会在外磁场的作用下,趋向于外磁场的方向进行排列,从而使铁块也暂时具有了一定的磁性。


量子实验室


人们最早认识到有“磁性”就是从吸铁石能吸铁这个现象开始的。除此之外,还有一个常见现象,就是指南针(中国古代叫司南)。

地球本身可以看做是个大磁铁,地磁南极位于地理北极附近,而地磁北极位于地理南极附近。

司南(或指南针)是个小磁铁,所谓磁铁,用物理的语言说就是一个磁偶极矩(一端N,另一端为S,N-S之间有个距离),磁性的一个基本知识就是我们迄今为止还没有发现磁单极子(即单独的N,或单独的S),所有吸铁石能吸铁,和电现象里,正电荷可以吸引负电荷是不一样的。

地球本身是个大磁矩(大磁偶极矩),思南(小磁矩)放到地球表面,小磁矩会在地球这个大磁矩产生的磁场中运动。这里的关键是磁偶极矩产生的磁场是非均匀的,大致来说,越靠近磁极,磁力线越密集(磁场越强),越远离磁极,磁力线越稀疏(磁场越弱)。

一个小磁矩μ放到磁场B中的势能是:

这个公式告诉我们小磁铁首先会“顺着”磁力线的方向排列,这就是指南针的物理原理,因为小磁针顺着磁力线方向,能量最低。


其次磁矩在“非均匀”磁场中还会受力F:

这个公式意味着磁矩μ会顺着磁力线的方向受到一个指向磁场更密集方向的力。换句话说小磁针会向着附近的磁极运动。

回到磁铁会吸引铁钉这个现象,磁铁(大磁矩)有两个磁极,铁钉本身在没有外加磁场的时候并没有磁性,但当我们把铁钉放到磁场里的时候,铁钉会发生磁化,铁钉可以看做是很多磁畴的集合,每个磁畴本身可看做是个小磁矩,但这些磁矩的取向是杂乱无章的,当我们把铁钉放到外磁场里,这些磁畴有平行于外磁场排列的趋势,于是铁钉整体就具有了非零的磁矩。

左:有序排列的磁畴(有磁性);右:杂乱无章排列的磁畴(无磁性)。

被磁化,具有非零磁矩的铁钉会在磁铁产生的非均匀磁场中受力运动,被吸引向磁场更大的地方,即磁铁的磁极处。

那么铁钉的能量是从哪儿来的呢,当然是从铁钉(小磁矩)在磁铁(大磁矩)磁场中的势能来的,这个势能会转化为动能,使铁钉撞在磁铁的磁极上。


物理思维


磁铁之所以能够吸引铁,是因为磁铁可以利用其特有的磁场将铁磁化,从而使得铁也具有磁性,从而使得磁铁和铁之间通过磁场相互作用。而磁铁的能量就是来源于它的磁场能!

当然磁介质不仅有铁磁介质还有顺磁介质和抗磁介质,这三种介质在没有外加磁场的时候,由于介质中的分子或原子内的电子运动是杂乱无章的,因而总的磁性显然无限趋近于0。但是一旦施加了外磁场,介质中的分子或原子内的电子运动就会有一定的取向,最后就会显示出磁性。这个过程就叫磁化。

而铁磁介质与顺磁介质和抗磁介质最大的不同就是,铁磁介质中有如上图中所示的磁畴。因此在受到外磁场作用以后,其中的每个磁畴的总分子磁矩会朝着外磁场方向旋转。最后的结果就是铁磁介质,比如说铁棒等就会被磁化,从而能够和磁铁经过磁场来相互作用,比如铁棒被吸引等等。而且由于磁畴的存在,使得铁棒可以一直具有磁性,从而保证它能够一直和磁铁作用!


地震博士


实际上,根据人类目前科学水平,无法回答此问题,正如地球与其他星体为什么会吸引其上面的所有物质一样!这应该关系到物质微粒子的问题。有些人用什么电磁场原理来解释,其实这种解释是错误的,为什么磁铁不吸铜铝锑等金属呢?难道磁铁遇到这些物质就没电磁场了吗?随着科学的发展,人类总有一天会搞清楚这个问题。

我的想法是,既然磁铁对铁有永久性的吸引性,那可不可以将其特性运用起来,造出永动机呢?

引伸:太阳氢氦核聚变反应生成了铁,此铁具有磁性磁场,吸引着太阳系的所有行星,让各行星在既定轨道运行,不致混乱。太阳发光发热,给地球生命提供生存,让植物有光合作用,释放氧气供给动物,太阳的热使生物不致冻死。看来,地球的运转,来自太阳的磁扬作用。太阳造就了运动与生命。上帝创造了太阳,万物不能离开太阳



用户创维


答:磁铁的能量来自于磁铁本身,通过磁铁激发的磁场来传递能量,并作用于磁场中的物体。




首先,我们需要明确两个概念:

(1)磁场的本质是电磁场;

(2)电磁场是物质的一种;

既然是物质,就具有质量和动量;磁铁激发出来的电磁场,同样具有质量,该部分质量叫做“电磁质量”,用m(c)表示。


电磁场存在于磁铁或者电荷周围,与其中的物质发生相互作用,磁铁的能量正是以该方式进行传递;能量的来源,就是磁铁本身赋予的。



之所以磁铁能吸引铁块,是因为磁铁激发出来的电磁场,与铁内部电子运动形成的微观磁效应耦合,导致铁块会受到磁铁的吸引作用。


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艾伯史密斯


这个要从微观层次来看,因为电子的自旋特性(量子属性)会产生自旋磁矩,同时电子在绕原子核运动会产生轨道磁矩,以上两种可以统称为原子磁矩。这些原子磁矩如果可以有序排列起来并且大小方向相同,那么物质就可以表现出磁性。

表现出磁性就意味着磁场的存在,任何物质在磁场中都可以被磁化,只是程度大小不同。例如铁就是较容易被磁化的物质,由于铁原子的磁矩间存在着相互限制作用,使磁矩在一定范围内更容易形成磁畴。

所以铁这种物质被磁化的过程表现在磁畴之间的重新排列,会更容易一些。



磁铁之所以可以吸引铁而不能吸引木头,以上就是主要原因,没有产生磁畴。磁铁吸引物质实际上就是磁化的过程,磁化后表现出不同的极,相互吸引。而有的物质不能被磁化或者磁化的程度不够,就不能被吸引。


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科学黑洞


很抱歉,作为四个基本作用力的其中之一,磁力的产生以现在的科技仍然是无法解释的,我们只能观察其规律并加以应用。四大基本作用力分别是,引力、电磁力、强核力、弱核力。其中只有引力在爱因斯坦的广义相对论中,解释了是由于大质量天体扭曲时空所导致而产生的引力外,其他三个均无法解释。



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