为什么只有铁存在被吸引的现象,其它元素就没有?

诗人杨镇


首先,题主的说法是错误的。除了铁之外,能够被磁铁或者磁场吸引的金属还包括钴、镍、镝和钆。那么,为什么只有一些金属能被磁铁吸引?磁铁吸引金属的原理是什么?

磁力的来源

从本质上来讲,磁力是电磁力,这是四大基本自然力之一。磁力的产生需要从原子尺度上进行解释。

对于一个原子,其中心是由质子和中子组成的原子核(氕核只有质子),外围则是绕核运动的电子。但不像行星那样会在确切的轨道上环绕恒星运动,电子出现的位置是随机的,只能知道电子出现在某个位置的概率。

根据量子力学,电子的自旋以及电子在轨道上的运动都会产生一个偶极子磁矩,这样就会形成磁场。同样地,自旋的原子核也会形成磁场,只是这远弱于电子磁矩所产生的磁场。原子中的各种磁矩会有叠加和抵消,从而表现出一个总磁矩——原子磁矩。

在磁铁或者磁场的作用下,铁、镍、钆等金属的原子磁矩排列会变得高度有序,这会互相叠加产生一个净磁矩,从而形成一个磁场,这些金属就会被磁化。因此,铁、镍、钆等金属与磁铁之间会有强大的电磁力作用,这就是磁力,导致铁、镍、钆等金属会被磁铁吸引。而诸如铜、铝等其他金属的原子磁矩不会在磁铁的作用下变得高度有序,所以它们无法产生足够强的磁场来被磁铁吸引。

磁力的消失

另外,物体的铁磁性与温度有关。随着温度的升高,分子的动能增加,热运动变得更加剧烈。当温度达到一个临界点时,原子磁矩的排列不再有序,净磁矩会变为零,铁磁性也就会消失,此时的温度为居里温度。如果温度降到居里温度之下,铁磁性又会恢复。

铁的居里温度为770摄氏度,镍的为354摄氏度,镝的为-185‬摄氏度,四氧化三铁的为585摄氏度,钕磁铁的为330摄氏度。因此,如果把铁烧红,它就无法被磁铁吸引。当温度降低到770摄氏度以下时,重新恢复磁性的铁才能被磁铁吸引。

地球的磁性

地球自身能够产生一个巨大的磁场,为地球上的生命屏蔽宇宙射线,并让指南针起作用。另一方面,地球的核心主要是由铁组成,那里的温度高达5500摄氏度,远高于铁的居里温度。那么,为什么地球不会失去磁性呢?

原因在于地磁场并非是由一块大磁铁形成。地核分为熔融的外地核和固态的内地核,因为内地核的压力远高于外地核,所以尽管内地核的温度更高,但却没有熔化。

由于地核的独特结构,当地球自转时,内外地核会出现差速旋转。在外地核中,对流的铁会通过电磁感应形成磁场。因此,地磁场能在高温情况下保持存在。


火星一号


看到这个问题,科学的祖师爷牛顿肯定坐不住了,同学!你初中有没有好好念物理?万有引力定律听过了没有?——什么叫万有?什么叫引力?什么叫定律?——只要你质量足够大,管你距离有多远,万物都将互相吸引!

管你什么元素。

电磁同源的麦克斯韦

同学们,我们把两个鸡蛋靠近放在一起,它们会自动吸引靠近而不分开吗?——不会。

当你换上两块磁铁,你就可以化身刘谦,见证奇迹的时刻!它们将会自动靠近并吸引到一起。——我知道,鸡蛋的实验牛顿并不管用,这一块归麦克斯韦接管。

麦克斯韦同学,全名是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。他是英国物理学家以及数学家,同时也是经典电动力学的创始人,他以一人之力,把电和磁一举拿下。

简单的说,没有麦克斯韦,就没有电磁学,也就没有现代电工学,当然更然不太可能有现代文明。谈论电和磁,我们得先致敬麦克斯韦。

电磁效应

麦克斯韦告诉我们,磁和电的本质上是同一回事。电和磁之间,它们能够相互转换。实际上,磁场本质上是由电场转化来的。

所以,这位同学,我又将反驳你啦,世界上可不止是铁存在被吸引现象啊,凡是能导电的金属,插上电源,让其导电,就可以拥有磁性。不信,你在旁边放个指南针试试,指针必然将开始摇摆!

如果磁性不够强,只需加大电流!

我知道这位同学还是不服气,我们马上就说说天然永磁体——磁铁这回事。

元素周期表可以这么用

自然界当然不止铁拥有天然的永磁性。我们快速区分辨别的方法,就是拿出一张元素周期表。


元素周期表主族元素和过渡元素区的边缘附近,有全满(或几乎全满)的外电子层的原子,例如非金属元素、金、银、铜等等,它们几乎没什么磁性。

各分区中部位置的原子有半满的外层电子层,这些区域内的元素,比如镍、钴、铁、锰、铬等等。它们有可能存在磁性。

但元素的电子层结构并不是物质拥有磁性的充分必要条件。它们还需要具备特定的原子组合结构——所有原子顺顺当当的,按照其磁场方向,同方向的排成一列——表现出物质层面的磁性。

因此符合以上条件的天然磁性幸运儿,只有镍、钴、铁等聊聊几种而已。

结语

所以,我们总结一下,物质具备天然的磁性并不简单。

它必须有统一的磁域(半满外电子层结构),而每个磁域由无数个磁性原子组成,磁性原子需要排成整齐的一列。

因此,只有镍、钴、铁等聊聊几种金属和它们的化合物而已。


猫先生内涵科普


首先要纠正一个问题,并不是铁才会被吸引,磁性是指物体具有吸引铁钴镍的性质,所以这三种元素都可以很容易地被磁体所吸引。之所以我们认为生活中只有铁才能被吸引,是因为生活当中绝大部分金属都是铁铜铝,这中间只有铁才会被吸引,而钴和镍生活中很少见到,所以大家才有这种错觉。

如果要详细的说原因的话:

物质大都是由分子组成的,分子是由原子组成的,原子又是由原子核和电子组成的。在原子内部,电子不停地自转,并绕原子核旋转。电子的这两种运动都会产生磁性。但是在大多数物质中,电子运动的方向各不相同、杂乱无章,磁效应相互抵消。因此,大多数物质在正常情况下,并不呈现磁性。

铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质有所不同,它内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来,形成一个自发磁化区,这种自发磁化区就叫磁畴。铁磁类物质磁化后,内部的磁畴整整齐齐、方向一致地排列起来,使磁性加强,就构成磁铁了。磁铁的吸铁过程就是对铁块的磁化过程,磁化了的铁块和磁铁不同极性间产生吸引力,铁块就牢牢地与磁铁“粘”在一起了。我们就说磁铁有磁性了。




科普的小世界



题主说的有些片面了,与磁场有相互作用的金属有三种:铁磁性、顺磁性和反磁性金属。铁磁性金属被磁铁强烈吸引,其余的不是。磁铁也吸引顺磁性金属,但很弱。反磁性金属排斥磁体,尽管力通常很弱。


铁磁性金属被磁力强烈吸引。常见的铁磁性金属包括铁、镍、钴、钆、镝和相关合金,例如钢,它们也含有特定的铁磁性金属,例如铁或镍。铁磁性金属通常用于制造永磁体。 磁铁对顺磁性金属如镁、钼和钽的吸引力很弱。吸引力比吸引铁磁材料的力弱大约一百万倍。因此,举例来说,你永远不会感受到拿着磁铁对一块镁的吸引力。只有非常灵敏的科学设备才能测量弱磁力。



反磁性金属不吸引磁铁——它们排斥磁铁,尽管很弱。例子包括铜、碳、金、银、铅和铋。虽然某些类型的纯石墨可以让一个强磁体“漂浮”,但是对大多数反磁性金属来说排斥力很弱。


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