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磁石为什么不会吸附铜、铝等金属?

千万不要小瞧这个问题,因为直到1928年才有了真正的解释,涉及到了一种纯粹的量子效应(交换作用),在宏观世界没有可以与之类比的现象。

当然,也有简单的回答:

铜、铝等金属不是铁磁体,所以不能被磁铁吸引。

至于什么是铁磁体

这就要从抗磁性、顺磁性、铁磁性一步步了解,如果直接讲铁磁体,你很可能会觉得莫名其妙。

抗磁性

所有物体都有抗磁性,因为所有物体内部都有电子

我们可以试想一下,一个电子任意朝一个方向运动。现在施加一个垂直于电子运动方向的磁场,电子会受到洛伦兹力,做圆周运动。

电子做圆周运动就相当于一个小磁铁,主要会产生与外部磁场方向相反的磁场,此时的电子就会被外部磁场排斥。

  • 顺便提醒一句,非匀强磁场才能产生“同极相斥,异极相吸”的现象。匀强磁场是没法吸引小磁铁的,只会让小磁铁转个方向。
  • 下面提到的磁场都是指非匀强磁场

不管物体的哪个方向面对磁场,内部的电子都一定会有垂直于磁场方向的速度分量,所以物体一定会有被磁场排斥的趋势,这就是抗磁性

抗磁性通常都很弱,弱到我们平时根本察觉不到。

不过在外界磁场足够强的时候,抗磁性还是可以被察觉到的,比如“磁悬浮青蛙”:

另外,超导体的抗磁性非常强,超导磁悬浮就是利用了超导体的“完全抗磁性”。

顺磁性

有些物体除了抗磁性之外,还有顺磁性。

这和组成物体的原子的结构有关系,原子内部有电子、质子、中子。

电子、质子、中子都有自旋磁矩,不用管自旋磁矩到底是什么意思,我们只需要知道电子、质子、中子本身就相当于一个小磁铁。

原子中大部分电子、质子、中子的自旋磁矩都互相抵消了,抵消之后就不再相当于小磁铁了。

不过有些电子的自旋磁矩不会互相抵消,这就是“未配对”的电子,具体内容有些复杂,在这里就不提了。

感兴趣的读者可以了解一下“泡利原理”和“洪特规则”。

如果原子中有“未配对”的电子,那么原子本身就相当于一个小磁铁。

至于原子里面到底有没有“未配对”的电子,需要看原子的原子序数,这也有些复杂,就不提了。

感兴趣的读者可以了解一下“构造原理”。

铜原子没有“未配对”的电子,铝原子、铁原子有“未配对”的电子。

如果物体内部有“未配对”的电子,就相当于内部有大量的小磁铁,平时这些小磁铁无序排列,磁性互相抵消了,对外不显磁性。

一旦外部施加磁场,物体内部的小磁铁就会统一朝向一个方向,这就是磁化

被磁化以后,物体就会被磁场吸引,这种性质就是顺磁性

顺磁性通常会比抗磁性强,会掩盖抗磁性。

  • 所以同时具有顺磁性和抗磁性的物体只会表现出顺磁性,被称为顺磁体
  • 而具有抗磁性的物体只会表现出抗磁性,被称为抗磁体

顺磁性也很弱,弱到我们平时根本察觉不到。

不过顺磁性已经涉及到交换作用(一种纯粹的量子效应)了,降低温度,一些顺磁体就会表现出一种新的性质:铁磁性

铁磁性

之所以说交换作用是一种纯粹的量子效应,是因为它与全同粒子不可分辨(仅存在于亚原子世界)有关。

微观世界的粒子基本上都是全同粒子,电子就是一种全同粒子,可以简单地把全同粒子理解成“完全一样的粒子”。

世上没有两片一模一样的雪花,但是有两个一模一样的电子,甚至于世上所有的电子都是一模一样的!

交换作用引出了“交换能积分常数”。

我们不需要知道这个常数到底是什么,我们只需要知道每一种物质都有自己的“交换能积分常数”,这个常数越大,“未配对”的电子就会排列得越整齐。

“未配对”的电子整齐排列,就相当于一种自发磁化,相当于小磁铁的原子就会整齐排列,形成局部的“大磁铁”,也就是磁畴

通常磁畴会无序排列,磁性互相抵消,对外不显磁性。

物体内部一旦有自发形成磁畴,就会表现出铁磁性,在外部磁场中磁化,磁畴整齐排列,会产生巨大的磁场。

铁磁性产生的磁场是顺磁性产生的磁场的成千上万倍,可以产生直观的现象,比如磁石吸铁。

具有铁磁性的物体就是铁磁体,比如铁、钴、镍。

铁磁相变

一些读者可能会疑惑:

  • 自发形成磁畴,和顺磁体在外部磁场中磁化,有什么本质区别吗?
  • 为什么产生的磁场差距那么大?

磁畴和顺磁质磁化最大的区别就是:

磁畴中的小磁铁(原子)排列得非常整齐,而顺磁体磁化以后,小磁铁(原子)的方向只是稍微转动了一点点。

顺磁体内部的原子在磁场中不仅会有排列整齐的趋势,还会不断热运动,引起无序排列。

如果温度过高,交换作用就无法和热运动抗衡,磁畴内部的原子也会无序排列,磁畴也因此解体,铁磁体就会变成顺磁体,这就是铁磁相变

相变很常见,固体、液体、气体的物态变换就是最常见的相变。相变有临界点,比如熔点、沸点。

铁磁相变的临界点就是居里温度,温度超过居里温度就是顺磁体,低于居里温度就是铁磁体。

对称性破缺

铁磁体还有更深层的奥秘,上面提到的交换作用仅仅只是海森堡在1928年的解释。

如今在量子力学的基础上已经发展出了凝聚态物理,铁磁体、铁电体、反铁磁体、反铁电体、超导体、超流体、……这些神奇的现象都被归纳为对称性破缺的产物。

对称性破缺形成了这个丰富多彩的世界。

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