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磁铁为什么能吸铁?原因是什么?
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。
到目前为止,人类只发现大自然存在四种力。
按照强弱排序分别是:强相互作用力,电磁力,弱力,以及引力。
强弱相互作用力作用在微观粒子上,宏观世界最常见的力就是引力和电磁力。
除了引力,其他三种力都有传递相互作用的传播子。引力很特殊,目前还没有找到引力子,但是可以通过时空弯曲解释引力产生的本质。
平时我们看到的磁铁可以隔空吸引铁镍钴等物质。
那么大家就会好奇,传递磁力的中介子是什么?
磁力的本质也是电磁现象,并不可以隔空作用。
我们知道原子核外都绕着电子,电子可以自旋,同时也以电子云的形成分布在原子核外。
电子的自旋可以产生自旋磁矩,电子在原子核外运动也可以产生轨道磁矩。
这两种磁矩加起来就会使原子呈现磁性。电子的自旋方向和轨道决定了磁矩的方向。
不过生活中大部分物体内的原子核外电子都是配对的,一个电子自旋为下,另一个就为上,所以自旋磁矩可以抵消。即便存在未配对电子,如原子无序排列,未配对电子们产生磁矩就会在微观尺度下抵消,所以宏观尺度上并不会表现出磁性。
如果一个物体内的原子存在未配对电子,并且排列有序,那么电子自旋产生的磁矩就会叠加起来,在宏观上就会体现出磁性。
磁铁靠什么传递力?
磁铁的名称虽然只有“磁”,但是它还有“电”的一方面,从微观本质上来看,磁是电的体现,所以有磁现象必然有电现象。磁铁是靠场传递的,而这种场是一种没有质量的物质,这就是虚粒子。磁场是由虚光子组成的。但是有时候虚光子也具有质量,比如运动产生的相对论质量。
事实上,虚光子和光子并没有明确的界限,有时候两者就等价。可以理解磁场是通过无法用实物粒子来描述的虚光子来传递相互作用的。
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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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。
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