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磁鐵為什么能吸鐵?原因是什么?
就目前來看,在自然界中,一切力的作用歸根結底無外乎只有四種——引力、電磁力、強核力以及弱核力。磁鐵能夠吸鐵,這是電磁力在起作用。那么,磁鐵和鐵之間為什么可以產生電磁力呢?
這個問題需要從微觀角度來闡述。原子的組成有兩部分,一部分是帶正電荷的原子核,還有一部分是原子核外圍帶負電的電子。電子自旋會產生自旋磁矩,從而產生磁場。另一方面,原子核外的電子在軌道上運動還會產生軌道磁矩,這也會產生磁場。此外,原子核的自旋也有自旋磁矩,同樣也能產生磁場。
原子中的各種磁矩結合在一起產生一個總的原子磁矩,而原子磁矩的有序度決定了物質是否具有磁性。如果原子中的磁矩互相疊加,原子磁矩有序度高,這樣就會產生一個磁場,從而使物質具有磁性。這樣的物質就是我們所說的磁鐵,最常見的磁鐵主要是由四氧化三鐵組成。另一方面,如果原子中的磁矩互相抵消,原子磁矩無序排列,這樣無法產生磁場,物質也就沒有磁性。
在磁鐵產生的磁場的作用下,鐵的原子磁矩排列會從混亂變成有序,從而被磁化,并產生磁場。這樣磁鐵和鐵之間就能產生電磁力,所以磁鐵可以吸鐵。
而對于磁鐵無法吸引的其他物質,它們的原子磁矩在磁場作用下不會從混亂變成有序,這樣就無法產生磁場,所以它們無法與磁鐵通過電磁力而吸引在一起。
到目前為止,人類只發現大自然存在四種力。
按照強弱排序分別是:強相互作用力,電磁力,弱力,以及引力。
強弱相互作用力作用在微觀粒子上,宏觀世界最常見的力就是引力和電磁力。
除了引力,其他三種力都有傳遞相互作用的傳播子。引力很特殊,目前還沒有找到引力子,但是可以通過時空彎曲解釋引力產生的本質。
平時我們看到的磁鐵可以隔空吸引鐵鎳鈷等物質。
那么大家就會好奇,傳遞磁力的中介子是什么?
磁力的本質也是電磁現象,并不可以隔空作用。
我們知道原子核外都繞著電子,電子可以自旋,同時也以電子云的形成分布在原子核外。
電子的自旋可以產生自旋磁矩,電子在原子核外運動也可以產生軌道磁矩。
這兩種磁矩加起來就會使原子呈現磁性。電子的自旋方向和軌道決定了磁矩的方向。
不過生活中大部分物體內的原子核外電子都是配對的,一個電子自旋為下,另一個就為上,所以自旋磁矩可以抵消。即便存在未配對電子,如原子無序排列,未配對電子們產生磁矩就會在微觀尺度下抵消,所以宏觀尺度上并不會表現出磁性。
如果一個物體內的原子存在未配對電子,并且排列有序,那么電子自旋產生的磁矩就會疊加起來,在宏觀上就會體現出磁性。
磁鐵靠什么傳遞力?
磁鐵的名稱雖然只有“磁”,但是它還有“電”的一方面,從微觀本質上來看,磁是電的體現,所以有磁現象必然有電現象。磁鐵是靠場傳遞的,而這種場是一種沒有質量的物質,這就是虛粒子。磁場是由虛光子組成的。但是有時候虛光子也具有質量,比如運動產生的相對論質量。
事實上,虛光子和光子并沒有明確的界限,有時候兩者就等價??梢岳斫獯艌鍪峭ㄟ^無法用實物粒子來描述的虛光子來傳遞相互作用的。
磁性的本質是電磁力,磁鐵產生磁力是因為它在空間產生磁場,磁場越強,磁力越大。
磁鐵為什么會有電磁力呢?這是因為這些磁體原子的內部結構比較特殊,有序排列,本身就具有磁矩。
磁性材料一旦被磁化,使其內部原子結構發生變化,從雜亂無章變得有序排列,形成很微小的晶格,這些晶格電子圍繞著某個軸心運動,形成了環形電流,就成了一個個微小的磁體,大量南北極相同小磁體構成了磁性較大的磁鐵。
磁鐵有天然磁鐵、人造磁鐵、電磁鐵之分。
天然磁鐵是由磁鐵礦中開采出來的,主要成分為四氧化三鐵(Fe3O4),是一種本身具有磁矩的礦物,原子形成等軸晶體,晶體呈八面體、十二面體。地球本身就具有強大的磁場,這些磁石埋在地底下,由于其特有的晶體特性,被地球這個大磁鐵所磁化,就成了永久磁鐵。
人造磁鐵是運用天然磁鐵的某些特性,選取相應的材料,制成各種形狀的磁性材料,然后讓其在磁場中磁化。在磁場中,磁性物體受到外磁場的作用,內部小磁體的方向排列趨于一致,就顯示出了磁性。
這些被磁化的磁性物體被撤去磁場后,內部排列能夠繼續保持下去,就成了一個人造磁鐵。由于人類掌握了磁性的本質,因此一些人造磁鐵比天然磁鐵還要穩定和強大。
電磁鐵是運用電磁轉換原理,人為制造出若干環行線圈,中間加上鐵棒。當通電時,就產生了磁場,斷電磁場就消失。中間的鐵棒是為了增加磁性,使電磁鐵更能穩固的吸取物體。
人類自從認識了磁力和電磁轉換的原理后,完全顛覆了這個世界,可以說現代的一切科學進展和社會生活都與電磁力息息相關。
我們現在使用的電力、能源、交通、航天、影視、醫療等等一切,都少不了電磁力的在其中的作用。
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人類很早就發現了磁鐵,老祖宗就利用磁鐵制成指南針來標記方向,應用在航海等人類探索活動中?,F在的日常生活中,利用到磁效應的領域越來越多,從發電機到計算機的硬盤都是利用電流的磁效應。
天然的存在磁鐵就是一些有磁性的礦石,也被成為吸鐵石,現在還有人工磁鐵,同時也可以把導線繞成線圈,制備電磁鐵。人們可以利用磁鐵吸引鐵釘等金屬物件,同時被吸引的鐵釘也會帶上一定的磁性,再次吸引其他更小金屬東西。當把磁鐵撤開,鐵釘也會隨之失去磁性,不再吸引其他小金屬。
磁鐵對于金屬物體會有吸引,或者兩個磁鐵之間也會有作用力,這種磁力作用即使相距一定距離也會存在。這種磁場力的產生來源于磁鐵周圍的磁場,磁場具有勢能,勢能就是儲存在體系中可以轉化成其他形式的能量,比如轉變成動能。和磁場類似的就是在重力場中有重力勢能,就像在高處的石頭總有掉下來的趨勢,兩個質量物體之間總有萬有引力作用一樣。
磁場還可以賦予一些金屬如鐵鈷鎳等以磁性,基本原理就是鐵塊等金屬內部含有大量的磁疇,具有雜亂無章的排布,當把鐵塊置于磁場中,鐵塊內部的磁疇就會在外磁場的作用下,趨向于外磁場的方向進行排列,從而使鐵塊也暫時具有了一定的磁性。
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