為什麼只有鐵存在被吸引的現象,其它元素就沒有?

詩人楊鎮


首先,題主的說法是錯誤的。除了鐵之外,能夠被磁鐵或者磁場吸引的金屬還包括鈷、鎳、鏑和釓。那麼,為什麼只有一些金屬能被磁鐵吸引?磁鐵吸引金屬的原理是什麼?

磁力的來源

從本質上來講,磁力是電磁力,這是四大基本自然力之一。磁力的產生需要從原子尺度上進行解釋。

對於一個原子,其中心是由質子和中子組成的原子核(氕核只有質子),外圍則是繞核運動的電子。但不像行星那樣會在確切的軌道上環繞恆星運動,電子出現的位置是隨機的,只能知道電子出現在某個位置的概率。

根據量子力學,電子的自旋以及電子在軌道上的運動都會產生一個偶極子磁矩,這樣就會形成磁場。同樣地,自旋的原子核也會形成磁場,只是這遠弱於電子磁矩所產生的磁場。原子中的各種磁矩會有疊加和抵消,從而表現出一個總磁矩——原子磁矩。

在磁鐵或者磁場的作用下,鐵、鎳、釓等金屬的原子磁矩排列會變得高度有序,這會互相疊加產生一個淨磁矩,從而形成一個磁場,這些金屬就會被磁化。因此,鐵、鎳、釓等金屬與磁鐵之間會有強大的電磁力作用,這就是磁力,導致鐵、鎳、釓等金屬會被磁鐵吸引。而諸如銅、鋁等其他金屬的原子磁矩不會在磁鐵的作用下變得高度有序,所以它們無法產生足夠強的磁場來被磁鐵吸引。

磁力的消失

另外,物體的鐵磁性與溫度有關。隨著溫度的升高,分子的動能增加,熱運動變得更加劇烈。當溫度達到一個臨界點時,原子磁矩的排列不再有序,淨磁矩會變為零,鐵磁性也就會消失,此時的溫度為居里溫度。如果溫度降到居里溫度之下,鐵磁性又會恢復。

鐵的居里溫度為770攝氏度,鎳的為354攝氏度,鏑的為-185‬攝氏度,四氧化三鐵的為585攝氏度,釹磁鐵的為330攝氏度。因此,如果把鐵燒紅,它就無法被磁鐵吸引。當溫度降低到770攝氏度以下時,重新恢復磁性的鐵才能被磁鐵吸引。

地球的磁性

地球自身能夠產生一個巨大的磁場,為地球上的生命屏蔽宇宙射線,並讓指南針起作用。另一方面,地球的核心主要是由鐵組成,那裡的溫度高達5500攝氏度,遠高於鐵的居里溫度。那麼,為什麼地球不會失去磁性呢?

原因在於地磁場並非是由一塊大磁鐵形成。地核分為熔融的外地核和固態的內地核,因為內地核的壓力遠高於外地核,所以儘管內地核的溫度更高,但卻沒有熔化。

由於地核的獨特結構,當地球自轉時,內外地核會出現差速旋轉。在外地核中,對流的鐵會通過電磁感應形成磁場。因此,地磁場能在高溫情況下保持存在。


火星一號


看到這個問題,科學的祖師爺牛頓肯定坐不住了,同學!你初中有沒有好好念物理?萬有引力定律聽過了沒有?——什麼叫萬有?什麼叫引力?什麼叫定律?——只要你質量足夠大,管你距離有多遠,萬物都將互相吸引!

管你什麼元素。

電磁同源的麥克斯韋

同學們,我們把兩個雞蛋靠近放在一起,它們會自動吸引靠近而不分開嗎?——不會。

當你換上兩塊磁鐵,你就可以化身劉謙,見證奇蹟的時刻!它們將會自動靠近並吸引到一起。——我知道,雞蛋的實驗牛頓並不管用,這一塊歸麥克斯韋接管。

麥克斯韋同學,全名是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。他是英國物理學家以及數學家,同時也是經典電動力學的創始人,他以一人之力,把電和磁一舉拿下。

簡單的說,沒有麥克斯韋,就沒有電磁學,也就沒有現代電工學,當然更然不太可能有現代文明。談論電和磁,我們得先致敬麥克斯韋。

電磁效應

麥克斯韋告訴我們,磁和電的本質上是同一回事。電和磁之間,它們能夠相互轉換。實際上,磁場本質上是由電場轉化來的。

所以,這位同學,我又將反駁你啦,世界上可不止是鐵存在被吸引現象啊,凡是能導電的金屬,插上電源,讓其導電,就可以擁有磁性。不信,你在旁邊放個指南針試試,指針必然將開始搖擺!

如果磁性不夠強,只需加大電流!

我知道這位同學還是不服氣,我們馬上就說說天然永磁體——磁鐵這回事。

元素週期表可以這麼用

自然界當然不止鐵擁有天然的永磁性。我們快速區分辨別的方法,就是拿出一張元素週期表。


元素週期表主族元素和過渡元素區的邊緣附近,有全滿(或幾乎全滿)的外電子層的原子,例如非金屬元素、金、銀、銅等等,它們幾乎沒什麼磁性。

各分區中部位置的原子有半滿的外層電子層,這些區域內的元素,比如鎳、鈷、鐵、錳、鉻等等。它們有可能存在磁性。

但元素的電子層結構並不是物質擁有磁性的充分必要條件。它們還需要具備特定的原子組合結構——所有原子順順當當的,按照其磁場方向,同方向的排成一列——表現出物質層面的磁性。

因此符合以上條件的天然磁性幸運兒,只有鎳、鈷、鐵等聊聊幾種而已。

結語

所以,我們總結一下,物質具備天然的磁性並不簡單。

它必須有統一的磁域(半滿外電子層結構),而每個磁域由無數個磁性原子組成,磁性原子需要排成整齊的一列。

因此,只有鎳、鈷、鐵等聊聊幾種金屬和它們的化合物而已。


貓先生內涵科普


首先要糾正一個問題,並不是鐵才會被吸引,磁性是指物體具有吸引鐵鈷鎳的性質,所以這三種元素都可以很容易地被磁體所吸引。之所以我們認為生活中只有鐵才能被吸引,是因為生活當中絕大部分金屬都是鐵銅鋁,這中間只有鐵才會被吸引,而鈷和鎳生活中很少見到,所以大家才有這種錯覺。

如果要詳細的說原因的話:

物質大都是由分子組成的,分子是由原子組成的,原子又是由原子核和電子組成的。在原子內部,電子不停地自轉,並繞原子核旋轉。電子的這兩種運動都會產生磁性。但是在大多數物質中,電子運動的方向各不相同、雜亂無章,磁效應相互抵消。因此,大多數物質在正常情況下,並不呈現磁性。

鐵、鈷、鎳或鐵氧體等鐵磁類物質有所不同,它內部的電子自旋可以在小範圍內自發地排列起來,形成一個自發磁化區,這種自發磁化區就叫磁疇。鐵磁類物質磁化後,內部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來,使磁性加強,就構成磁鐵了。磁鐵的吸鐵過程就是對鐵塊的磁化過程,磁化了的鐵塊和磁鐵不同極性間產生吸引力,鐵塊就牢牢地與磁鐵“粘”在一起了。我們就說磁鐵有磁性了。




科普的小世界



題主說的有些片面了,與磁場有相互作用的金屬有三種:鐵磁性、順磁性和反磁性金屬。鐵磁性金屬被磁鐵強烈吸引,其餘的不是。磁鐵也吸引順磁性金屬,但很弱。反磁性金屬排斥磁體,儘管力通常很弱。


鐵磁性金屬被磁力強烈吸引。常見的鐵磁性金屬包括鐵、鎳、鈷、釓、鏑和相關合金,例如鋼,它們也含有特定的鐵磁性金屬,例如鐵或鎳。鐵磁性金屬通常用於製造永磁體。 磁鐵對順磁性金屬如鎂、鉬和鉭的吸引力很弱。吸引力比吸引鐵磁材料的力弱大約一百萬倍。因此,舉例來說,你永遠不會感受到拿著磁鐵對一塊鎂的吸引力。只有非常靈敏的科學設備才能測量弱磁力。



反磁性金屬不吸引磁鐵——它們排斥磁鐵,儘管很弱。例子包括銅、碳、金、銀、鉛和鉍。雖然某些類型的純石墨可以讓一個強磁體“漂浮”,但是對大多數反磁性金屬來說排斥力很弱。


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