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为什么铁能被磁铁吸引,而其他大部分金属却...

除了铁之外,能够被磁铁或者磁场吸引的少数金属还包括钴、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

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。

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