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[动画版]从结构上解释铁钴镍为什么可以被磁化,别的金属不可以?

发布日期:2022-01-21 10:26:47 来源:CNPIM


--整理:David--


关于这个问题,理论讲解非常多。从元素周期表开始分析,引出抗磁性和顺磁性的解释,再到自发磁化区也就是磁畴的理论,说实话,看的人头大。正好找到了一片动画版的文章回答标题的问题。

本文内容来源于知乎,作者:土豆泥。动画因为放在youtube上,国内没办法看到,不过,有配图,图文并茂,生动形象,比较浅显易懂。


动画版:

我们先从一部动画(https://www.youtube.com/watch?v=hFAOXdXZ5TM)


开始:

如果你把两块木头放在一起,什么也不会发生:





你把两块花岗岩放在一起,还是什么都没有发生:


蛋是,如果你把两铁块放到一起~~~~~~~~奇迹(magic)出现了!

 


额···········应该说是磁铁(magnet)出现了。




带磁的物质能够在远距离神奇地相互吸引,究是因为他们产生了磁场。而这些隐形的磁场能够延展到物体之外。但是,我们的疑问在这摆着:这些磁场是从哪里来的呢?




嘿嘿,我们很早以前就知道了电和磁力其实是一回事,就像质量和能量抑或时间和空间(这个本人不赞同)是一回事一样,它们可以彼此之间相互转换。




其实,磁场就是带电的物体移动时产生的电场所转化过来的。




这就解释了为什么当电流通过这条电线时,这个针会转动:




这也解释了地球外核中电流产生了地球的磁场:





但是磁棒或者指南针只不过是不带电的金属块而已呀。这有怎么解释呢?



是吗?从微观上看,大量的电子穿梭在任何固体的原子和分子中。




所以这就引出了一个很棒的观点:任何日常物体的带磁现象都感受到了来自以下几方面作用力的合力的有趣影响——从粒子到原子,到原子的集合,再到这些集合组成的集合:




首先,单独的粒子:




与重力和电力的日常工作原理不同,永磁只能通过量子力学效应来理解。




就像各类粒子,如电子和夸克,有固有的属性,如质量和电荷一样,大部分粒子还有另一种固有属性,叫做“微型磁铁”。哈哈,开玩笑的,应该叫做“固有磁矩”。




但这只不过是烦人的专业术语,究其本质,其实就是带电的粒子都是微型的磁铁:




如果你想知道为什么它们都是微型的磁铁,你就得先知道为什么粒子本身会带电,或为什么带有能量或动量的物体在重力的作用下能相互吸引?没人知道答案,我们只知道这就是宇宙运行的方式而已。




而且,从上世纪20年代开始,我们就认识到了单个的电子或者质子大体上就是一个微型的磁铁:




说到这,我们就来谈谈原子:




原子是由带正电的质子和负电的电子组成,电子绕着质子转:




而质子的磁力比电子的磁力要弱1000倍左右,因此原子核的磁力对原子整体的磁力几乎没有影响:




所以你会像既然很多(并不是全部)的电子都在移动,就像电线中的电流一样,这些电子也会产生磁场。事实也如此,这些磁场称为“轨道磁场”。




但是这些“磁场"通常对整个原子的磁场几乎没有太大影响,原因如下:




量子力学中对原子中的电子做出的精确而又复杂:




但简单来说,电子以电子产层的形式集中在原子核的周围




因为在完整的电子层中的电子朝着各个方向,所以它们产生的电流互相抵消,因此没有产生任何的磁场。这些电子以两个一对的形式存在,它们的微型磁铁所指的方向正好相反,因此也相互抵消:




然而,在不完整的电子层中,所有的电子并不是以两个一对的方式出现,



它们的微型磁铁所指的方向相同,而且磁力会叠加起来,因此外层电子的微秒磁性为原子提供了大量的磁场:





周期表中那一大块元素中比较靠边上的原子都有完整的(或接近完整的)电子层,因此这些原子没有太大的磁性。而靠中间的原子的外部电子层不完整,因此它们有磁场。这些原子包括:镍、钴、铁、锰和铬等等。




稍等片刻,但是铬木有磁性啊!




额,仅仅因为原子带磁场,并不代表由这些原子组成的材料也会带磁场。




讲到这,我们就得说说晶体了。




带磁的原子合起来组成固体时,一般来说有两种可能性。一种可能是所有原子的所有磁场都朝向一个方向,另一种可能是它们的磁场以一南一北的方式出现,因此它们的磁场相互抵消。而对于原子,哪种情况耗能少,它们就会以哪种形式出现:




所以铬原子带有很强的磁场,但是固体铬却没有磁场。而且它们是已知的最不具铁磁性的材料之一。




而铁,从名字可以看出是具有铁磁性的,这单不出所料。通俗点讲,就是铁带有磁性。




但不总是这样的。




关于磁性,最有要将的一个阶段叫做磁畴。




本质上说,就算是带有磁性的材料,哪怕原子的磁场都排成一列,也有可能出现以下情况:材料中的一块区域的原子列成一对朝一个方向,而另一个区域的原子则朝另外的方向。




如果这些区域的大小相当的话,没有一个区域有足够的磁力迫使其它的区域的磁力和它朝同一个方向,因此,譬如一块铁块就可能没有任何磁力,因为其中的不同区域的磁场相互抵触。




但是,你给祂施加一个外部磁场:




你就能使其中一个区域的磁力强到能促使旁边区域的磁力朝同一个方向:




最终所有领域的磁场都会朝同一个方向。




现在你就可以用铁拳掌控天下了······我是说用磁铁。




一点都没错,奇妙之处就在于从本质上说磁性是量子属性




被放大到日常物体的大小的结果。每块永磁铁都提醒着我们:宇宙是建立在量子力学的基础上的。




要使任何物体带磁,该物体的所有区域的磁场必须统一起来:




这就需要每块区域中上千亿的带磁原子的磁场也统一起来:




而这些原子只有在一种情况下能带磁:它们的外部电子层不能充满,这样它们固有的磁场才能统一并不相互抵消。




毫无疑问,这些要求非常难以满足:




也是为什么只有为数不多的材料适合做成磁铁:




或者你也可以给任何导体通上电,使其产生磁场。




-END-



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