金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力?

魅力科学君 2022-10-29 00:48:30

磁铁会吸引铁,这是一种众所周知的现象,相信大家都曾经尝试过用磁铁去接近其他的金属,看看磁铁能不能对其产生吸引力,然而“实验结果”往往是令人失望的,因为金、银、铜这些常见的金属,根本就不会被磁铁吸引。

金银铜铁都是金属,为什么磁铁只会对铁产生吸引力呢?这需要从原子的内部构造讲起。

我们知道,原子是由原子核以及电子构成,其中原子核带正电,并且存在着自旋,而电子带负电,并且电子在自旋的同时还会在原子核外的空间中运动,根据麦克斯韦方程,变化的电场会产生磁场,因此原子核和电子就会产生微小的磁场。

相对而言,电子产生的磁场强度比原子核高得多,一般都可以达到1000倍,因此一个原子能不能在整体上表现出磁性,其实取决于原子内部的电子所产生的磁场在叠加之后的效果。

在原子的内部,电子的排布是非常有规律的,我们可以将其简单地理解为,原子核外存在着若干个“壳层”,越接近原子核的“壳层”,其能级就越低,而电子总是会趋向于填充能级更低的“壳层”。

每一个“壳层”都只能容纳特定数量的电子,所以当最低能级的“壳层”填满之后,其余的电子就会去填充其外侧的“壳层”,如果这一层也填满了,其余的电子就只能去填充更外侧的“壳层”……

根据量子力学的描述,在填满电子的“壳层”之中,电子总是会成对地排布,但由于“泡利不相容原理”的限制,它们不被允许处于完全相同的状态,在这种情况下,它们所产生的磁场方向就是相反的,其叠加效果就是“互相抵消”。

因此可以说,如果一个原子想要在整体上表现出磁性,其最外面的“壳层”就不能是满电子状态,而在已知的众多元素中,只有一部分才能满足这个条件,比如说元素周期表中的“过渡元素”(transition elements)。

可以看到,金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)等金属元素与铁(Fe)一样都是“过渡元素”,那为什么偏偏只有铁会被磁铁吸引呢?我们接着看。

当铁原子形成晶体的时候,相邻铁原子的电子之间会存在着一种被称为“交换交互作用”(exchange interaction)的特殊量子效应,其产生的效果就是:使相邻铁原子的磁场方向按照大致相同的方向排列。

由于这种量子效应只能使原子磁场的方向“大致相同”,因此如果铁原子的数量太多,它们就只能形成一小块一小块的“原子磁场方向基本一致”的区域,这种区域就被称为“磁畴”(Magnetic Domain)。

实际上,常见的铁质物品都是属于“原子数量太多”这样的情况,毕竟铁原子实在是太小了(区区1立方厘米的铁块里包含的铁原子数量就有大约8.5 x 10^22个),所以我们可以简单地认为,常见的铁质物品中其实包含了大量的“磁畴”。

在绝大多数情况下,大量的“磁畴”聚集起来,各个“磁畴”的磁场方向在整体上并不能保持一致,于是它们的叠加效果就会“互相抵消”,所以常见的铁质物品通常也不会表现出磁性。

但“磁畴”有一个重要的特点,那就是它们的磁场方向很容易受到外界磁场影响,因此在铁质物品接近磁铁的时候,其内部的众多“磁畴”的磁场方向就会因为受到磁铁磁场的影响而变得“整齐划一”,进而在宏观层面上表现出磁性,这也被称为“磁化”。

在被“磁化”之后,铁质物品和磁铁之间就会发生电磁相互作用,并因此而相互吸引,于是就出现了“铁会被磁铁吸引”这种现象。

除了铁、镍、钴等极少数元素之外,其他的绝大部分“过渡元素”(包括金、银、铜在内)在形成晶体的时候,都不会存在“交换交互作用”这种量子效应,因此在这些元素构成的金属之中,各个原子磁场的方向都是杂乱无章的,于是这些原子磁场的叠加效果就出现了“互相抵消”,从而在宏观层面上不表现出磁性,也就不会被磁铁吸引了。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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28 阅读:11780
评论列表
  • abcde 13
    2022-10-30 20:59

    因为只有磁铁,没有什么磁金、磁银、磁铜、磁铝等等

  • 2022-10-29 20:56

    想知道一个问题,是不是所有原子核都是相同的物质,所有的电子也都是性质相同的,是不是所有的物质之所以性质不同,只是因为它们原子核与电子搭配的结构不同?

    前高 回复:
    你这个问题好回答,原子的不同主要是原子核里面的质子和中子数量多少决定的,电子差不多都一样
    思尘 回复:
    问得好,我也想知道,如果可以人为的排列是不是可以得到自己想要的的东西
  • 2022-11-04 15:46

    铜线绕成线圈,通电后也会产生磁场。PN结能产生热能,不知怎么理解。

    2-20个字符 回复:
    改变的是空间性质
    老姜 回复:
    大型电机没有磁石,靠电流产生磁场。励磁。
  • 2022-11-05 07:06

    只要磁力无上限,能把人体的细胞分解,别拿仅存的知识忽悠人了,了解一下宇宙的磁星

    用户46xxx97 回复:
    我觉得这个作者的科学素养还是可以的,基本上都说对了,从量子自旋到磁畴,描述的很清楚。至于你说的天文级别的能量,除了是对的外,也是人们难以触及的物体,最强磁星当属中子星,仅靠自身的旋转(让南北极磁场在空间方向上发生变化),就能产生宇宙最强光线——伽玛射线(γ射线),任何物体都无法保持完好无损地靠近它,接近就意味着陨灭,所以接近生活应用的科学更符合目前的发展,磁铁只能对铁、钴、镍等少数金属发生吸引作用,这是对的也是可以被应用的。
  • 2022-11-07 23:54

    原子为什么会不停的自旋?发电机内的磁铁为什么非要铜线做绕组?

    37652618 回复:
    因为铜电阻率很小,只比银略大,但比银便宜得多。电阻小,线圈发热就少,损耗也少。高中物理再好好温习一下吧
    七八戒 回复:
    为啥要绕组
  • 2022-12-09 12:28

    玉皇大帝:切,劳资随便设置的,劳资想吸什么就吸什么

  • 2024-03-13 08:34

    不一定咯。大型交流线圈的电动磁吸触头是紫铜镀银,线圈是铜线,芯片大多数是硅钢片,部份是铸铁,有些是氧化铝。老纳在胶厂时经常拆的大型交流接触器都是硅钢片。[哭笑不得][哭笑不得][哭笑不得]

    韦荣鹄 回复:
    说得自己很有水平一样[捂脸哭][捂脸哭][捂脸哭]电磁铁你又见过几多?以为断电后,线圈硅钢芯就不一定有磁性?,知不知道电磁铁有剩磁?!不知就收皮啦。
    韦荣鹄 回复:
    不如道剩磁就去大型变电站,或者大型发电厂了解一下主回路断路器开关的硅钢芯。看看断电后是不是还有剩磁。自己没接触过,就别乱吠。老纳第一分工就是柴油发电机,几万千瓦的机组。第二份工就是电修。然后才是发电工。[捂脸哭][捂脸哭][捂脸哭]难道我乱说的?
  • 2022-11-03 17:27

    化学课给过结论:同族元素具有相似化学特性!铁铷……可以有磁性!

    ㄌㄞ 回复:
    磁性不是物理性质?
  • 2022-11-20 07:23

    磁力不够,你试试宇宙的磁星,如果靠近,细胞都要给你吸分解了

  • 2022-12-05 20:32

    因为铁没有自我立场,容易被吸引诱惑。

  • 2022-10-29 21:01

    铁原子核外电子排布是2,8,14,2亚铁离子核外电子排布是2,8,14(浅绿色)铁离子核外电子排布是2,8,13(半满结构,黄色)铜原子核外电子排布是2,8,18,1亚铜离子核外电子排布是2,8,18(全满结构,无色)铜离子核外电子排布是2,8,17(蓝色)铝原子核外电子排布是2,8,3亚铝离子核外电子排布是2,8,2(全满结构)铝离子核外电子排布是2,8(全空结构)

  • 2022-11-05 08:02

    谁说金、铜、银没有磁力,电与磁是相通性的,万物都有磁力,只是磁性值强与弱之分

  • 2022-10-29 20:55

    怎么铜、铝没有磁性!验了吗?

  • 2022-10-29 21:38

    这个问题 本身问题 什么问题 就是自己怎么出来的,怎么又这样的能量,,那么,磁铁,是不是你们搞出来,搞上去磁铁,吸引力 那么宇宙的一切能量,又是怎么来的 我们还是这一切问题搞清楚,读明白出来, 来龙去脉,是怎么出来的,怎么产生,,回到宇宙万物,我告诉你们生宇宙万物 生无,天生无,万物 生万物,生是什么,,

    Silence 回复:
    这是小学语文不及格吗,乱七八糟的[笑着哭]
    哟吼 回复:
    老铁省的果然脑子都生锈
  • 2022-10-30 20:30

    说了是磁铁 又不是磁金磁银 当然只有铁被吸引

    suzaku 回复:
    其实都有吸引力。
    天涯于无声处 回复:
    还可以叫磁镍,此钴
  • 2022-11-03 22:57

    铁钴镍都可以吸

  • 2022-11-06 19:43

    基本属性都是上帝安排的

  • 2022-11-11 08:17

    把问题推到“交换交互作用”那里了。

  • 2022-11-14 22:17

    铁是恒星的死亡元素

  • 2022-12-08 08:16

    应该是磁力不够,任何事物都有临界态,引力大到一定程度光都不能逃逸

  • 2024-03-07 03:45

    衣服上有静电,就什么都吸,不管什么金属,是粉末就吸

  • 2024-03-25 12:08

    废话一堆。主要原因是磁铁也叫吸铁石而不叫吸金石或者吸铜石。

    长乐未央 回复:
    初中没毕业就不要在这丢人
  • 2022-11-06 14:58

    人家就叫磁铁,又不叫磁金磁银磁铜[呲牙笑]。

  • 2022-11-17 20:54

    据说地球内核大部分是铁元素,我们是不是可以造个老长的磁铁,把地球内核的铁吸一部分出来,这样就不用去买铁矿石了

  • 2022-11-26 22:59

    核聚变最终止于铁 稀土也是铁的一种 相吸可以有 不锈钢是因为加入了很多东西 铜以上的金属是来自超新星或宇宙大爆炸 超出想象的东西!

  • 铁加了镍铬等合金就不吸了,难道就不是铁了?说到底还不是金相结构问题,能被吸的铁的金相结构是奥氏体,其它的不能被吸!

    火星用户54xxxx88 回复:
    感觉你说反了,304是奥氏体,不吸,吸的是马氏体不锈钢吧
  • 2022-12-11 20:45

    镍:你看不起我?

  • 2022-12-15 10:13

    钴和镍也能被磁铁吸

  • 2024-03-13 08:36

    发电厂的断路器的芯片也是硅钢片。

  • 2024-03-12 19:34

    因为磁铁[得瑟]

  • 2024-03-16 10:52

    我的金条吸铁石也能吸

  • 2022-10-31 11:53

    学习了

  • 2022-10-31 15:03

    磁铁对任何金属都是有吸引力的。只是对杂乱磁场的引力表现我们用肉眼看不见而已。

  • 2022-12-14 14:23

    大家都是人你为什么这么……!

  • 2022-12-16 23:40

    因为爱过?[笑着哭]

  • 2022-12-20 12:46

    拿磁铁当然吸铁啊,你可以拿磁金,磁银,磁铜,磁耙,吸耙耙。

  • 2024-03-13 08:59

    铸铁本身不会被磁铁吸引的,但造成交流接触器的芯片就不同了。[捂脸哭][捂脸哭][捂脸哭]硅钢可被磁铁吸引哦。2%-5%的硅与钢合成硅钢。这是两种元素了。别老是说铁呀。

  • 2022-11-05 13:13

    因为叫磁铁

  • 2022-11-07 11:56

    因为铁是雄磁铁是雌,所以异性相吸。

  • 2022-11-08 00:45

    引力再大,吸劲再猛烈,不论液体固体气体,抛出去的东西都狠狠摔在地上,地心成分是个什么元素谁都说不好。

    用户18xxx87 回复:
    那是引力作用,不是磁吸力!
  • 2022-11-20 01:28

    听说银金条可以吸的

  • 2022-11-29 11:14

    为什么所有物质都给地球吸住?[得瑟]

  • 2024-03-12 21:56

    并不是,你手上戴着的金戒指也能吸住

  • 2024-03-20 14:00

    哪怎么解释晶体结构?同样是铁,面心立方无磁铁,体心立方有磁性。

  • 2024-03-20 22:13

    因为磁铁叫吸铁石啊[呲牙笑]

  • 2024-04-03 14:43

    因为那是磁铁,而不是磁金磁银磁铜,

  • 2024-04-03 23:19

    所以呢叫磁铁,咋不叫磁铜磁铝磁金属,磁铁就是磁铁,

  • 2022-10-30 22:48

    吸星大法好像啥都能吸,麻烦讲下原理[呲牙笑]

  • 2022-10-29 23:13

    ???

  • 2022-11-07 10:23

    为什么铜之类不出现这种交互作用而铁出现?

  • 2022-11-16 14:28

    当发现磁金、磁银、磁铜的物质后,就象磁铁一样了。[笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭]

  • 2024-02-26 07:05

    磁和铁原来是夫妻,因犯了天条被玉帝拆散了。所以它们时时不忘当年的如胶似漆。

  • 2024-03-01 05:31

    你猜它为什么叫磁铁?

  • 2024-03-03 01:13

    真是让人一脸懵逼啊…简单的说:物质本身都会运动,所有现象都是物质运动产生的。物质的运动不需要外力,但外力能改变物质的运动状态。我们在飞驰的高铁上跳一下还会落到原处。因为我们本身跟高铁是一个速度。电子围绕原子核旋转也是这个道理。

  • 2024-03-13 11:11

    不然为啥叫磁铁?

  • 2024-03-13 21:18

    所以是吸铁石🤣不是吸金石

魅力科学君

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