磁性探秘｜同样是金属为何只有磁铁？却没有磁铜和磁铝？

为了弄明白这个问题，我们先来理解一下，与磁干系的知识。

电磁同源：人类对电磁征象的认识进程

早在几千年前，人类就创造了天然磁铁，并对磁铁的磁性有了一定认识，创造能够利用磁铁指示方向，我国古人还制成了天下上第一个指南仪——司南。

几千年前的古埃及人就知道尼罗河中有一种会放电的鱼。
在此之后，人类还创造摩擦会产生静电，古希腊学者泰勒斯、亚里士多德还对此进行了研究。

人类虽然很早就创造了与电、磁干系的征象，并对它们有了一定的认识，但并不知道它们之间存在联系。

韶光来到了18世纪，1752年美国物理学家本杰明富兰克林通过鹞子实验统一了天电与地电，还顺便发明了避雷针，并提出了电荷守恒定律。
可惜的是，1753年俄国电学家利赫曼为了重复这个实验，不幸被雷劈去世。

1820年，奥斯特意外创造电流能够偏转指南针的方向，这表明电流具有磁效应；1831年，法拉第与亨利创造变革的磁场能够使导线中产生感应电流，电磁感应征象的创造将电和磁统一了起来。
麦克斯韦站在巨人的肩上，对电磁学加以整理，提出了麦克斯韦方程组，并预言了电磁波的存在，揭示了光也是电磁波。
此后，赫兹通过实验证明了电磁波的存在。

上图麦克斯韦

磁和电是同源的，电和磁每每是同时存在的。
不过电和磁并不完备对称，电荷存在两种——正电荷和负电荷，却并没有创造磁单极子。

发电机和电动机的发明使人类进入了电力时期，为信息时期的到来铺平了道路。
人类虽然认识到电和磁在实质上是一样的，但要想深刻理解电磁征象背后的运作机理，传统的经典力学显然不足用了。

磁是如何产生的？

由于物质都是由原子构成的，要想对磁性的实质做一个深入的理解，就必须要从物质的微不雅观构造提及。
既然进入了微不雅观天下，那么就一定要涉及到量子力学。

1897年，汤姆逊在研究阴极射线的时候创造了电子，正式揭开了电磁实质的研究。
原子核中的质子带正电，核外电子带负电，同性相斥，异性相吸，电子便是因此才与原子核结合在一起的。
由于它们的数量是对称的，于是全体原子保持电中性。
当原子失落去或者得到电子之后，就会转变为带电的原子，称之为离子。

质子和电子都带有一个单位的基本电荷（元电荷）。
粒子只要带有电荷，周围就会存在电场。
库仑创造，两个带电粒子之间的浸染力与间隔的平方成反比关系，这便是关于静电力的库仑定律，与万有引力定律很相似。

磁铁周围存在磁场，那么电场是如何变为磁场的呢？统统都源于物体内部的微不雅观粒子运动。

实在，像电子、质子这样的微不雅观粒子都存在一种叫做自旋的内禀性子（类似于自转），自旋是由粒子的内禀角动量引起的。
带电粒子因自旋而产生磁场。
此外，电子还在绕着原子核运动，同样也会产生磁场。
类似的，比如地球内部拥有铁质核心，由于地球在自转，于是地球便拥有了磁场。

为了描述磁性，我们引入了磁矩的观点，磁矩大家可以大略理解为带有磁性的基本单元。
电子的磁矩分为自旋磁矩与轨道磁矩。
原子核内部的质子和中子可以看作一个整体，因此原子核也被认为拥有自旋，那么原子核就存在自旋磁矩。
由于原子核的运动速率较慢，因此原子核的磁矩不到电子磁矩的千分之一，可以忽略。
那么决定原子磁矩的便是核外电子。
当原子构成物质时，核外电子的运动轨道会受到限定，使其不能构成一个整体，对外便不显示磁性。
可见，终极决定原子磁矩的还是电子的自旋磁矩。

这里有必要提一下，质子和质子都是由三个带有分子电荷的夸克构成的，一样平常而言中子不带电，不过中子也存在非常微弱的磁矩。
实际上，中子和质子可以相互转换。

既然原子的磁性与电子有关，那么一个原子是否对外显示磁性，就由它的原子构造来决定了，详细的有点繁芜，就不多说了。
研究显示，只有特定构造的原子才对外显示磁性。
而且当这些磁性原子构成物质时，磁矩并不是按照一定方向规规矩矩排列的，而是犬牙相制，终极在磁矩的相互叠加下，磁性便抵消散落了。
经由层层筛选，自然界中就只有铁、钴、镍等金属具有天然磁性了。

为什么磁铁具有磁性？

众所周知，自然界中绝大多数物质都是没有磁性的，并且也很难被磁化，只有少数金属和金属化合物可以被磁化。
磁铁具有天然的磁性，可当铜、铝等金属通电后又会产生磁性，这是为什么呢？

这里先容一下磁铁，广义上的磁铁分为永磁和软磁，天然磁铁就属于永磁，常温下磁性并不会消逝；而电磁铁则属于软磁，去掉电流后磁性就会逐步消逝。
把稳，磁铁并不一定就含有铁，还可能是其它身分。
常日我们所说的磁铁是指永磁。

如图所示，一个大略的电磁铁。

前面已经说过了，既然是磁铁，就一定存在磁性原子。
实在磁铁中还可以分成许多眇小的带有磁矩的区域，这被称之为磁畴。
磁铁中的磁畴沿一个方向分布，于是全体磁铁便对外显示磁性。
常日物体内的磁畴分布是随意的，磁场相互抵消，只有在外加磁场的浸染下方向趋于同等，才会对外显示磁性，这一过程便是磁化。

铜和铝为什么没有磁性？

那是由于铜属于抗磁性物质，铜原子的磁矩为0，纵然外加强磁场，也很难将其磁化。
不过当铜通上电流后，铜内部的自由电子在外加电场的浸染下定向移动，于是便形成了磁场，铝通电后产生磁场也是这个缘故原由。
铝与铜又略有不同，铝属于顺磁性物质，在外加磁场下显示微弱的磁性，不过一样平常也认为它没有磁性、不能被磁化。

不管是顺磁还是抗磁，它们的磁化率都很低，常日都认为是不可磁化的，因此便没有磁铜、磁铝一说。
而像铁钴镍这一类的铁磁性物质，由于其内部具有磁畴，施加一定强度的磁场，便会被永久磁化。
不过铁磁性物质也只有在一定温度范围才存在磁性，当你把磁铁加热到一定温度时，原子的热运动变得剧烈，磁铁的磁性便会消逝。

上图为不同材质内的磁矩分布示意图

结语

综上所述，从微不雅观角度来看，所有物质内部都存在磁场，只是受物质的构造影响，大多数物质的内部磁场被抵消，宏不雅观上对外不显磁性，或者磁性非常弱。

希望通过上面的先容，大家能够明白：为什么铁等少数物质能够拥有磁性，而铜、铝等物质却没有磁性。
关于磁性的内容很繁芜，我这里只是大略科普一下，有须要的请看专业书本。

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