同学们,我们再把两个鸡蛋靠近放在一起,它们会自动吸引靠近而不分开吗?

都不会!

当你拿出的是两块磁铁,见证奇迹的时刻就不请自来了!无论多少次,它们都会自动靠近并吸引到一起。

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磁铁的相互吸引示意图

这到底是为什么呢?

电磁同源——麦克斯韦

我们先回答上面的问题,很简单,在磁性物体的四周,存在着肉眼难以看见的磁场。两块磁铁靠近后,能够互相吸引靠近,正是因为磁场的作用,使得物质可以奇迹般的长距离相互吸引。

那么真正的问题来了,磁场是从哪里来的呢?这个问题可不简单!

科学史上,有着流传已久的这么一个排名“一牛二爱三麦”。

其中,牛顿和爱因斯坦的大名,同学们听到基本就得跪了;而这个“三麦”,他就是同样鼎鼎大名的麦克斯韦。

麦克斯韦

麦克斯韦同学,全名是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。他是英国物理学家以及数学家,同时也是经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人。正是麦克斯韦以一人之力,把电和磁一举拿下,梳理得妥妥帖帖,完成了经典物理的第一次大统一。1873年出版的《论电和磁》,被世人尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。

简单的说,没有麦克斯韦,就没有电磁学,也就没有现代电工学,然后也就不太可能有现代文明,至于你现在这样悠闲的用手机看这篇文字,当然也不太可能了。

同学们膜拜完先贤后,暂时把崇敬的心情整理一下,我们继续科普。

有电就会有磁,如果没有,请加大电流

麦克斯韦最大的贡献就是告诉我们,磁和电的本质上是同一回事。正如爱因斯坦告诉我们,质量和能量,时间与空间之间也是一回事。这是物理学历史上第一次统一。电和磁之间,它们能够相互转换;实际上,磁场本质上是由电场转化来的。

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指南针示意图

在日常生活中,很多这种现象在带电物体开始运动时产生。举个简单的例子,我们把电线联通,闭合电路中流动的电子流,将会使靠近它的指南针自行转动——闭合电路的磁场诞生了。同样的,这个原理可以解释,我们现在身处的地球,正是由于地球外地核内的电流移动,而产生了地磁场。

地磁场示意图

所以,磁铜和磁铝有何难求?凡是能导电的金属,插上电源,让其导电,就可以拥有磁性。如果磁性不够强,请加大电流!

这就是电磁铁的由来。

微观粒子世界的电与磁

同学们看到这里,不禁还会提出一个疑问,磁棒或者指南针本身,在其中没有电流通过时,仅仅是一块金属,但它们同样拥有磁性;而金、银、铜等,也是金属啊,为什么就没见过它们自身天然带有磁性呢,这中间的奥秘到底是怎样的呢?

磁铁的磁效应

事实上,这个问题,已经超出了经典物理的范畴,我们要用到一些量子力学中的知识点了,不过同学们放心,本人承诺,绝不首先使用数学公式!

二十世纪二十年代,科学家们已经大体上知道电子和质子的存在了。从微观上看,大量的电子在组成物质的原子以及分子周围旋转,任何常见物体的磁性,都受各种效应组合的影响,这些效应源于微观粒子、原子以及原子团的集合。

首先,我们先把问题简单化一点,先来看单个的粒子。在量子力学效应中,像电子和夸克这样的粒子有质量和电荷等基本特性,而这些并不是磁性的来源。大多数微观粒子,存在有一种特性——“微磁”——也可以称之为“内禀磁矩”。

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微观电子示意图

一般科学界认为,带电粒子都拥有微磁性。回归到麦克斯韦的电磁统一理论,微观世界也遵守着这个规律。

元素周期表的秘密

在原子层面上,一个原子就是一群带正电荷的质子,质子周围有一群带负电的电子绕其旋转。电子和质子本身都具有“内禀磁矩”,也就是微磁。根据精确的测量,我们得知,质子的微磁比电子的微磁弱了近千倍,所以,原子核对于整个原子的磁性来说,几乎没有影响。要理清头绪,我们要把目光聚焦到电子身上。

大部分的物质,除了极少数的例外,本身许多电子也在运动,就像电线中的电流,那这种运动就应该会产生磁场,我们称之为“轨道”磁场。但这种磁场在原子磁场的形成中通常不起作用。

磁轨道示意图

原因如下,量子力学可以准确而复杂的描述原子中的电子。电子聚集在原子核周围的电子层中,任何满电子层内的电子,通常会均等的向各个方向运动,因此它们产生的电流相互抵消。而且,在满电子层结构中,电子将会成对出现,它们的微磁方向相反,也将相互抵消。简单的说,满电子层结构的原子,将不会向外表现出磁性。

在半满的电子层里,所有电子都不配对,它们的微磁场方向相同,并相互叠加;这揭示出一个深刻的奥秘——只有具备半满的外层电子层结构的元素,它们形成的原子才具有磁性

我们只要拿出元素周期表,就会惊喜的发现,原来一切都是安排好的!

磁性元素周期表,蓝色是反铁磁;黄色是铁磁;红色是顺磁;浅蓝是抗磁;只有铁磁在常温下表现出磁性。

元素周期表主族元素和过渡元素区的边缘附近,有全满(或几乎全满)的外电子层的原子,例如非金属元素、金、银、铜等等,它们几乎没什么磁性。

各分区中部位置的原子有半满的外层电子层,这些区域内的元素,比如镍、钴、铁、锰、铬等等。它们很可能有磁性。

所以说,物体具备天然磁性的基础,必须具备半满的外层电子层结构。

最后一个不能忽略的条件

有认真的同学在这时候会发现一个重大的问题,我们刚刚举的例子当中——具备原子磁性的铬——作为金属铬存在时,并没有磁性,而且,铬是已知的最反磁性的物质之一!

别慌,磁性作为自然界中奇迹般的存在,当然没有那么简单,查查元素周期表就全中了;实际上,一个原子有磁性,并不意味着,许多该种原子组成的物质也有磁性。

原子的排列是物质磁性的一个重要因素

这时候,我们又得转到晶体层面来分析问题了。当一群磁性原子组成固体时,通常有两种情况:

一、所有原子顺顺当当的,按照其磁场方向,同方向的排成一列;这时候,物质层面表现出磁性。

二、原子组合采用的是,按照磁场正负交替的顺序,犬牙交错的排成一列;这时候,磁性被相互抵消,物质层面表现出反磁性。

原子通常会选择二者中耗能少的方式,进行最后的结晶成型。而按照这个原则,经过层层筛选,具备天然磁性的幸运儿,在自然界中真不多,只有镍、钴、铁等寥寥几种而已。

结语

磁性是基本量子特性,放大到常见物体上,每个永磁体都暗示我们,量子力学是我们宇宙的基础。

微观粒子示意图

为了使物质有磁性,它必须有统一的磁域,而每个磁域由无数个磁性原子组成,磁性原子需要排成整齐的一列。而每个原子有磁性的前提是,原子有大约半满的外电子层,从而使其固有磁场能排成一列而不相互抵消。

在自然界中,这些标准很难同时达到,这也是为什么一般只有磁铁,而没有磁铜或者磁铝的原因。

但必要的时候,你可以选择给任何一个导电体通电,来产生磁场。

如果同学们还想进一步了解,电子为何自带电荷?以及自身微磁属性的本质?很遗憾,量子力学在这个层面上,目前是全瞎。我当然也没有答案了。