什么是磁性,磁铁是如何工作的

磁性的起源,磁性起源于两种类型的运动:

1. 原子中电子的运动,电子在原子核周围的轨道,类似于太阳系中行星的运动围绕太阳。

2.另一个是电子的自旋绕着它的轴, 类似于地球绕自己的轴旋转。轨道运动和自旋运动分别给每个电子传递一个磁矩,使每个电子都像一个小磁铁一样运动。

磁性

磁矩是由磁体在垂直于磁轴的单位强度磁场中所受的旋转力定义的。在很大一部分元素中,电子的磁矩由于泡利不相容原理而抵消,该原理指出,每个电子轨道只能被两个自旋相反的电子占据。

然而,许多所谓的过渡金属原子,如铁、钴和镍,具有不能抵消的磁矩; 因此,这些元素是磁性材料的常见例子。在这些过渡金属元素中,磁矩只来自电子的自旋。

在稀土元素(元素周期表第6行以镧开头)中,电子的轨道运动的影响没有被抵消,因此自旋和轨道运动都对磁矩有贡献。一些磁性稀土元素的例子有:铈、钕、钐和铕。除了过渡金属和合金和稀土元素,也观察到这些元素的各种各样的化合物涉及磁矩。在常见的磁性化合物中有金属氧化物。

磁铁如何工作

物理学家对磁体的作用有一些了解。然而,一些潜藏在磁力之下的现象仍然无法得到科学的解释。磁铁到底是如何工作的?

像条形磁铁中观察到的那种大规模磁场,是由构成原子的带电粒子自然辐射出的磁场产生的。通常,在任何物质的样本中,电子的磁场指向不同的方向,相互抵消。当磁场都朝同一方向排列时,就像磁性金属一样,物体就会产生一个净磁场。每个电子都会产生一个磁场,但只有当它们都在一起时才会产生一个净磁场。否则,人体中的电子会导致每个人经过冰箱时都粘在冰箱上。

目前,物理学有两种解释来解释为什么磁场方向一致: 一种是来自经典物理学的大尺度理论,另一种是被称为量子力学的小尺度理论。

根据经典理论,磁场是围绕在磁粒子周围的能量云,它吸引或推开其他磁性物体。但在量子力学的观点中,电子发射出不可探测的虚粒子,告诉其它物体远离或靠近。

尽管这两个理论帮助科学家理解磁体在几乎所有情况下的行为,但磁性的两个重要方面仍然没有得到解释: 为什么磁体总是有一个北极和一个南极,以及为什么粒子首先会发射磁场。

我们只是观察到,当你让一个带电粒子运动时,它会产生磁场和两极。我们真的不知道为什么。它只是宇宙的一个特征,而数学解释只是试图通过大自然来得到答案。

应用

我们看到周围到处都是磁铁;冰箱贴纸、磁性螺丝、磁头、磁性玩板、别针架等。大规模的应用包括用于在工业和废料场搬运废金属的起重机。几个世纪以来,磁罗盘一直被旅行者用来导航。想知道它是如何被发现的吗。

磁铁的历史:

根据希腊传说,磁力首先是由一个名叫梅格涅斯的牧羊人发现的,他住在希腊的梅格涅斯尼亚。梅格尼斯在山上放羊。突然,他注意到他的手杖和凉鞋上的钉子都卡在了一块石头上。他的棍子和钉子里的铁都被磁性岩石吸引住了。这种石头被命名为磁铁矿,以牧羊人的名字或发现它的地方命名。由于其诱人的特性,它也被称为磁石。

磁铁矿是三种天然的铁氧化物之一。它会被磁铁吸引,很容易被磁化,形成永磁体。天然磁化的磁铁矿块被称为磁石。

古埃及人开始使用磁铁来玩把戏,通过适当的磁铁位置使崇拜的物体漂浮在半空中。传说,中国的皇帝用磁石建造大门,用磁铁来拯救他的宫殿。金属外壳被磁门吸引,阻止他们进一步移动。

科学家威廉·吉尔伯特(William Gilbert)在他的《磁铁》(De Magnete, 1600)一书中提到了用钢人工制造磁铁的技术。

他用了三种技术使钢永久磁化:用磁石沿特定方向从一端到另一端摩擦钢针在强磁力下高温锻造粉铁。

让炽热的铁棒在地球磁场中冷却20年。该方法仅具有理论依据,未用于研究目的。

1820年,汉斯·克里斯蒂安·奥斯特德(Hans Christian Orsted)发现了电磁学的概念。他观察到,当给他的装置供电的电池的电流开关时,指南针的指针会偏离磁北。