磁铁产生的力是看不见的,令人迷惑。你有没有想过磁铁是如何工作的?
磁铁是任何能够产生磁场的材料。因为任何移动的电荷都会产生磁场,所以电子是微小的磁铁。这种电流是磁性的来源之一。然而,大多数材料中的电子都是随机取向的,因此几乎没有净磁场。简单地说,磁铁中的电子倾向于以相同的方式定向。这在许多离子、原子和材料冷却时会自然发生,但在室温下并不常见。某些元素(如铁、钴和镍)在室温下具有铁磁性(可在磁场中被感应磁化)。对于这些元素,当价电子的磁矩对齐时,电势最低。许多其他元素是抗磁性的。抗磁材料中未配对的原子产生一个弱排斥磁铁的磁场。有些材料根本不与磁铁发生反应。
原子磁偶极子是磁源。在原子水平上,磁偶极子主要是电子两种运动的结果。电子绕原子核的轨道运动,产生轨道偶极磁矩。电子磁矩的另一个分量是自旋偶极子磁矩。然而,电子在原子核周围的运动并不是真正的轨道,自旋偶极子磁矩也不是与电子的实际“自旋”相关的。由于存在“奇数”电子时,电子磁矩不能完全抵消,因此未配对电子往往有助于材料具有磁性。
原子核中的质子和中子也有轨道和自旋角动量以及磁矩。核磁矩比电子磁矩弱得多,因为尽管不同粒子的角动量可以比较,但磁矩与质量成反比(电子的质量比质子或中子的质量小得多)。较弱的核磁矩负责核磁共振(NMR),用于磁共振成像(MRI)。
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