吸鐵石(磁鐵)能輕松吸起鐵釘、回形針,孩子們玩得不亦樂乎,但試試銅幣或鋁罐,卻一點反應都沒有。為什么只有“吸鐵石”,卻沒有“吸銅石”或“吸鋁石”?
吸鐵石的魔力源于磁性,磁鐵(通常由鐵、鎳、鈷等制成)產生磁場,能吸引某些金屬,磁場由材料中電子的自旋和軌道運動產生,尤其在鐵磁性物質(如鐵)中,電子自旋整齊排列,形成微小“磁疇”,像無數小磁鐵,共同制造強大磁場。
根據2023年《American Journal of Physics》解釋,磁鐵吸引物體的條件是被吸引的物質需具有鐵磁性,能被磁化并與磁場強烈相互作用,鐵、鎳、鈷的磁疇易被外部磁場重新排列,產生吸引力,鐵是典型的鐵磁性金屬,磁鐵靠近時,鐵原子內的磁疇迅速對齊,被“吸”過去。
銅和鋁不被磁鐵吸引,因它們缺乏鐵磁性,銅和鋁是順磁性物質,電子自旋無序,僅在強磁場下產生微弱磁化,效果遠不如鐵,2024年,麻省理工學院(MIT)材料科學實驗顯示,銅和鋁的磁化強度僅為鐵的百萬分之一,磁鐵的吸引力幾乎可忽略。
銅和鋁的原子結構不形成磁疇,無法被磁場“翻轉”或對齊,銅和鋁是良好的導體,在變化磁場(如磁鐵快速移動)中會產生渦電流,生成反向磁場,略微排斥磁鐵(倫茨定律),這在電磁爐中常見,但日常磁鐵的靜態磁場不足以引發明顯效應。
理論上,磁鐵只能吸引鐵磁性物質,無法專門吸引銅或鋁。要“吸銅”或“吸鋁”,需其他機制,用電磁鐵產生強變化磁場,誘導銅或鋁中的渦電流,制造暫時的吸引力,但這不實用,且對所有導體有效,非專屬“吸銅”。
超導體(如液氮冷卻的釔鋇銅氧化物)可懸浮在磁場中(邁斯納效應),但這不是“吸”而是“浮”,且銅鋁本身無此特性,2024年《Nature Materials》報道,科學家研發出含銅的磁性合金(如CuFeS2),但其磁性仍來自鐵,銅本身不貢獻磁力。
磁鐵在中國文化中早有記載,《管子》提到“慈石”(磁石)能“引鐵”,戰國時期用于指南針雛形“司南”,《夢溪筆談》記載,沈括研究磁偏角,奠定了導航基礎,西方文化中,磁鐵也充滿神秘。古希臘哲學家泰勒斯認為磁石有“靈魂”,能吸引鐵,19世紀,法拉第發現電磁感應,揭示了銅鋁在動態磁場中的反應,奠定了現代電磁學。
磁鐵只吸鐵類金屬的特性,催生了無數應用,磁選機從礦石中分離鐵,銅鋁則留在原地,銅線圈在磁場中運動發電,鋁用于輕量化外殼,MRI(核磁共振)用強磁場成像,銅鋁部件確保設備穩定,
2024年,中國高鐵磁懸浮列車(600公里/小時)用超強磁鐵(釹鐵硼)實現懸浮,銅鋁則用于導電和散熱,2023年,中國科學院制造出45特斯拉的穩態磁場,吸力可“拉起”萬噸航母,但仍不吸銅鋁!
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