磁铁吸东西的原理是什么?
磁铁为什么能吸引铁?
什么是磁铁?
磁铁是永磁体中具有铁磁性或亚铁磁性的磁体的通俗说法。至于什么是铁磁性和亚铁磁性鉴于此文是科普文就不用深入展开了,大家只用知道这是对物质磁性的一种分类,而具有铁磁性(比如铁)或亚铁磁性的物质与其他物质(比如木头,铜等)不一样。我们在这里着重介绍一下为什么具有铁磁性的物质有“磁力”。
铁磁性原理可由量子力学中自旋和泡利不相容原理成功预测,在此我尽量用通俗的语言表达,如果读者想深入了解请自行查阅相关文献。
由于晶体中电子的自旋,形成磁场。大多数物质中由于磁场方向相互抵消而不形成宏观的表现。但是在铁磁性物质中,由于一种称为交换交互作用(exchange interaction)的特殊量子效应,会导致临近电子的自旋趋于指向同一方向,又因为泡利不相容原理,物质中无数小区域中的磁矩会有相同方向,这种小区域称为磁畴。但是在长距离上磁矩依旧不一致,宏观物质保持无磁性或微磁性。
说了这么久还没有说到磁体的磁性从何而来。由于铁磁性物质的特殊性质,在受到外磁场激励后会发生磁化现象与磁滞现象,当外磁场为0后仍有剩余磁感强度,一块永磁体就产生了。
为什么异级相吸,同级相斥?
在这里我们先引入磁偶极子的概念。
磁偶极子是类比电偶极子而建立的物理模型。具有等值异号的两个点磁荷构成的系统称为磁偶极子。但由于没有发现单独存在的磁单极子,因此磁偶极子的物理模型不是两个磁单极子,而是一段封闭回路电流(与形状无关)。磁偶极子模型能够很好地描述小尺度闭合电路元产生的磁场分布。
现引入磁偶极矩定义:
磁偶极矩(magnetic dipole moment)是矢量,方向由负磁荷指向正磁荷。与“电偶极矩”相对应。历史上,人们最早认为天然磁体(或人造磁铁)是由无数小的磁偶极子组成,每一个小的磁偶极子由相距很近的等量正、负磁荷构成。
(产生磁矩的源头一般来说有两种,一种是像上文提到的电子,质子自旋产生的,一种是电荷的运动产生的。)对于任意回路,假设有恒定电流 ,则其磁偶极矩 为 :
;
其中 是积分曲面, 是微小面积元素。
好了,现在我们可以用我们用磁偶极子受到的磁力矩来描述磁力。
处于匀强磁场中的一个方形载流回路侧视图如图,假设载有电流 的一个方形线圈处于外磁场 。方形回路边长为 ,其中两条与 平行的边垂直于外磁场,另外两条边于磁场之间的夹角为 。
垂直于外磁场两边所受磁力矩为
另外两边所受磁力矩抵消。
注意到该回路磁偶极矩为 ;所以该回路的磁力矩为 。
由上可知由于 的方向不同,磁力具有同斥异吸的特点,当磁偶极矩与磁场的方向不同时,磁力矩大小也不同。
为什么磁铁能吸铁?
如果看懂了上面,这个问题的回答也是水到渠成的。由于永磁铁具有磁场,激发为铁磁质的铁块产生磁化现象产生磁场,磁场使磁铁和铁块各个微小的(假想)磁偶极子产生磁力矩,进而发生了吸引现象。