为什么只有少数的金属有磁性?

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12个答案
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莫俊宏超声波无损检测员

2013-11-01 09:54

回答这个问题,必须搞清以下几个概念。

我们根据物质磁化后对磁场的影响,可以把物质分为三类:a)使磁场减弱的物质称为抗磁性物质,b)使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质,c)使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质。

事实上,包括空气在内所有的物质都能被磁化,只是难度不一样而已。

为什么只有少数的金属有磁性?
楼主这个问题换成专业术语,可以等价于问:为什么只有少数金属是铁磁性的,而大部分金属是非铁磁性(即抗磁性和顺磁性)?

这个得从金属磁化的物理本质说起:
近代物理证明,构成物质的原子由原子核和电子所构成,每个电子都在作循轨和自旋运动,物质的磁性就是由于电子的这些运动产生的。

对于金属来说,金属是由点阵的离子和自由电子构成。在磁场的作用下电子运动会产生抗磁磁矩,与此同时,点阵的离子和自由电子会产生顺磁磁矩。

下面,我们分析下各种金属的磁特性。


1、金属的抗磁性和顺磁性(金属的非铁磁性)

金属中铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、鎘(Cd)、汞(Hg)等,它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性,因此是抗磁性物质。

在元素周期表中接近非金属的一些金属元素,如锑(Sb)、铋(Bi)、镓(Ga)与锡(Sn)等,它们的自由电子在原子价增加时逐步向共价结合过渡,而共价电子的磁矩互相抵消,因此表现出异常的抗磁性。

所有碱金属都是顺磁性物质,碱土金属(除“铍”外)也都是顺磁性的,这是由于它们的自由电子所产生的顺磁性占主导地位。

碱金属指元素周期表ⅠA族元素中所有的金属元素,包括锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr)六种。


碱土金属指元素周期表中Ⅱ A族元素,包括铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、镭(Ra)六种。


三价金属铝(Al)、硒(Se)、镧(La)也是顺磁性,它们的顺磁性主要是由自由电子或离子的顺磁性所决定。

稀土金属也是顺磁性,而且磁性较强,这是因为这些元素的原子4f层或5d层没有填满,存在着未能抵消的自旋磁矩所造成。

钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)等过渡族元素,它们的3d层未被填满,自旋磁矩未被抵消或而产生强烈的顺磁性。

2、金属的铁磁性
对于铁磁性金属来说,不大的外磁场便会使它强烈磁化,很容易被磁铁吸附。
铁磁性金属的原子磁矩主要来源于电子的自旋磁矩,即使在没有外磁场的条件下,就可以形成一个个小的“自发磁化区”,我们称之为“磁畴”。

正是由于在每个磁畴中原子的磁矩已完全排列起来,所以在一个不太强的外磁场,就可以产生一个很强的磁化强度,即楼主认为的“有磁性”。

为什么只有少数的金属有磁性?
重新回到问题的起点,金属的磁性是由其原子结构特性决定的,常温下,只有少数的金属可以形成自发磁化区——“磁畴”,所有只有少数金属有磁性。

至于铁磁性金属为什么会形成磁畴的原因,涉及量子力学理论:铁磁性物质内部相邻原子的电子之间有一种静电交换作用,正是这种静电交换作用迫使各原子的磁矩平行或者反向平行排列,使得一个小区域内的各个原子的磁矩按同一方向排列,最终形成自发磁化区域——磁畴。
铁磁性金属与非铁磁性金属的磁化机制有着很大差异,由于不能自发形成磁化区域,所以非铁磁性金属(常见的有镁、铝、铜、钛、奥氏体不锈钢)的磁性很弱,无法形成明显的SN两极。

参考资料:
《电磁无损检测》第二章电磁基本理论:物质的磁化
360百科:元素周期表

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冯.霍恩海姆纳米物理学博士生

2013-11-01 16:49

为什么有些材料(通常是金属材料)会显示出自发的磁性?这里讲的磁性(也就是楼主所说的磁性),乃是指铁磁材料内部自发产生磁场从而使这些材料能吸引铁等材料的宏观现象。

其实具有铁磁性的材料比日常生活中见到的能显现磁性的物质(如永磁铁)多得多,为什么只有少数材料能自发产生磁场呢?其实具有铁磁性的材料天生并不显磁性,使它们显现磁性的是“磁化”过程。这里就需要引入一个比铁磁材料(磁铁等)尺度更小的概念,磁畴。磁畴可以认为是天生就能显示出磁性的微小磁铁,通常尺寸在左右。铁磁材料就是由无数这种小磁铁组成,在没有被磁化之前磁畴的取向是杂乱无章的,这种情况能量是最低的,所以宏观上不显磁性。


图片均来自wiki

当铁磁材料放在外磁场中,就会发生磁化。在外磁场的作用下,各磁畴的大小发生变化,自发磁化方向和外磁场方向相同或近似相同的磁畴扩大,方向相反或近似相反的磁畴缩小,以致外磁场方向上的总磁矩跟着外磁场的增强而增加。这样原来平衡状态下总磁矩为零的铁磁材料这时候具有了宏观磁矩,这时虽然磁畴取向相同的排列并不是能量最低的情况,但当外磁场撤去后磁畴并不会立刻就恢复到平衡状态时的无序排列,而是会有一个迟滞时间,这就是铁磁材料的磁滞现象,可以用磁滞回线来描述。一个材料的磁滞回线越宽,它的矫顽力越强,也就是抵抗退磁的能力越强。而不同材料的矫顽力是不同的,这主要跟材料的晶体结构和缺陷有关,简单来说有的材料磁畴容易转回到初始的无序取向,有的则受到晶界等的阻碍。通常我们看到的永磁铁,都是矫顽力非常高的铁合金;而对于纯铁,虽然它是铁磁材料,但是磁化后很快就会失去自发磁性。


上面解释了为什么只有一些铁磁材料能保持自发的磁性,但磁畴本身的自发磁性是怎么来的呢?
组成物质的原子中的电子具有自旋(关于自旋这里就不再扯了,因为基本要把整个量子力学翻出来讲,这里我们就承认电子有自旋),这样每个电子就具有一个自旋磁矩。当电子填入原子轨道时,由于泡利不相容原理自旋相反的电子填充轨道导致自旋磁矩相互抵消,这样如果电子层有不成对电子就会产生净磁矩;另外对于金属来说,由于有自由电子的存在,洪特规则允许它们拥有净磁矩。

但原子磁矩是局域在晶体的晶格点阵上的,只能改变方向无法移动。所以当外加磁场后,原子磁矩会趋向于外加磁场方向,虽然整体上呈磁有序排列,呈现出磁性,但当外磁场撤去后由于原子磁矩之间相互作用非常微弱,无法抵消热运动的影响,因此磁性立刻消失,这就是材料的顺磁性。


但有些具有顺磁性的材料,微观磁矩之间的相互作用受到某种机制的保护,不会被热运动完全吹散,这个机制就是交换相关作用。对于两个临近原子最外层的不成对电子来说,它们趋向于以相同的自旋填入两个分散轨道,这样可以降低电子间的库伦排斥力,而库伦排斥力也趋向于使电子分布更分散。这个机制使得临近原子的最外层电子趋向于自旋磁矩一致的排列,这样在几千个原子的范围内产生了磁矩的有序排列,形成了磁畴。

另外还有一个居里温度(居里点)的概念,即铁磁材料材料在高于某个温度阈值(居里点)时会转变为顺磁性材料。主要是由于铁磁材料在高于居里温度后电子大量被激发到激发态,导致原先受到交换相关作用有序分布的自旋磁矩再次无序化(这其实是一个对称性增加的过程,能量升高带来的是对称性的增加,而能量降低则导致对称性破缺),磁畴从而消失,材料只具有微观的原子磁矩,转变为顺磁性材料。所以具有自发磁性的铁磁材料,例如永磁铁,在温度升高到一定程度后就会失去磁性,无法再吸铁了,电饭锅中就用到了这一原理。所以在室温下没有铁磁性的材料并不代表在任何温度下也都没有铁磁性。

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简单的说磁性先。

原子内的电子都在绕圈圈,一般来说,不同的电子绕的轨迹是随机的,并且会成双的相反方向绕,所以每个电子形成的磁场就抵消了。某些金属,原子中的电子门,并不相反方向绕,那么就每个电子形成的磁场就没有抵消,于是原子就有了磁场。

然后,上面说的第二类金属,如果每个原子的磁场方向相同,就是磁铁,如果每个原子的方向不同,但是外加磁场能是他们排好方向,那就具有感磁性,比如铁。

http://www.askamathematician.com/2010/05/q-what-causes-iron-nickel-and-cobalt-to-be-attracted-to-magnets-but-not-other-metals/

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裂章材料科学与工程本科在读

2013-11-01 22:17

补充二楼的自旋磁矩的理论:
原子总磁矩由电子轨道磁矩、电子自旋磁矩耦合而成。

1.电子轨道磁矩
根据电磁理论:电流,面积的闭合回路的磁矩为
根据玻尔模型,电子轨道磁矩为,角动量为
于是得:,其中,称为轨道旋磁比。

当然玻尔模型已经被淘汰了,准确的用波函数来计算的话,电子的角动量也是量子化的,不连续的

——狄拉克常数
——角量子数

于是得到:
——玻尔磁子,理论上最小的磁矩,一般作为单位使用。

如果将电子放在外磁场中,根据量子理论,轨道磁矩在外磁场方向投影为


——磁量子数,可以取,共个值

由于在内层能级中,轨道被填满,根据泡利不相容,电子自旋方向相反,总磁矩为0,因此只需考虑未填满的轨道。

2.电子自旋磁矩
电子自旋磁矩的计算公式为:
——表示自旋量子数,取

自旋磁矩在磁场中投影为:
——自旋角动量方向量子数
和轨道磁矩一样,计算总自旋磁矩时只考虑为填满的壳层。

3.原子总磁矩
一般磁性原子由原子内各电子轨道磁矩先组合成原子总的轨道磁矩,各电子的自旋磁矩组合成原子总的自旋磁矩
然后再耦合成原子的总磁矩,这种耦合称为LS耦合。


——朗德因子
——原子总角量子数
——总轨道角量子数
——总自旋量子数

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其实如果要我来理解这个问题,就是什么金属单质里面,只有Fe,Co,Ni有磁性,而其他金属单质都没有磁性?

因为金属晶体的特殊性,其自由电子是在能带中运动,已经不再是上述各种回答中提及到的独立的单个原子的情况。这个问题到现在也没有给出答案,只有一个非常局限的巡游铁磁理论能够说明部分问题。很多物理学家还在研究这个问题。

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这得分固态液态吧,
大型星球内部都有磁性,不一定是铁钴镍,金属钠球旋转都能产生磁性的。

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木哈哈,这个我们材料物理性能上大致的讲过

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