吸铁石原理(磁铁能吸铁的原因)

磁铁矿是日常生活中很常见的物品，很多人小时候都玩过。但为什么我们只听说过磁铁矿，却没听说过铝土矿和铜矿？磁铁的磁性是如何产生的？

其实人嘴里的磁铁不是石头，也不是纯铁。在古代，人们用来制作指南针的天然磁铁，大多是由三氧化二铁、三氧化二铁等多种杂质组成。其实除了铁，磁铁矿还能吸引镍、钴等金属，但这两种金属在日常生活中实在是太稀有了。很长一段时间，人们只知道它能吸引铁，就直接命名为磁铁矿，沿用至今。

当时人们并不知道磁铁为什么会产生磁力，甚至把磁力当成一种神力。随着科学的发展，特别是电磁感应定律的发现，人们终于发现了磁铁磁力的奥秘。

根据安培定律，电流附近会产生磁场，磁场的强度会随着电流的变化而变化。电流越大，磁场强度越大。高中阶段有一个利用通电螺线管产生磁场的科学实验。实验过程中，磁场的方向会遵循右手螺旋定理，随着电流方向的变化而变化。宏观上，电流会产生磁场，而天然磁铁是没有电的，没有电流。它是如何产生磁力的？

在了解磁铁内部的电流之前，首先要搞清楚为什么家用电源线会有电流。由于输电线路两端的电压差和电位差，会随着电位差产生相应的电场力。在电场力的作用下，线路中的带电粒子定向运动，产生电流。所以，电流的本质其实是电荷或带电粒子的定向运动，也就是说，只要有带电粒子的定向运动，就会产生电流。

自然界中任何物质的组成都是以分子和更小的原子为基础的，原子由原子核和核外电子组成，其中原子核内的质子带正电，核外电子带负电。虽然宏观上没有电场力，但是电子总是绕着原子核高速运动，电子本身在转圈的过程中也在不停的旋转，有点像地球绕着太阳转。

电子作为带电粒子，在高速运动的过程中会产生极其微小的磁场。无数个这种微小磁场的叠加，会让物质在宏观上呈现出磁性。在这种情况下，似乎所有的物质都是天然磁铁，但事实并非如此。为什么？

要解释清楚这个问题，我们需要知道核外电子的运动规律和物质的微观结构。

首先，在大多数物质的组成原子中，电子是成对存在的，这些电子在运动过程中必然遵循泡利不相容原理。一般来说，是一对轨道和能级相同的电子，它们的自旋方向总是相反的。我们前面说过，磁场的方向是随着电流方向的变化而变化的，所以这样一对运动的电子产生的磁场方向是相反的，会直接相互抵消。因此，只有当元素原子最外层存在孤对电子时，产生的磁场才不会被抵消，才有可能在宏观上表现出磁性。

为什么这么说？因为磁性也和材料中原子的排列有关。如果排列不规则，材料内部处于混沌状态，那么单个原子产生的磁场可能会相互抵消。要显示磁性物质，必须使物质内部的原子有序排列，使单个原子形成的磁场相互重叠，最终显示外部磁性。

一般来说，物质要想具有磁性，需要满足两个条件:一是原子最外层有孤对电子，二是组成物质的原子排列整齐。然而自然界中只有铁、钴、镍等少数金属符合这两个要求。

发现铁原子中有26个核外电子，其中最外层有一个孤对，钴和镍原子最外层也有孤对。但是由于这些物质微小的磁性区域内磁畴的不规则排列，这些微小区域产生的磁场相互抵消，所以这些金属通常不会像磁铁一样表现出磁力。但是，在外部磁场力的作用下，这些磁畴的磁场是统一的，也就是被磁化了，被磁化的物质会对外界表现出磁性。

我们可以通过这样一个实验来验证:当一枚硬币被磁铁吸引时，它会被磁化，其他普通硬币靠近这枚硬币时也会被吸引，这说明被磁化的硬币表现出外磁性。

元素铜中有29个核外电子，电子轨道中的电子都是成对出现的，所以即使在有外磁场的情况下，铜也很难被磁化，不会被吸引。铜的这种性质叫做抗磁性，在很多高科技领域都有广泛的应用。

铝很特别。这种元素的原子核外有13个电子，最外层存在孤对电子。在有外磁场的情况下，铝元素的原子会按照磁感应线的方向重新排列，可以表现出一些弱磁性，但不被吸引。

了解了这些之后，我们再来简单了解一下磁铁的种类，以及如何让它们失去磁性。

磁铁有两种，一种是永久磁铁，另一种是非永久磁铁。从名字可以看出，永磁体的磁性可以保持很长时间，而非永磁体过一段时间就会退磁。天然磁体是永磁体，人造磁体中只有部分铷磁体是永磁体。

日常生活中，磁铁一不小心就可能消磁。这种现象的本质是在外界的作用下，磁体内部整齐的磁畴位置发生变化，磁畴产生的磁场方向不再统一，不再显示外部磁性。高温或剧烈碰撞很容易使磁铁出现这种情况。

为了防止磁雷，军舰下水前会对船体消磁。由于军舰无法通过普通的高温或撞击退磁，所以军舰一般会采用一种能够产生与舰体产生的磁场相反的装置。

总的来说，磁铁和磁力在日常生活中应用广泛。一种物质能产生磁性的条件是非常苛刻的，这也是为什么在这么多金属中，只有铁、钴、镍能被磁铁吸引的原因。