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晏成和
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磁性是怎样形成的?

(2015-07-17 11:44:12)
标签:

磁性

磁性材料

磁化

二价

分类: 物理新视点

                    磁是哪里来的?

        晏成和

磁性是自然界最奇特的物质特性,展现了大自然的神奇魅力,令人兴奋、令人痴迷,好多青少年都是在小小的磁铁的吸引下,走进了科学殿堂。

磁性材料俗名叫做吸铁石,其最明显的特征是有NS极的磁场、能够吸引钢铁等二价可磁化物质。磁性材料一般是由二价的铁、钴、镍等过度金属元素及其合金构成,磁性材料能够直接或间接产生磁性。

磁性是怎样形成的?这是一个困扰人类千年的问题。50年前解释磁性,用的是磁畴理论,近代物理认为:磁性是来自于物质内电子自旋磁矩。电子自旋,已经是微观中的微观;磁畴则是几百个大分子的集合体。两理论的磁载体尺度相差百万倍,中间跨越了核外电子运动的巨大空间。

百年来,因为电子云理论、量子理论的禁锢,占原子体积99.99%的核外电子运动区域成为科研禁地,不准研讨电子运动的线路、速率,磁学研究当然也惟命是从,于是就不谈电子运动,回避实验事实。绕开了自然真实,就只能与荒唐、虚假为伴,也就造成了磁学理论奇怪的巨大跨度。

探讨磁是哪里来的?揭示磁性产生的物理原因,实验最有发言权。

早在1820年,奥斯特发现了直流电对导线外小磁针的作用,190多年来,这个实验就一直占据着我们的物理课堂,这是个几十亿人见证的实验。

     该实验显示:直流电导通,电珠发光,导线附近的小磁针立即偏转,人人都知道实验结论:电流(电子的直流)会在导线的周围产生磁场。见图一。

磁性是怎样形成的?

 

                                图一

这个实验明白无误地告诉我们,电子的运动伴生着磁场,大自然的磁性来自电子的运动。实验中电子的流动、磁性呈现显然与磁畴无关,该理论早该寿终正寝。直流电是电子的流动,直观地呈现磁场。面对如此明显的事实还要回避电子的运动、搞出个电子自旋理论,可见现代物理人被洗脑、受束缚之深。放弃实在,在虚幻、臆想的自旋中寻找磁性是缘木求鱼、庸人自扰。

 

实验中,导线内的电子运动伴生磁场,那原子的核外电子也在高速运转,电子的核外运转会不会产生磁场?回答是肯定的。

到此,有人会问:100多种元素都有核外电子运转,那么所有的元素就应该都有磁场,(这个推论是正确的!)为什么我们只是见到铁、钴、镍等材料具有磁性,所有的元素都有的磁场在哪里,你见过吗?问得好!这正是当代磁学研究者的困惑,也是我们必须面对的问题。

我在物质的构成《化学键 一个世纪的迷茫(二)》晶体形成的物理原因谈到:质子的引力也吸引相邻原子不稳定的外层电子,形成结构元。原子有几个价电子,就能够构建几个结构元。因此4-7价的每个原子周围都环绕同价数的结构元,由此构建了价和晶体(共价键)结构(图二左)。电子的运转确实是伴生着磁性,但是价和电子所处的方位各异,运转伴生的磁场方向紊乱,所以价和晶体不能显示宏观磁性。

  

                    磁性是怎样形成的?

                                          图二

金属体只有1-3个价电子,只能形成1-2个结构元,(3价金属只有1个结构元,另题讨论)如何构建晶体?正好是由于结构元的价和电子运转所伴生着NS磁场,磁场力将结构元相互吸引,靠电磁力维系构成了金属体的结构,如图二右。在强力作用下结构元可以移位,移动后电磁力可以重新吸引结合。由此也就构成了金属的塑性和延展性。电磁力能够使不同的金属的结构元相互吸引,于是能够构成合金。

金属材料是由电磁力、由无数个结构元吸引而成。在宏观,金属材料的力学性能一般都是各向同性,表明这些结构元各向均布,即金属内电磁力各个方向都有,所以不能显示宏观磁性。那么,磁性材料的明显的宏观的磁性是哪里来的?

 

大自然有100多种元素,能够被磁化、能够显示磁性的只有铁、钴、镍及几种稀土。这些材料的共同特征都是二价过度元素,这是大自然向我们提供的内部资料,蕴含产生磁性的内因,是磁性材料的身份证,也是科学探案的关键线索。可气的是牛掰的磁学研究者连线索都不要,只字不提这“二价”,完全不理会这个二价——二个价电子的关键作用。而是盲人瞎马,胡冲乱撞、胡编乱造,其“理论”肯定是离题万里、那些复杂的数学计算也只是自欺欺人。

那么,这些二价材料的磁性是怎么来的?其中有什么物理原因。

“二价”告诉我们,原子有两个价电子,这是产生磁性的必要条件;过度元素告诉我们,次外层的电子组合是产生磁性的充分条件。

两个价电子能够构成两个或多个连环的结构元(图三)。其中的一个结构元必须与另一连环的某结构元相互平行,如图三左、右图的两个A结构元移动到近距离,价和电子运转所产生的磁力已经构成了金属的晶体结构。而连环中另一结构元B在构成晶体结构中不起什么作用,尾随在A的一边,可以随外(磁场)力摆动。

        磁性是怎样形成的?         

 图三

本来连环中的所有结构元完全一样,只是所处的位置不同,我们把形成结构的A叫做主结构元(简称:主结),把可以摆动的B叫做尾结构元(简称:尾结)。一般主结各向均布、构成金属晶体;尾结方向随机,这时的二价金属不显磁性。

当这样的二价金属在受到外磁场的作用时,其部分可以摆动的尾结顺应外磁场、把自身摆动调整到与外磁场力相适应的方向,形成平行同向的价和电子运转,构成同向的价磁力。于是这样的二价金属能够被外磁场吸引;当外磁场撤去以后,这些尾结的价和电子保持其运动惯性和方位,构成了物体的磁性,也就是该二价金属材料被磁化。也就是尾结方位的调整使物体产生了磁性。

用二价材料的尾结随外磁场运动,还可以解读了一些磁学的专属特性:

因为可以摆动的尾结全部都顺应外磁场、把自身摆动调整到与外磁场力相适应的某一个方向,形成了磁性物体其他方向特性与磁场方向的特性不同,形成了磁体的磁性各向异性

当外界温度升高,价和电子速率加快、线路变化。价和电子线路晃动导致伴生的磁力晃动,物体的磁性就减弱。当温度升高到居里点时(铁770℃)。原先平行同向的价和电子脱离平面线路,使得价磁力方向紊乱,磁性材料的磁性也就消失。温度降低了,磁性显然不可能恢复。

(参看《化学键 一个世纪的迷茫() 相变是怎样形成的》http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-842948.html

 

磁性材料按磁化后能够保留的磁性叫做剩磁,例如纯的铁,硬度不大,价和电子速率不是很高,尾结活动比较自由,遇到外磁场能够迅速地摆动位置、价和电子调整方向,比较容易被磁化;外磁场撤离后,自由的尾结大部分迅速地恢复到之前的任意方位、方向,材料的磁性所剩无几,这样剩磁较小的材料叫做软磁性材料

因为软磁性材料的磁性来得快、去得快,在外磁场作用下尾结可以发生摆动,摆动可以改变磁性材料某方向的尺寸,这就导致了磁体的磁致伸缩。若外磁场力反复施加就形成了磁弹性

 

磁化后不容易去磁的物质叫硬磁性材料。例如:钢,钢是铁和碳组成的合金,随着铁中含碳量的增减,其机械性能亦发生明显的变化。这是因碳原子直径较小,电子速率很高,高速价和运转时,伴生着较大的价磁力,又因碳原子有4个价电子,淬火时价和运转时形成许多铁——碳结构元,导致钢中的结构元增加;价电子速率增加。铁元素的尾结虽然存在,但是在多结构元、高速率电子及其场的环境之中。

遇到外磁场,处在内在强场的尾结不能够轻易摆动、价和电子也不易调整方向,材料难以被磁化。这样的钢材叫做硬磁性材料——难以磁化怎么还叫硬磁性材料?是因为磁化后不容易去磁,在材料凝固之时、内强场尚未建立,让其在强磁场之中,尾结此时可以摆动位置、价和电子调整方向,材料被磁化。温度降低,各个结构元位置固定,内在强场形成,尾结的方位固定,外磁场撤离后,尾结电子保持运转,磁性就“剩”在了物体内,形成了硬磁性材料。

现代制作的稀土永磁合金,磁性已有极大的提高,其原理与钢材磁性相似。

除了磁性材料,地球能够产生自己的磁场,说明地球上有富余的游离态的电子,电子附在地球,与地球一起旋转于是就造就了地球的磁性——南北极。

                                2015-7-12

 

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