铜不能被磁铁吸引。铜物理性质是抗磁性,没有磁性,纯铜是柔软金属,表面切开时为红橙色带金属光泽,单质呈紫红色。延展性好,抗磁性,导热性和导电性高。
铜简介:铜是一种过渡元素,化学符号Cu,英文copper,原子序数29。纯铜是柔软的金属,表面刚切开时为红橙色带金属光泽,单质呈紫红色。延展性好,导热性和导电性高,因此在电缆和电气、电子元件是最常用的材料,也可用作建筑材料,可以组成众多种合金。铜合金机械性能优异,电阻率很低,其中最重要的数青铜和黄铜。此外,铜也是耐用的金属,可以多次回收而无损其机械性能。
二价铜盐是最常见的铜化合物,其水合离子常呈蓝色,而氯做配体则显绿色,是蓝铜矿和绿松石等矿物颜色的来源,历史上曾广泛用作颜料。铜质建筑结构受腐蚀后会产生铜绿(碱式碳酸铜)。装饰艺术主要使用金属铜和含铜的颜料。
铜是人类最早使用的金属之一。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、工具和其他器皿,铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地壳中的含量约为001%,在个别铜矿床中,铜的含量可以达到3%~5%。自然界中的铜,多数以化合物即铜矿石存在。
在日常生活中,我们听过磁铁,却没有听过磁铜、磁铝。玩过磁铁的可能都知道,磁铁具有磁性,两块磁铁之间可以相互吸引,且能够将不具备磁性的铁磁化,被磁化后的铁也带有磁性。磁铁能够磁化铁,却不能磁化铜和铝,这是为什么呢?为什么只有磁铁等少数物质具有天然磁性呢?
为了弄明白这个问题,我们先来了解一下,与磁相关的知识。
电磁同源:人类对电磁现象的认识历程早在几千年前,人类就发现了天然磁铁,并对磁铁的磁性有了一定认识,发现能够利用磁铁指示方向,我国古人还制成了世界上第一个指南仪——司南。几千年前的古埃及人就知道尼罗河中有一种会放电的鱼。在此之后,人类还发现摩擦会产生静电,古希腊学者泰勒斯、亚里士多德还对此进行了研究。
人类虽然很早就发现了与电、磁相关的现象,并对它们有了一定的认识,但并不知道它们之间存在联系。
时间来到了18世纪,1752年美国物理学家本杰明·富兰克林通过风筝实验统一了天电与地电,还顺便发明了避雷针,并提出了电荷守恒定律。可惜的是,1753年俄国电学家利赫曼为了重复这个实验,不幸被雷劈死。
1820年,奥斯特意外发现电流能够偏转指南针的方向,这表明电流具有磁效应;1831年,法拉第与亨利发现变化的磁场能够使导线中产生感应电流,电磁感应现象的发现将电和磁统一了起来。麦克斯韦站在巨人的肩上,对电磁学加以整理,提出了麦克斯韦方程组,并预言了电磁波的存在,揭示了光也是电磁波。此后,赫兹通过实验证明了电磁波的存在。
上图麦克斯韦
磁和电是同源的,电和磁往往是同时存在的。不过电和磁并不完全对称,电荷存在两种——正电荷和负电荷,却并没有发现磁单极子。
发电机和电动机的发明使人类进入了电力时代,为信息时代的到来铺平了道路。人类虽然认识到电和磁在本质上是一样的,但要想深刻理解电磁现象背后的运作机理,传统的经典力学显然不够用了。
磁是如何产生的?因为物质都是由原子构成的,要想对磁性的本质做一个深入的了解,就必须要从物质的微观结构说起。既然进入了微观世界,那么就必然要涉及到量子力学。
1897年,汤姆逊在研究阴极射线的时候发现了电子,正式揭开了电磁本质的研究。原子核中的质子带正电,核外电子带负电,同性相斥,异性相吸,电子就是因此才与原子核结合在一起的。因为它们的数量是对称的,于是整个原子保持电中性。当原子失去或者得到电子之后,就会转变为带电的原子,称之为离子。
质子和电子都带有一个单位的基本电荷(元电荷)。粒子只要带有电荷,周围就会存在电场。库仑发现,两个带电粒子之间的作用力与距离的平方成反比关系,这就是关于静电力的库仑定律,与万有引力定律很相似。
磁铁周围存在磁场,那么电场是如何变为磁场的呢?一切都源于物体内部的微观粒子运动。
其实,像电子、质子这样的微观粒子都存在一种叫做自旋的内禀性质(类似于自转),自旋是由粒子的内禀角动量引起的。带电粒子因自旋而产生磁场。此外,电子还在绕着原子核运动,同样也会产生磁场。类似的,比如地球内部拥有铁质核心,由于地球在自转,于是地球便拥有了磁场。
为了描述磁性,我们引入了磁矩的概念,磁矩大家可以简单理解为带有磁性的基本单元。电子的磁矩分为自旋磁矩与轨道磁矩。原子核内部的质子和中子可以看作一个整体,因此原子核也被认为拥有自旋,那么原子核就存在自旋磁矩。由于原子核的运动速度较慢,因此原子核的磁矩不到电子磁矩的千分之一,可以忽略。那么决定原子磁矩的便是核外电子。当原子构成物质时,核外电子的运动轨道会受到限制,使其不能构成一个整体,对外便不显示磁性。可见,最终决定原子磁矩的还是电子的自旋磁矩。
这里有必要提一下,质子和质子都是由三个带有分子电荷的夸克构成的,一般而言中子不带电,不过中子也存在非常微弱的磁矩。实际上,中子和质子可以相互转换。
既然原子的磁性与电子有关,那么一个原子是否对外显示磁性,就由它的原子结构来决定了,具体的有点复杂,就不多说了。研究显示,只有特定结构的原子才对外显示磁性。而且当这些磁性原子构成物质时,磁矩并不是按照一定方向规规矩矩排列的,而是犬牙交错,最终在磁矩的相互叠加下,磁性便抵消掉了。经过层层筛选,自然界中就只有铁、钴、镍等金属具有天然磁性了。
为什么磁铁具有磁性?众所周知,自然界中绝大多数物质都是没有磁性的,并且也很难被磁化,只有少数金属和金属化合物可以被磁化。磁铁具有天然的磁性,可当铜、铝等金属通电后又会产生磁性,这是为什么呢?
这里介绍一下磁铁,广义上的磁铁分为永磁和软磁,天然磁铁就属于永磁,常温下磁性并不会消失;而电磁铁则属于软磁,去掉电流后磁性就会慢慢消失。注意,磁铁并不一定就含有铁,还可能是其它成分。通常我们所说的磁铁是指永磁。
如图所示,一个简单的电磁铁。
前面已经说过了,既然是磁铁,就必然存在磁性原子。其实磁铁中还可以分成许多微小的带有磁矩的区域,这被称之为磁畴。磁铁中的磁畴沿一个方向分布,于是整个磁铁便对外显示磁性。通常物体内的磁畴分布是随意的,磁场互相抵消,只有在外加磁场的作用下方向趋于一致,才会对外显示磁性,这一过程便是磁化。
铜和铝为什么没有磁性?那是因为铜属于抗磁性物质,铜原子的磁矩为0,即使外加强磁场,也很难将其磁化。不过当铜通上电流后,铜内部的自由电子在外加电场的作用下定向移动,于是便形成了磁场,铝通电后产生磁场也是这个原因。铝与铜又略有不同,铝属于顺磁性物质,在外加磁场下显示微弱的磁性,不过一般也认为它没有磁性、不能被磁化。
不管是顺磁还是抗磁,它们的磁化率都很低,通常都认为是不可磁化的,因此便没有磁铜、磁铝一说。而像铁钴镍这一类的铁磁性物质,由于其内部具有磁畴,施加一定强度的磁场,便会被永久磁化。不过铁磁性物质也只有在一定温度范围才存在磁性,当你把磁铁加热到一定温度时,原子的热运动变得剧烈,磁铁的磁性便会消失。
上图为不同材质内的磁矩分布示意图
结语综上所述,从微观角度来看,所有物质内部都存在磁场,只是受物质的结构影响,大多数物质的内部磁场被抵消,宏观上对外不显磁性,或者磁性非常弱。
希望通过上面的介绍,大家能够明白:为什么铁等少数物质能够拥有磁性,而铜、铝等物质却没有磁性。关于磁性的内容很复杂,我这里只是简单科普一下,有需要的请看专业书籍。
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