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磁铁从哪里来?

要制造出一块好的磁铁可不容易。19世纪,经典电磁学理论告诉我们,运动的电荷会产生磁场,天然磁铁的磁场反过来则可以驱动电荷。这个发现足以让大量的铁,自然界最常见的磁性物质,成为马达、发电机和变压器这类关键电力技术的核心,磁芯在这些设备中存储能量,将机械功和电流相互转化,直到今天依然如此。

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但要解释磁铁这样的永磁体如何获得产生磁场并与磁场相互作用的能力,就得要借助不少20世纪的物理学才行。所有这一切都来自于固体内原子中电子的行为。将量子原理和爱因斯坦的相对论准则运用于这些电子,你就会发现它们表现得像一个个小磁棒,其指向要么向上,要么向下,取决于电子的自旋数值

在大多数物质中,每个指向的电子数目各占一半,所以整体不表现出磁效应。但是对某些元素,比如,以及它在元素周期表上的邻居——来说,如果所有原子的最外层,也就是参与化学键形成的那些电子,自旋指向相互平行的话,整体能量就会降低。只要牢牢地将这些电子固定在一个它们能自由翻转的固体晶格中,然后加上一点磁场,这些元素构成的固体就能产生自己的磁场,并一致保持下去。这样,你就得到了一块永磁体。


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