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我們每天都會接觸到銅，它是電線、金屬管、廚具等常見物品的主要成分。我們都知道，銅不會被磁鐵吸引，這似乎很正常，因為銅不是鐵磁性的。但是，如果你用一個強大的磁鐵靠近一塊銅板，你會發(fā)現(xiàn)銅板會阻礙磁鐵的移動，甚至可以讓磁鐵懸浮在空中。這是怎么回事？銅到底有沒有磁性？它又是如何與磁體相互作用的呢？
要回答這些問題，我們首先要了解什么是磁性，以及它是如何產(chǎn)生的。磁性是一種物質(zhì)對磁場的反應(yīng)，磁場是由電流或磁體產(chǎn)生的一種力場，可以吸引或排斥其他物質(zhì)。磁性的強弱取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，特別是原子中的電子。 除了旋轉(zhuǎn)，電子還有另一種量子特性，叫做自旋。自旋可以理解為電子的內(nèi)部磁場，它有兩種可能的方向，向上或向下。當(dāng)電子的自旋方向相同，它們就會形成一個磁矩，也就是一個微小的磁體。當(dāng)電子的自旋方向相反，它們就會相互抵消，沒有磁矩。
根據(jù)電子的自旋和分布，物質(zhì)可以分為三種不同的磁性類型：鐵磁性、順磁性和二磁性。 鐵磁性是我們最熟悉的一種磁性，它是由于原子中有未配對的電子，它們的自旋方向相同，形成了強大的磁矩。這些磁矩可以在外部磁場的作用下排列成一致的方向，從而增強了物質(zhì)的磁性。鐵磁性物質(zhì)可以被磁鐵吸引，也可以制成永久磁鐵。鐵、鎳和鈷是最常見的鐵磁性元素。 順磁性是一種較弱的磁性，它是由于原子中有未配對的電子，但它們的自旋方向是隨機的，沒有形成磁矩。當(dāng)外部磁場施加時，這些電子的自旋會傾向于與磁場方向一致，從而產(chǎn)生了一個很小的磁矩。這樣，順磁性物質(zhì)就會被磁鐵輕微地吸引，但這種效應(yīng)是暫時的，一旦磁場消失，磁矩也就消失了。順磁性物質(zhì)的例子有氧氣、鈉和鋁等。 二磁性是一種最弱的磁性，它是由于原子中的電子都是成對的，它們的自旋方向相反，完全抵消了磁矩。當(dāng)外部磁場施加時，這些電子對會發(fā)生微小的變化，使得與磁場方向相反的電子對稍微增多，從而產(chǎn)生了一個與磁場方向相反的很小的磁矩。這樣，二磁性物質(zhì)就會對磁鐵產(chǎn)生微小的排斥力，但這種效應(yīng)也是暫時的，一旦磁場消失，磁矩也就消失了。二磁性物質(zhì)的例子有金、銀和銅等。
銅就是一種典型的二磁性元素，它的原子序數(shù)是 29，也就是說它的原子核有 29 個質(zhì)子，它的原子中有 29 個電子。按照元素周期表的規(guī)律，銅的電子應(yīng)該分布在四個軌道層，分別是 1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d。其中，s 軌道可以容納 2 個電子，p 軌道可以容納 6 個電子，d 軌道可以容納 10 個電子。 這種轉(zhuǎn)移的原因是，當(dāng) 3d 軌道完全填滿時，電子之間的排斥力會減小，從而降低了原子的能量，使得原子更加穩(wěn)定。這種現(xiàn)象在元素周期表中央的一些金屬元素中都會發(fā)生，比如鐵、鈷、鎳等。 這種電子分布對銅的磁性有什么影響呢？首先，我們可以看到，銅的 3d 軌道上的電子都是成對的，它們的自旋方向相反，沒有磁矩。其次，我們可以看到，銅的 4s 軌道上只有一個電子，它是未配對的，有磁矩。 這個未配對的 4s 電子使得銅具有了一種特殊的性質(zhì)，那就是它是一種優(yōu)良的導(dǎo)體。導(dǎo)體是一種能夠讓電流順暢流動的物質(zhì)，電流是由電子的移動產(chǎn)生的。在導(dǎo)體中，最外層的電子不是緊緊地綁定在原子上，而是可以自由地在導(dǎo)體內(nèi)部移動，形成一種叫做電子海的狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)體接通電源時，電子就會受到電場的作用，沿著電源的方向流動，形成電流。 銅的 4s 電子就是這樣一種自由電子，它可以在銅的原子之間自由穿梭，使得銅的電阻很低，電流很容易在其中流動。銅的導(dǎo)電性是我們今天發(fā)電和使用電力的基礎(chǔ)，它可以用來制作電線、電纜、電路等。銅的導(dǎo)電性也與它的磁性有關(guān)，因為磁場和電流是相互作用的。
物理學(xué)中有一個重要的定律，叫做倫茲定律，它描述了磁場和電流之間的關(guān)系。倫茲定律的內(nèi)容是：當(dāng)一個導(dǎo)體在磁場中運動時，或者一個磁場在導(dǎo)體周圍變化時，會在導(dǎo)體中產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，這個感應(yīng)電流的方向是與磁場的變化相反的。這個定律可以用來解釋銅與磁體產(chǎn)生的神奇的效應(yīng)。 當(dāng)我們用一個強大的磁鐵靠近一塊銅板時，磁鐵的磁場會在銅板周圍變化，這就會在銅板中產(chǎn)生一個感應(yīng)電流。這個感應(yīng)電流的方向是與磁鐵的移動方向相反的，也就是說，如果磁鐵向銅板靠近，感應(yīng)電流就會從銅板遠(yuǎn)離磁鐵的一邊流向靠近磁鐵的一邊，反之亦然。這個感應(yīng)電流也會產(chǎn)生一個磁場，這個磁場的方向是與磁鐵的磁場相反的，也就是說，如果磁鐵的北極向銅板靠近，感應(yīng)電流的磁場就會在銅板的北極面向磁鐵，反之亦然。這樣，銅板的磁場就會與磁鐵的磁場相互排斥，從而阻礙磁鐵的移動，甚至可以讓磁鐵懸浮在空中。這種現(xiàn)象被稱為磁懸浮，是一種利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的反作用力的技術(shù)。 磁懸浮的原理不僅適用于銅，還適用于其他導(dǎo)體，比如鋁、金、銀等。只要導(dǎo)體能夠產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電流和感應(yīng)磁場，就可以與磁鐵產(chǎn)生磁懸浮的效果。磁懸浮有許多實際的應(yīng)用，比如磁懸浮列車、磁懸浮風(fēng)扇、磁懸浮揚聲器等。磁懸浮的優(yōu)點是可以減少摩擦，提高速度和效率，降低噪音和磨損。
除了磁懸浮，銅還有其他與磁性相關(guān)的奇妙現(xiàn)象，比如超導(dǎo)和邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)是一種物質(zhì)在極低溫度下，電阻突然變?yōu)榱悖娏骺梢詿o損耗地流動的現(xiàn)象。超導(dǎo)物質(zhì)在磁場中會表現(xiàn)出一種叫做邁斯納效應(yīng)的性質(zhì)，就是它會將磁場完全排斥出自己的內(nèi)部，形成一個完美的磁屏蔽。這種效應(yīng)可以用來制造超導(dǎo)磁體，它們可以產(chǎn)生比普通磁體更強大的磁場，用于核磁共振、粒子加速器、磁懸浮列車等領(lǐng)域。 銅在極低溫度下也可以成為一種超導(dǎo)物質(zhì)，但它的超導(dǎo)溫度非常低，約為 -273.15°C，也就是絕對零度。這是因為銅的原子結(jié)構(gòu)使得它的電子很難形成一種叫做庫珀對的狀態(tài)，這是超導(dǎo)現(xiàn)象的關(guān)鍵。庫珀對是由兩個自旋相反的電子組成的一種量子束縛態(tài)，它們可以在晶格的振動下相互吸引，從而克服了庫侖排斥力。庫珀對在超導(dǎo)物質(zhì)中可以無阻礙地流動，形成超流態(tài)，不受外部磁場的影響。 銅的超導(dǎo)性是在 2017 年被一組德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的，他們利用一種叫做原子層外延的技術(shù)，將銅的原子沉積在一種叫做鉍的金屬上，形成了一層只有一原子厚的銅薄膜。他們發(fā)現(xiàn)，這種銅薄膜在 -273.15°C 的溫度下，表現(xiàn)出了超導(dǎo)性，這是因為鉍的晶格結(jié)構(gòu)對銅的電子產(chǎn)生了一種叫做電子-聲子耦合的作用，使得銅的電子能夠形成庫珀對。這一發(fā)現(xiàn)為銅的超導(dǎo)研究開辟了新的可能性，也為超導(dǎo)物理學(xué)提供了新的視角 |
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