铜有磁性吗？

铜具有独特性质的原因在于其电子的配置。

电线、金属管、厨具：根据我们的日常经验，铜不会被磁铁吸引。然而，许多奇怪的实验表明铜在磁场中的表现有点奇怪。发生什么了？铜有磁性吗？它如何与磁铁相互作用？

事实证明，所有元素都具有磁性。我们通常认为具有磁性的金属——铁、镍和钴——是一类特殊的元素，称为铁磁体，它们与磁场的相互作用特别强烈，并形成永磁体。

但都柏林三一学院物理学名誉教授迈克尔·科伊说，还有其他几种较弱的磁性类型。大多数元素要么是顺磁性的，要么是抗磁性的。 “对于顺磁体，当你施加磁场时，你会在磁场方向上获得非常小的磁化强度，”他说。这意味着该元件被磁铁轻微吸引，但这种效果只是暂时的，一旦移除磁铁就会消失。

“对于抗磁体，当你施加磁场时，你会在与磁场相反的方向上获得更小的磁化强度，”科伊告诉《生活科学》。这会对磁铁产生微小的排斥力，在没有磁场的情况下该排斥力也会消失。因此，在日常条件下，我们永远不会注意到顺磁性和抗磁性材料具有任何磁性。

铜是抗磁性材料的一个例子，但元素到底属于哪一类取决于电子。这些带负电的粒子在称为壳层的定义层中围绕原子的中心核运行，这些层进一步分为称为s轨道、d轨道和p轨道的级别。

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对于元素周期表中心的金属，s轨道已经充满了两个电子，从左向右穿过行，d轨道逐渐充满最多10个电子。当轨道填满时，电子被迫配对，这决定了元素的磁性。具有更多不成对电子的元素是顺磁性的，而具有更多成对电子的元素是反磁性的。

每个电子还拥有一种奇怪的量子特性，称为自旋。原子中所有电子自旋的方向（向上或向下）定义了磁性的强度。 “当不同的电子将它们的自旋平行排列（在同一方向上）时，原子就具有磁矩，”科伊说。 “但如果电子将它们的自旋反向平行排列（在相反的方向上），磁矩就会抵消。”

铜位于第九位，因此我们预计它在 s 轨道中有两个电子，在 d 轨道中有九个电子。但不同寻常的是，铜将一个电子从整个 s 轨道中取出来完全填满 d 轨道。这意味着所有 d 电子都是配对的，上下旋转的电子数量相等。因此，不存在磁矩，因此我们在正常条件下观察不到任何磁行为。

然而，这种不寻常的配置意味着铜可以以不同且极其重要的方式与磁铁相互作用。磁力与电密切相关，电是物理学中用楞次定律描述的一种现象。

“本质上，变化的磁场会在导体内感应出电流，”佛罗里达州国家强磁场实验室的物理学家埃内斯托·博斯克 (Ernesto Bosque) 说。 “因为铜的电阻如此之低，电流可以很容易地在其中流动。”

正是不成对的 s 电子使铜成为优异的导体。这种效应被称为电磁感应，是我们今天发电的核心。 “定子本质上是一组围绕铁芯移动的旋转绝缘线。它可以用作电动机或发电机，”博斯克在一封电子邮件中告诉《生活科学》。同样的想法也适用于相反的情况：通过线圈的电流可以在金属芯中产生磁场，从而产生电磁体。

尽管铜不具有铁磁性，但其与磁铁相互作用的能力是我们每天赖以为电子设备供电、在硬盘驱动器上存储数据，甚至减慢过山车速度的东西。