万磁王控制金属背后有什么科学原理么?

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| 自己来答个吧抛砖,来自自己的一个科学与科幻项目中的远程控制物体分类,但本人的铁磁学和固体物理太渣,想不出比较完善的解释。 |

# 万磁王(Magneto)

万磁王的设定

万磁王可以控制金属物体,并且可以使得金属物体变形(从电影的特效来看,类似熔化之后的那种变形)。

在万磁王起源的片段中,巨大的铁门居然被掰弯,以及在后面的从塑料牢笼逃跑的情节中,万磁王利用从食物中获得的金属在空中飞行。


从万磁王的名字(Magneto)是跟磁有关的,因此直观的理解,万磁王通过磁场(或者说控制金属的磁性)来控制物体。考虑到电影中那种变形看似熔化,再加上控制金属物体,所以万磁王的能力很可能对于金属特有的晶格结构有关。

实际上想要远距离抓住金属,显然也应该还是电磁力的范畴(因为引力和弱相互作用太弱,而强相互作用作用距离太短)。而晶态金属特有的,能带结构算是比较重要的,因为这决定了金属的高电导率和热导率,也决定了磁性。

金属、能带与磁性

在单个的原子中,或者说在单个的球对称的势井中,我们可以计算(估算)电子的行为,结果是电子形成分立的轨道,对应不同的能级。然而金属的晶格结构中,有些电子是金属晶格共有的,也就是说,势函数变得复杂,但是却还有周期性,这使得电子的部分分离的能级之间的能量差异变得很小,而考虑到不确定性原理,这些细小的能级几乎是连续的。因此大家成为**能带**。

电子会优先填充低能的能级,在基态电子聚集在一些低能的能带上,这些叫做**价电子**,对应的能带叫做**价带**。而有些能带尚未被电子占满,这些能带上的电子可以自由的移动,从而导电或者导热。这样的能带叫做**导带**。

金属中磁性的起源是电子的自旋,因此能带上自旋向上和向下的电子的数目的差异决定了金属的磁化。


考虑到要抓住物体包括举起物体,万磁王需要控制物体的抗磁性和顺磁性或者铁磁性。而控制这些,最直接的方法就是可以控制电子的自旋。

因此,万磁王可以**将一定数目的自旋翻转**。而且必须是有控制的主动翻转,不然他自己就必须一直永远带极强的磁性。这解释了万磁王可以控制金属物体。

然而,这会遇到一个问题,在豆瓣与 {x|x∉x} 的讨论中,涉及到了如何防止在万磁王施法的时候,不小心被附近的金属刀叉插死(施法的时候要产生磁性才能控制物体嘛,附近有刀叉就飞过来,插死自己了)。大使提到可以通过改变周围的磁导率形成一个屏蔽。

具体说来如果要屏蔽周围磁场,其中的两种方法分别是形成高磁导率的区域是的磁场主要影响自己想要影响的区域,或者在周围的铁磁性物体周围形成高磁导率区域从而对这些物体屏蔽磁场。而控制磁导率,最好是能够产生许多磁偶极子。而万磁王大多时候所能利用的只是空气,所以只能借助空气,在一个区域产生足够多的磁偶极子。

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