導讀您可能知道磁鐵吸引特定的金屬，并且它們具有北極和南極。對立的極點相互吸引，而像極點一樣相互排斥。磁場和電場是相關的，磁力與重力和強弱原子力一起，是宇宙中四種....

您可能知道磁鐵吸引特定的金屬，并且它們具有北極和南極。對立的極點相互吸引，而像極點一樣相互排斥。磁場和電場是相關的，磁力與重力和強弱原子力一起，是宇宙中四種基本力之一。

但這些事實都沒有回答最基本的問題：究竟是什么讓磁鐵粘附在某些金屬上？或者為什么他們不堅持其他金屬？為什么他們互相吸引或排斥，這取決于他們的定位？是什么讓釹磁鐵比我們小時候玩過的陶瓷磁鐵強得多？

要理解這些問題的答案，對磁鐵有一個基本的定義是有幫助的。磁鐵是產生磁場并吸引鐵，鎳和鈷等金屬的物體。磁場的力線從磁體的北極離開磁體，進入其南極。永久或硬磁鐵一直在產生自己的磁場。臨時或軟磁鐵在磁場存在時產生磁場，并在離開磁場后的短時間內產生磁場。電磁鐵只有在電流通過其線圈時才會產生磁場。

因為電子和質子是微小的磁鐵，所以所有材料都具有某種磁性。然而，在大多數材料中，電子以相反方向旋轉的方式抵消了原子的磁性。金屬是制造磁鐵的最常見選擇。雖然有些是由簡單的金屬制成的，但金屬的組合 - 稱為合金 - 產生不同強度的磁鐵。例如：

• 鐵氧體或陶瓷磁鐵：這些類似于冰箱磁鐵和小學科學實驗中使用的磁鐵。它們在陶瓷復合材料中含有氧化鐵和其他金屬。一種被稱為磁石或磁鐵礦的陶瓷磁鐵是第一個被發現并自然發生的磁性材料。盡管陶瓷磁鐵已經存在了很長時間，但它們直到1952年才商業化生產。雖然它們很常見并保持磁性，但它們往往比其他類型的磁鐵具有更弱的磁場（稱為能量積）。
• 鋁鎳鈷磁鐵：這些磁鐵是在20世紀30年代開發的，由鋁，鎳和鈷制成。它們比陶瓷磁鐵更堅固，但不如含有一類稀土金屬的元素那么堅固。
• 釹磁鐵：這些磁鐵含有鐵，硼和稀土元素釹，在撰寫本文時，它們是市面上最強的磁鐵。它們首次出現在20世紀80年代，當時通用汽車研究實驗室和住友特殊金屬公司的科學家發表了他們的研究成果。
• 釤鈷磁鐵：這些磁鐵由代頓大學研究大學的科學家在20世紀60年代開發，并將鈷與稀土元素釤結合。在過去的幾年里，科學家們還發現了磁性聚合物，或塑料磁鐵。其中一些是柔性和可模塑的。然而，有些只能在極低的溫度下工作，而另一些則只拾取非常輕的材料，如鐵屑。

制作磁鐵：基礎知識

這里看到的洛德斯通是磁鐵礦的一種形式，是天然存在的最強磁鐵。注意這件作品是如何吸引小塊金屬條的。維基媒體/（抄送署 4.0）

當今的許多電子設備都需要磁鐵才能工作。這種對磁鐵的依賴是相對較新的，主要是因為大多數現代設備需要比自然界中發現的磁鐵更強的磁鐵。洛德斯通是磁鐵礦的一種形式，是天然存在的最強磁鐵。它可以吸引小物體，如回形針和訂書釘。

到12世紀，人們發現他們可以使用洛德斯通來磁化鐵片，從而創造出指南針。沿著一個方向的鐵針反復摩擦線石，使針頭磁化。然后，它將在暫停時向南北方向對齊。最終，科學家威廉·吉爾伯特（William Gilbert）解釋說，磁化針的這種南北對齊是由于地球的行為就像一個巨大的磁鐵，有北極和南極。

指南針并不像今天使用的許多永磁體那樣堅固。但是，磁化羅盤針和大塊釹合金的物理過程本質上是相同的。它依賴于稱為磁疇的微觀區域，這些區域是鐵磁性材料（如鐵，鈷和鎳）物理結構的一部分。每個域本質上都是一個微小的，獨立的磁鐵，具有北極和南極。在非磁性鐵磁性材料中，每個域的北極指向一個隨機方向。朝向相反方向的磁疇相互抵消，因此材料不會產生凈磁場。

另一方面，在磁體中，大多數或所有磁疇都指向同一方向。微觀磁場不是相互抵消，而是結合在一起產生一個大磁場。指向同一方向的域越多，整個字段就越強。每個域的磁場從其北極延伸到其前方域的南極。

這就解釋了為什么將磁鐵分成兩半會產生兩個具有北極和南極的較小磁鐵。這也解釋了為什么相反的磁極會吸引人——場線離開一個磁體的北極，自然地進入另一個磁體的南極，基本上產生了一個更大的磁體。就像兩極一樣，它們相互排斥，因為它們的力線向相反的方向移動，相互沖突而不是一起移動。

制作磁鐵：細節

當今制造磁鐵的最常用方法涉及將金屬置于磁場中。克瑞斯托克/快門

要制造永磁體，您所要做的就是鼓勵一塊金屬中的磁域指向同一方向。這就是當你用磁鐵摩擦針頭時發生的事情 - 暴露在磁場中會鼓勵域對齊。在一塊金屬中對齊磁疇的其他方法包括：

• 在南北方向上將其置于強磁場中
• 以南北方向握住它，并用錘子反復擊打它，在物理上使域變成弱對齊
• 使電流通過它

其中兩種方法是關于洛德斯通如何在自然界中形成的科學理論之一。一些科學家推測，磁鐵礦在被閃電擊中時會變成磁性。其他人則認為，當地球首次形成時，磁鐵礦碎片就變成了磁鐵。這些域與地球磁場對齊，而氧化鐵是熔融和柔性的。

當今制造磁鐵的最常用方法涉及將金屬置于磁場中。磁場對材料施加扭矩，鼓勵域對齊。在字段的應用和域的變化之間存在輕微的延遲，稱為滯后;域名需要一些時間才能開始移動。以下是發生的情況：

• 磁疇旋轉，允許它們沿著磁場的南北線排列。
• 已經指向南北方向的域會隨著它們周圍的域變小而變大。
• 域墻或相鄰域之間的邊界會以物理方式移動以適應域增長。在強磁場中，一些墻壁完全消失。

由此產生的磁體的強度取決于用于移動域的力的大小。它的持久性或保留性取決于鼓勵領域對齊的難度。難以磁化的材料通常保持其磁性更長的時間，而易于磁化的材料通常會恢復到其原始的非磁性狀態。

您可以通過將磁體暴露在相反方向對齊的磁場中來降低磁體的強度或完全消磁。您還可以通過將材料加熱到居里點以上或物體磁性變化的溫度來消磁。熱量使材料扭曲并激發磁性顆粒，導致域不對齊。

航運磁鐵

大型、強大的磁鐵具有許多工業用途，從寫入數據到在電線中感應電流。但是，運輸和安裝巨大的磁鐵可能是困難和危險的。磁鐵不僅會損壞運輸中的其他物品，而且在到達時可能難以或無法安裝。此外，磁鐵傾向于收集一系列鐵磁碎片，這些碎片很難去除，甚至可能很危險。因此，使用非常大的磁鐵的設施通常在現場有設備，使它們能夠將鐵磁性材料轉化為磁鐵。通常，該設備本質上是一個電磁鐵。

為什么磁鐵會粘住

磁鐵被具有不成對電子的材料所吸引，這些電子以相同的方向旋轉。快門/新非洲

如果您已經閱讀過電磁鐵的工作原理，您就會知道通過導線移動的電流會產生磁場。移動電荷也是永磁體磁場的原因。但磁鐵的磁場不是來自穿過導線的大電流，而是來自電子的運動。

許多人把電子想象成圍繞原子核運行的微小粒子，就像行星繞太陽一樣。正如量子物理學家目前所解釋的那樣，電子的運動比這更復雜一些。從本質上講，電子填充原子的殼狀軌道，在那里它們表現為粒子和波。電子具有電荷和質量，以及物理學家描述為向上或向下旋轉的運動。

通常，電子成對填充原子的軌道。如果一對電子中的一個向上旋轉，則另一個電子向下旋轉。一對電子中的兩個電子不可能朝同一方向旋轉。這是被稱為泡利不相容原理的量子力學原理的一部分。

盡管原子的電子不會移動很遠，但它們的運動足以產生微小的磁場。由于成對的電子以相反的方向旋轉，它們的磁場相互抵消。另一方面，鐵磁性元素的原子具有幾個具有相同自旋的不成對電子。例如，鐵有四個不成對的電子，具有相同的自旋。因為它們沒有相反的場來抵消它們的影響，所以這些電子有一個軌道磁矩。磁矩是一個向量——它有一個大小和一個方向。它與磁場強度和磁場施加的扭矩有關。整個磁體的磁矩來自其所有原子的力矩。

在像鐵這樣的金屬中，軌道磁矩鼓勵附近的原子沿著相同的南北場線排列。鐵和其他鐵磁性材料是結晶的。當它們從熔融狀態冷卻時，具有平行軌道自旋的原子群在晶體結構內排列。這形成了上一節中討論的磁疇。

您可能已經注意到，制造優質磁鐵的材料與磁鐵吸引的材料相同。這是因為磁鐵吸引的材料具有不成對的電子，這些電子在同一方向上旋轉。換句話說，將金屬變成磁鐵的質量也會將金屬吸引到磁鐵上。許多其他元素是反磁性的 - 它們不成對的原子產生一個弱排斥磁鐵的場。一些材料根本不會與磁鐵發生反應。

這種解釋及其基礎量子物理學相當復雜，沒有它們，磁吸引力的概念可能會令人費解。因此，在歷史上的大部分時間里，人們一直懷疑磁性材料也就不足為奇了。