磁铁的原理和用途（磁铁的工作原理）

您可能知道磁铁吸引特定的金属，并且它们具有北极和南极。对立的极点相互吸引，而像极点一样相互排斥。磁场和电场是相关的，磁力与重力和强弱原子力一起，是宇宙中四种基本力之一。

但这些事实都没有回答最基本的问题：究竟是什么让磁铁粘附在某些金属上？或者为什么他们不坚持其他金属？为什么他们互相吸引或排斥，这取决于他们的定位？是什么让钕磁铁比我们小时候玩过的陶瓷磁铁强得多？

要理解这些问题的答案，对磁铁有一个基本的定义是有帮助的。磁铁是产生磁场并吸引铁，镍和钴等金属的物体。磁场的力线从磁体的北极离开磁体，进入其南极。永久或硬磁铁一直在产生自己的磁场。临时或软磁铁在磁场存在时产生磁场，并在离开磁场后的短时间内产生磁场。电磁铁只有在电流通过其线圈时才会产生磁场。

因为电子和质子是微小的磁铁，所以所有材料都具有某种磁性。然而，在大多数材料中，电子以相反方向旋转的方式抵消了原子的磁性。金属是制造磁铁的最常见选择。虽然有些是由简单的金属制成的，但金属的组合 - 称为合金 - 产生不同强度的磁铁。例如：

• 铁氧体或陶瓷磁铁：这些类似于冰箱磁铁和小学科学实验中使用的磁铁。它们在陶瓷复合材料中含有氧化铁和其他金属。一种被称为磁石或磁铁矿的陶瓷磁铁是第一个被发现并自然发生的磁性材料。尽管陶瓷磁铁已经存在了很长时间，但它们直到1952年才商业化生产。虽然它们很常见并保持磁性，但它们往往比其他类型的磁铁具有更弱的磁场（称为能量积）。
• 铝镍钴磁铁：这些磁铁是在20世纪30年代开发的，由铝，镍和钴制成。它们比陶瓷磁铁更坚固，但不如含有一类稀土金属的元素那么坚固。
• 钕磁铁：这些磁铁含有铁，硼和稀土元素钕，在撰写本文时，它们是市面上最强的磁铁。它们首次出现在20世纪80年代，当时通用汽车研究实验室和住友特殊金属公司的科学家发表了他们的研究成果。
• 钐钴磁铁：这些磁铁由代顿大学研究大学的科学家在20世纪60年代开发，并将钴与稀土元素钐结合。在过去的几年里，科学家们还发现了磁性聚合物，或塑料磁铁。其中一些是柔性和可模塑的。然而，有些只能在极低的温度下工作，而另一些则只拾取非常轻的材料，如铁屑。

这里看到的洛德斯通是磁铁矿的一种形式，是天然存在的最强磁铁。注意这件作品是如何吸引小块金属条的。维基媒体/（抄送署 4.0）

当今的许多电子设备都需要磁铁才能工作。这种对磁铁的依赖是相对较新的，主要是因为大多数现代设备需要比自然界中发现的磁铁更强的磁铁。洛德斯通是磁铁矿的一种形式，是天然存在的最强磁铁。它可以吸引小物体，如回形针和订书钉。

到12世纪，人们发现他们可以使用洛德斯通来磁化铁片，从而创造出指南针。沿着一个方向的铁针反复摩擦线石，使针头磁化。然后，它将在暂停时向南北方向对齐。最终，科学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）解释说，磁化针的这种南北对齐是由于地球的行为就像一个巨大的磁铁，有北极和南极。

指南针并不像今天使用的许多永磁体那样坚固。但是，磁化罗盘针和大块钕合金的物理过程本质上是相同的。它依赖于称为磁畴的微观区域，这些区域是铁磁性材料（如铁，钴和镍）物理结构的一部分。每个域本质上都是一个微小的，独立的磁铁，具有北极和南极。在非磁性铁磁性材料中，每个域的北极指向一个随机方向。朝向相反方向的磁畴相互抵消，因此材料不会产生净磁场。

另一方面，在磁体中，大多数或所有磁畴都指向同一方向。微观磁场不是相互抵消，而是结合在一起产生一个大磁场。指向同一方向的域越多，整个字段就越强。每个域的磁场从其北极延伸到其前方域的南极。

这就解释了为什么将磁铁分成两半会产生两个具有北极和南极的较小磁铁。这也解释了为什么相反的磁极会吸引人——场线离开一个磁体的北极，自然地进入另一个磁体的南极，基本上产生了一个更大的磁体。就像两极一样，它们相互排斥，因为它们的力线向相反的方向移动，相互冲突而不是一起移动。

当今制造磁铁的最常用方法涉及将金属置于磁场中。克瑞斯托克/快门

要制造永磁体，您所要做的就是鼓励一块金属中的磁域指向同一方向。这就是当你用磁铁摩擦针头时发生的事情 - 暴露在磁场中会鼓励域对齐。在一块金属中对齐磁畴的其他方法包括：

• 在南北方向上将其置于强磁场中
• 以南北方向握住它，并用锤子反复击打它，在物理上使域变成弱对齐
• 使电流通过它

其中两种方法是关于洛德斯通如何在自然界中形成的科学理论之一。一些科学家推测，磁铁矿在被闪电击中时会变成磁性。其他人则认为，当地球首次形成时，磁铁矿碎片就变成了磁铁。这些域与地球磁场对齐，而氧化铁是熔融和柔性的。

当今制造磁铁的最常用方法涉及将金属置于磁场中。磁场对材料施加扭矩，鼓励域对齐。在字段的应用和域的变化之间存在轻微的延迟，称为滞后;域名需要一些时间才能开始移动。以下是发生的情况：

• 磁畴旋转，允许它们沿着磁场的南北线排列。
• 已经指向南北方向的域会随着它们周围的域变小而变大。
• 域墙或相邻域之间的边界会以物理方式移动以适应域增长。在强磁场中，一些墙壁完全消失。

由此产生的磁体的强度取决于用于移动域的力的大小。它的持久性或保留性取决于鼓励领域对齐的难度。难以磁化的材料通常保持其磁性更长的时间，而易于磁化的材料通常会恢复到其原始的非磁性状态。

您可以通过将磁体暴露在相反方向对齐的磁场中来降低磁体的强度或完全消磁。您还可以通过将材料加热到居里点以上或物体磁性变化的温度来消磁。热量使材料扭曲并激发磁性颗粒，导致域不对齐。

航运磁铁

大型、强大的磁铁具有许多工业用途，从写入数据到在电线中感应电流。但是，运输和安装巨大的磁铁可能是困难和危险的。磁铁不仅会损坏运输中的其他物品，而且在到达时可能难以或无法安装。此外，磁铁倾向于收集一系列铁磁碎片，这些碎片很难去除，甚至可能很危险。因此，使用非常大的磁铁的设施通常在现场有设备，使它们能够将铁磁性材料转化为磁铁。通常，该设备本质上是一个电磁铁。

磁铁被具有不成对电子的材料所吸引，这些电子以相同的方向旋转。快门/新非洲

如果您已经阅读过电磁铁的工作原理，您就会知道通过导线移动的电流会产生磁场。移动电荷也是永磁体磁场的原因。但磁铁的磁场不是来自穿过导线的大电流，而是来自电子的运动。

许多人把电子想象成围绕原子核运行的微小粒子，就像行星绕太阳一样。正如量子物理学家目前所解释的那样，电子的运动比这更复杂一些。从本质上讲，电子填充原子的壳状轨道，在那里它们表现为粒子和波。电子具有电荷和质量，以及物理学家描述为向上或向下旋转的运动。

通常，电子成对填充原子的轨道。如果一对电子中的一个向上旋转，则另一个电子向下旋转。一对电子中的两个电子不可能朝同一方向旋转。这是被称为泡利不相容原理的量子力学原理的一部分。

尽管原子的电子不会移动很远，但它们的运动足以产生微小的磁场。由于成对的电子以相反的方向旋转，它们的磁场相互抵消。另一方面，铁磁性元素的原子具有几个具有相同自旋的不成对电子。例如，铁有四个不成对的电子，具有相同的自旋。因为它们没有相反的场来抵消它们的影响，所以这些电子有一个轨道磁矩。磁矩是一个向量——它有一个大小和一个方向。它与磁场强度和磁场施加的扭矩有关。整个磁体的磁矩来自其所有原子的力矩。

在像铁这样的金属中，轨道磁矩鼓励附近的原子沿着相同的南北场线排列。铁和其他铁磁性材料是结晶的。当它们从熔融状态冷却时，具有平行轨道自旋的原子群在晶体结构内排列。这形成了上一节中讨论的磁畴。

您可能已经注意到，制造优质磁铁的材料与磁铁吸引的材料相同。这是因为磁铁吸引的材料具有不成对的电子，这些电子在同一方向上旋转。换句话说，将金属变成磁铁的质量也会将金属吸引到磁铁上。许多其他元素是反磁性的 - 它们不成对的原子产生一个弱排斥磁铁的场。一些材料根本不会与磁铁发生反应。

这种解释及其基础量子物理学相当复杂，没有它们，磁吸引力的概念可能会令人费解。因此，在历史上的大部分时间里，人们一直怀疑磁性材料也就不足为奇了。