磁铁
磁铁或称磁石，是可以吸引铁并于其外产生磁场的物体。狭义的磁铁指磁铁矿石的制品，广义的磁铁指的是用途为产生磁场的物体或装置。磁铁作为磁偶极子，能够吸引铁磁性物质，例如铁、镍及钴等金属[1]。磁极的判定是以细线悬挂一磁铁，指向北方的磁极称为指北极或N极，指向南方的磁极为指南极或S极。（如果将地球想成一大磁铁，则目前地球的地磁北极是S极，地磁南极则是N极。）磁铁异极则相吸，同极则排斥。即指南极与指北极相吸，指南极与指南极相斥，指北极与指北极相斥。
磁铁分作永久磁铁与非永久磁铁。天然的永久磁铁又称为天然磁石，永久磁铁也可以由人工制造（最强的磁铁是钕磁铁）。非永久性磁铁只有在某些条件下会有磁性，通常是以电磁铁的形式产生，也就是利用电流来强化其磁场。
未磁化的磁石内部磁分子（分子磁铁学说）是无规则排列的，经过磁化的过程后，磁分子会有规则的排列。此时，磁分子的N极和S极会朝向相同方向使磁石具有磁性而成为磁铁。同时，同一磁铁上存在相反两极且两极之磁量相等。
磁铁制备历史
[编辑]古代人们是从天然磁石中认识磁性，天然磁石一般是在自然界被磁化的铁矿石，会吸引铁的物品。希腊文的磁铁意思是“来自马格尼西亚（Magnesia）的石头”，悬吊着的天然磁石就是最早的指南针。已知最早记载磁铁及其性质的文献是在二千五百年前，来自希腊、印度及中国的文献[2][3][4]。古罗马作家老普林尼在《博物志》就已记载天然磁石及其可以吸收铁的特性[5]。中国文献对天然磁石吸引铁以制备磁铁的描述于《管子》[6]、《吕氏春秋》[7]及《淮南子》[8]中提及，被称为“慈石”。
约在公元前12至13世纪，中国、欧洲及其他地区的人已经用指南针来导航[9]。
有关磁和磁铁的背景知识
[编辑]磁场
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磁感应强度（也称为B场，符号为B）为一矢量场。空间中一点的B场由以下二个性质决定：
- 方向：延著指南针的指北极指向的方向。
- 大小（也称为强度）：是和指南针受到B场影响的程度成正比。
磁矩
[编辑]磁铁的磁矩是一个可以描述磁铁整体磁特性的矢量。磁铁的磁矩方向是从磁铁的指南极指向指北极[11]，大小和磁铁强度和长度成正比，国际标准制的磁矩单位为A·m2。磁矩中包含有磁偶极矩、磁四极矩……等，其中最常使用的是磁偶极矩，符号为μ。
磁铁在产生磁场的同时，也会受到外部磁场的影响。磁铁外一特定点的磁场强度和磁铁磁矩的大小成正比。而且当磁铁放在一个由其他线圈或磁铁产生的外部磁场中时，磁铁会受到一个试图将其磁矩对正磁场的转矩[12]，转矩大小和外部磁场及磁铁磁矩的乘积成正比。在一外加磁场中的磁铁也可能会受力往特定方向移动，若磁场不随空间而变化，磁铁所受的合力为零[13]。
一平面载流圆形循环若其面积是A，上面的电流为I，可以视为一个磁铁，其磁偶极矩 μ为IA。
磁化强度
[编辑]一磁性材料特定位置的磁化强度是单位体积下的磁矩，符号为M，单位为A/米[14]。一磁铁在不同区域下，可能磁化的强度及方向有所不同，因此磁化强度为一个矢量场。好的棒状磁铁可以在一立方公分的体积内有量值0.1 A·m2的磁矩，因此平均磁化强度为100,000 A/m。铁的磁化强度大约可以到106 A/m，因此利用铁可以有效率的产生磁场。
磁铁的模型
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有两种不同的磁铁模型：磁极模型及原子电流模型（安培模型）。
磁极模型就是用指南极及指北极的磁极来描述磁铁，若将磁铁从中间折断，试图将指南极及指北极分开，结果会出现二个小磁铁，仍各自有其指南极及指北极。不过专业的磁学家用一种磁极模型来设计永久磁铁[来源请求]。在此磁极模型中，磁极中磁化强度的散度∇·M和其磁化强度垂直表面的分量M·n视为磁单极子的分布（此说法只是为了数学运算上的方便，不意味着磁铁中真的存在磁单极子）。若已经知道磁极的分布，则利用磁极模型可以计算磁场强度（H场），在磁铁外部的磁感应强度（B场）会和H场成正比，但在磁铁内部需考虑磁化强度M的影响。在此磁极模型的一个衍生版本中，可以用内部的磁荷来说明铁磁性材料的磁化（ferromagnetism）。
另一个模型是安培模型，认为磁铁的磁性是因为材料原子中的束缚电流所造成，此电流也称为安培电流。对于均匀磁化的圆棒型磁铁而言，原子中束缚电流的整体效应就是使磁铁整体来看好像有一电流在其表面流动，流动方向和圆棒型磁铁的轴垂直[15]。材料中原子的束缚电流的效应会被相邻原子的电流抵消，只有表面的原子不会被抵消，因此整体效应可视为只在表面有电流[16]。电流的方向则利用右手定则来决定。
磁性物质
[编辑]在电磁铁问世之前，磁铁是指在没有外加磁场及电场的情形下可以持续性产生磁场的物体。只有特定的材料只有此特性，不过大部分的材料在外加磁场中，都会因外加磁场而产生一个磁场，依材料的不同，所生成的磁场会使物体被外磁场吸引或排斥。可分为以下几种：
- 铁磁性及亚铁磁性材料是一般认定的磁性材料，会被磁铁的任何一极吸引，且可以感受到其吸引力。也只有这类的物质可以在外加磁场消失后时仍维持其磁化的特性，因此可以作为磁铁使用。像是冰箱磁铁的磁性就是因为这类材料所产生。亚铁磁性材料包括铁氧体及最早的天然磁铁磁铁矿及天然磁石，其磁性和铁磁性材料类似，但磁力略弱。两者磁力的差异是因为其微观结构所造成。
- 顺磁性材料，像铂、铝和氧等物质，会微弱的被磁铁的任何一极吸引，但其吸引力只有铁磁性材料的几十万分之一，所以只能用精密仪器来量测。铁磁流体是指悬浮许多奈米数量级大小的的铁磁体粉末，因为无法被磁化．有时也视为是顺磁性材料。
- 反磁性材料，像碳、铜、水和塑胶等物质会被磁铁的任何一极排斥，其排斥力非常微弱。大部分的物质都是反磁性的，其磁导率略小于真空磁导率，若使用一般磁铁，其排斥力非常小。但若使用强力的超导磁铁，像铅块甚至老鼠都可以因为磁浮而浮在空中[17]。超导体也会受磁场的排斥，是强烈的反磁性材料。
物质的磁性除上述几种外，还有像自旋玻璃、反铁磁性、超顺磁性等。
永久磁铁
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永磁体可分为以下的几个种类：
- 铁氧体：以氧化铁为其主要成分的陶瓷材料。
- 铝镍钴合金：添加了铝（Al）、镍（Ni）、钴（Co）元素的铁合金。
- 稀土磁铁：由稀土元素合金所组成的强力永久磁铁，其中最常见的有钕磁铁（也称做钕铁硼磁铁）及钐钴磁铁。
铝镍钴合金
[编辑]铝镍钴合金（Alnico）是一种铁合金，除了铁以外，还添加了铝（Al）、镍（Ni）、钴（Co）以及少量其他增强磁性能的成分。铝镍钴合金具有高矫顽性（coercivity），是很适合为永久磁铁的材料。铝镍钴合金坚硬易脆，无法冷加工（cold work），必需用铸造或者烧结（Sintering）处理制成。
举一个中间性质的各向异性铸造铝镍钴合金例子，Alnico-6的成分为8%铝、16%镍、24%钴、3%铜（Cu）、1%钛（Ti），其它都是铁（Fe）。Alnico-6的最大磁能积（BHmax）为3.9 百万高斯-奥斯特（megagauss-oersted，MGOe），矫顽性为780奥斯特，居里温度为860°C，最高工作温度为525°C[18]。
于1931年，日本材料专家三岛德七发现了一种特定成分的铝镍钴合金（58%铁，30%镍，12%铝），其矫顽性极高，是那时期最好的磁性钢的两倍[19]。
钐钴磁铁
[编辑]钐钴磁铁是一种稀土磁铁，是由钐、钴和其它金属稀土材料经配比制成的一种磁铁。于1970年发展成功，钐钴磁铁是现今磁性第二强烈的磁铁，具有较高的最大磁能积（BHmax），较高矫顽性，易碎，易裂。钐钴磁铁的最大磁能积的范围从 9 MGOe到 31 MGOe。钐钴磁铁有两种组成比，分别为(钐原子：钴原子)1:5和2:17[20]。例如，2:17合金的最大磁能积为26 MGOe，矫顽性为9750 oersted ，居里温度为825°C，最高工作温度为350°C[18]。
钕铁硼磁铁
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钕铁硼磁铁是由钕、铁、硼（Nd2Fe14B）形成的四方晶系晶体。于1982年，住友特殊金属的佐川真人发现钕磁铁。这磁铁的磁能积（BHmax）大于钐钴磁铁，是全世界那时磁能积最大的物质[21]。后来，住友特殊金属发展成功粉末冶金法（powder metallurgy process），通用汽车公司发展成功旋喷熔炼，能够制备钕铁硼磁铁[22]。这磁铁是现今磁性最强的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁，被广泛地应用于电子产品，例如硬盘、手机、耳机以及用电池供电的工具等等。
为了避免腐蚀的损害，使用时需要在该永磁材料表面做保护处理，例如用金、镍、锌、锡进行电镀，以及表面喷涂环氧树脂等[23]。
永久液态磁体
[编辑]永久液态磁体指的是能形成各种形状，能被操纵移动的磁性液滴。磁性液滴的形状能从球形变到圆柱体到薄饼形，甚至是海胆的形状。马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校教授托马斯·保罗·罗塞尔（Thomas Russell）的团队用三维打印液态做实验，原本是打算创造出一种固态材料，结果却创造出了磁性的液体，它由水、油和铁氧化物构成，用磁线圈磁化。在移除磁线圈后，液滴仍然能保持磁性。当它靠近磁场，氧化铁粒子全都以相同的方向排列。[24]
电磁铁
[编辑]最简单的电磁铁就是绕一圈或数圈的导线线圈，称为螺线管。当螺线管上有电流时会产生磁场，磁场集中在螺线管附近，特别是其内部，其磁场分布和磁铁造成的磁场相当类似，而磁铁的方向可以依照右手定则决定。电磁铁产生的磁场和磁矩和螺线管圈数、截面积及其上面流过的电流乘积成正比[25]。
若导线线圈绕在一般材料时，产生的磁场很小，但线圈绕在软铁磁性材料（例如铁钉）时，其磁场可以增加到原来的数百至数千倍。
电磁铁可以用在电动机、粒子加速器、核磁共振影像仪器中。有些应用需要较复杂的磁极，例如粒子束的强聚焦就需要磁四极子或六极磁铁等设备。
电永磁
[编辑]电永磁是一种可由电力控制的磁铁。它只需在充磁或退磁时需要电力，然后不需电力即可保持磁力。
磁铁的磁化和退磁
[编辑]铁磁性材料可以用以下的方式磁化：
- 将材料加热到居里温度以上，在有外加磁场的条件下冷却，并在冷却过程中锤打材料。这是最有效的磁化方式，也类似工业中制造永久磁铁的方式。
- 将材料置放在外加磁场中，当磁场移除后，铁磁性材料仍会有磁场，称为残磁。若在有外加磁场时振动材料，效果会更好。
- 若将一磁铁反复的由材料的一端移动到其另一端，也可以帮助其磁化。
已磁化的铁磁性材料则可以用以下方式退磁：
- 加热到居里温度以上，分子运动会破坏材料的磁畴，可以消除所有的磁性。
- 将材料放在一反复变化的磁场中，而其H场的强度超过材料的矫顽力，然后再慢慢的将材料移出磁场，或慢慢的将磁场强度降到零。这是去磁器对设备及信用卡去磁，以及阴极射线管中去磁线圈的原理。
- 若磁铁放在磁场强度大于矫顽力的反向磁场中，磁铁可能会部分退磁，不过也有可能被反向磁铁所磁化。
- 锤打或是撞击：力学上的扰动会打乱其磁畴，也会减少其部分磁性。
对人体的影响
[编辑]静磁场对于人体组织的影响不太大，很少有主流科学研究的证据显示曝露在静磁场下对安全的影响。但已有研究认为电磁辐射（高频的电磁场）和发生癌症的比率有相关性。
若人体组织中有铁磁性的异物，外加磁场可能会有重大的安全风险[26]。
另一种和磁场有关的安全风险是心律调节器。若病人体内有心律调节器，必须远离有强磁场的环境。这也是有安装心律调节器的病人不能进行核磁共振扫描的主要原因。
偶尔会有小孩吞下小磁铁，若吞下超过一颗以上磁铁，磁铁相吸时可能挤压组织造成内出血或穿孔，已有一个因这类原因死亡的案例[27]。
一般用途
[编辑]对于磁带和其他的磁媒介存储设备像硬盘也是有非常重要的影响作用。在这些材料中，很显然一个磁极代表一个比特（bit），如北极代表1而南极代表0。然而，更换该存储器从一个到另一个，此迟滞作用要求了解已存信息，因为所需的场强在每种情况下都会不同。为了解决该问题，记录系统首先使用带偏移程序过速驱动整个系统到一个已知状态。模拟电磁记录同样适用这种技术。不同材料要求不同的偏移量，这就是为什么在大多数卡式录音带前端都有一个选择装置（写保护）。
参考资料
[编辑]- ^ magnet. Encyclopædia Britannica. 2013 [2013-02-23]. （原始内容存档于2013-04-11）.
- ^ Fowler, Michael. Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism. 1997 [2008-04-02]. （原始内容存档于2008-03-15）.
- ^ Vowles, Hugh P. Early Evolution of Power Engineering. Isis. 1932, 17 (2): 412–420 [419–20]. doi:10.1086/346662.
- ^ Li Shu-hua. Origine de la Boussole II. Aimant et Boussole. Isis. 1954, 45 (2): 175. JSTOR 227361.
- ^ Pliny the Elder, The Natural History, BOOK XXXIV. THE NATURAL HISTORY OF METALS., CHAP. 42.—THE METAL CALLED LIVE IRON （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Perseus.tufts.edu. Retrieved on 2011-05-17.
- ^ 见《管子》地数第七十七，原文：“……黄帝曰：‘若此言可得闻乎？’伯高对曰：‘上有丹沙者，下有黄金。上有慈石者，下有铜金。上有陵石者，下有铅锡赤铜。上有赭者，下有铁。’……”
- ^ 见《吕氏春秋》卷九，原文：“……慈石召铁，或引之也。……”
- ^ 见《淮南子》卷十六 说山训，原文：“……慈石能引铁，及其于铜，则不行也。……”
- ^ Schmidl, Petra G. Two Early Arabic Sources On The Magnetic Compass (PDF). Journal of Arabic and Islamic Studies. 1996–1997, 1: 81–132 [2013-02-18]. （原始内容存档 (PDF)于2012-05-24）.
- ^ Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics 3rd. Prentice Hall. 1999: 255–8. ISBN 0-13-805326-X. OCLC 40251748.
- ^ Knight, Jones, & Field, "College Physics" (2007) p. 815
- ^ B. D. Cullity, C. D. Graham. Introduction to Magnetic Materials 2. Wiley-IEEE Press. 2008: 103. ISBN 0-471-47741-9.
- ^ Boyer, Timothy H. The Force on a Magnetic Dipole. American Journal of Physics. 1988, 56 (8): 688–692. Bibcode:1988AmJPh..56..688B. doi:10.1119/1.15501.
- ^ Units for Magnetic Properties (PDF). Lake Shore Cryotronics, Inc. [2012-11-05]. （原始内容 (PDF)存档于2011-07-14）.
- ^ Zachariah Allen. Philosophy of the Mechanics of Nature, and the Source and Modes of Action of Natural Motive-Power. D. Appleton and Company. 1852: 252 [2013-02-22]. （原始内容存档于2020-12-28）.
- ^ Wayne M. Saslow. Electricity, Magnetism, and Light 3rd. Academic Press. 2002: 426 [2013-02-22]. ISBN 978-0-12-619455-5. （原始内容存档于2021-04-15）.
- ^ Mice levitated in NASA lab （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Livescience.com (2009-09-09). Retrieved on 2011-10-08.
- ^ 18.0 18.1 Standard Specifications for Permanent Magnet Materials (PDF). MMPA 0100-00. [2016-08-31]. （原始内容存档 (PDF)于2014-07-22）.
- ^ Cullity, B. D.; C. D. Graham. Introduction to Magnetic Materials. Wiley-IEEE. 2008: 485. ISBN 0471477419.
- ^ 电子能量公司网页：存档副本. [2016-08-31]. （原始内容存档于2009-08-11）.
- ^ The 2012(28th)Japan Prize. Laureats of the Japan Prize. The Japan Prize Foundation. [2012-03-15]. （原始内容存档于2012-04-22）.
- ^ Pyrhonen, Juha; et al. Design of Rotating Electrical Machines. John Wiley & Sons. 2009: pp. 202. ISBN 9780470740088.
- ^ Drak, M.; Dobrzanski, L.A. Corrosion of Nd-Fe-B permanent magnets (PDF). Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2007, 20 (1–2). （原始内容 (PDF)存档于2012-04-02）.
- ^ 科学家无意中创造第一种永久液态磁体. 科技行者. [2019-07-25]. （原始内容存档于2019年7月25日）.
- ^ Ruskell, Todd; Tipler, Paul A.; Mosca, Gene. Physics for Scientists and Engineers 6. [Macmillan. 2007. ISBN 1-4292-0410-9.
- ^ Schenck JF. Safety of strong, static magnetic fields. J Magn Reson Imaging. 2000, 12 (1): 2–19. PMID 10931560. doi:10.1002/1522-2586(200007)12:1<2::AID-JMRI2>3.0.CO;2-V.
- ^ Oestreich AE. Worldwide survey of damage from swallowing multiple magnets. Pediatr Radiol. 2008, 39 (2): 142. PMID 19020871. doi:10.1007/s00247-008-1059-7.
