強磁和普通磁鐵怎麼分辨（為什麼沒有磁金）

2023-10-22 08:01:31 1

磁現象的發現

早在5000年前人類就發現了磁現象的存在，到了戰國時期，人們都已經積累了許多這方面的知識。磁石（主要成分是四氧化三鐵）也因此被記載下來。《管子》的數篇中就寫到：「山上有磁石者，其下有金銅。」

磁石

如今隨著科技的發展，磁的應用也更加廣泛，磁懸浮、磁共振、甚至曾被提出的「電磁炮」，並且有些司機也會拿一塊磁鐵放到排氣管道外防止回流。但是你知道磁鐵為什麼具有磁性嗎？你真的了解磁鐵嗎？曾經我就看到過這樣一個問題說:有磁鐵，為什麼沒有磁金、磁銀，磁銅？

什麼是磁鐵？

我們常說磁鐵又叫吸鐵石，顧名思義就是能吸附鐵的石頭。最初，人們發現了一種可以吸附鐵製品的天然礦石——磁鐵礦(四氧化三鐵)，並經過大量的嘗試後，發現這些石頭不僅不能吸附金、銀、銅等金屬，也不能吸引磚瓦之類的物品，只能吸引鐵製品。

後來隨著磁學的發展，我們把具有吸引鐵磁性物質如鐵、鎳、鈷等金屬的特性的物質叫做磁鐵，它是本身具有磁矩的物質。（因為磁矩才是一切磁現象的本源）所以說磁鐵並不是鐵，它只是一類物質的統稱，也就別提什麼磁金、磁銀了。

磁鐵磁場

物質的磁性

其實世間萬物都有磁性，不管是我們身邊的書桌板凳還是組成物質的分子原子，甚至行星都具有磁性。只是有些物質對外顯磁性，有些物質對外不顯磁性罷了。

談及磁的本原問題就要從物質的本原說起，都知道物質是由分子原子組成，在原子的內部又含有原子核和大量的電子。在原子內部的這些電子會發生自旋運動和圍繞原子核的軌道運動。

原子的內部結構

這裡我曾經看到過這樣一個例子，他把原子核比作太陽，核外電子比作繞太陽運動的行星(但是要注意的是核外電子做的是無規則運動)，所以電子的自旋就好比地球的自轉，電子的軌道運動就好比地球公轉。
電子「自轉」和「公轉」都會產生磁矩(磁鐵的一種物理性質)，其中自旋產生的稱為自旋磁矩，繞核運動產生的叫做軌道磁矩。
磁矩是一個具有方向的矢量，磁鐵的磁矩方向是從磁鐵的指南極指向指北極，大小則取決於磁鐵的磁性與量值。
雖然說電子都是一樣的，電子磁矩也應該一樣，但是由於原子，分子的種類不同，甚至是原子、分子的排列順序不同就導致了物質磁性的差別。在學術上我們按照物質的磁性特徵把物質大致分為順磁質、抗磁質、鐵磁質三類，統稱為磁介質。
如果在一個外磁場B中放入介質，而介質中的分子(或原子)中都存在著運動的電荷，運動電荷將受到磁力的作用而使物質處於一種特殊的狀態，處於特殊狀態的物質又會反過來影響磁場的分布，即磁化。受到磁化後的介質會產生一個附加磁場B'，磁介質中的磁場B''為外磁場B與附加磁場B'的疊加結果。有的磁介質中的磁場要比外磁場大些，有的則比外磁場小些，實驗發現對均勻磁化的磁介質，磁介質中的磁場和外磁場的關係為B''=μB，μ叫做介質的相對磁導率。
順磁質
顧名思義，這種物質會順應磁場的變化，也就是附加磁場與外磁場同向，使磁化後介質中的磁場B''大於原磁場B，但兩者大小相差很少，也就是說相對磁導率μ是比1稍大些的常數。鋁、鉻、錳、氮氣、空氣這些都是是順磁質。
抗磁質
和順磁性物質剛好相反，抗磁質會抵抗磁場的變化，也就是說磁化後附加磁場與外磁場反向，磁化後介質中的磁場B''小於原磁場B，這兩者的大小相差也很少，μ就是比1稍小些的常數。鉍、銅、銀、氫等是抗磁質。
鐵磁質
這個就厲害了，它磁化後，附加磁場與外磁場也是同向，但不同的是它可以讓磁化後的磁場翻上千倍，甚至是上萬倍。也就是說這種物質的相對磁導率μ遠遠大於1，而且這個μ還不是一個常數，它與原磁場B有關(上邊兩個的μ都是常數)。
一些鐵磁質的相對磁導率
像鐵、鎳、鈷這樣的金屬就屬於是鐵磁質，它們的原子結構特殊。
除此之外，鐵磁質還有以下幾個特點:
隨著外磁場B的增加，介質內B『』也增加，但B『』與B不成線性關係，也就是上面說的μ不為常數。當達到飽和時，B『』幾乎不再增大，我們稱之為磁飽和。鐵磁質一旦磁化後再去掉外磁場，鐵磁質仍保留部分磁性，這種現象稱為剩磁（部分人造磁鐵就是利用剩磁較大的原理）。當反向磁場強度的大小達到H。時，鐵芯中的B才等於零，這時的磁場強度H。稱為矯頑力。如果對鐵磁質加熱，當鐵磁質的溫度高於某個臨界溫度T。(鐵磁相變的臨界溫度，稱為居裡點)時，它就轉變成了順磁質。後面會講到原理
磁滯曲線——鐵磁質在外磁場H下的B-H曲線圖
順磁質、抗磁質及鐵磁質的磁化機制
根據上面的內容我們了解了順磁質、抗磁質和鐵磁質的根本區別，但是還是沒講為什麼會這樣，這裡我來系統的解釋一些。
磁矩是其中的關鍵！
上面說了原子內的核外電子會發生「自轉」和「公轉」，正因為電子自身的這種「自轉」和「公轉」，所以在原子中會同時產生兩種磁矩，自旋磁矩m（自）和軌道磁矩m（軌）。加一起就是一個電子的總磁矩m總=m軌 m自
電子的自旋與磁性
那麼原子(分子)中的的總磁矩就是這兩種磁矩的矢量和，即m分≈∑m總= ∑m軌 ∑m自
由於有的物質是由分子組成，所以加個括號！
電子的自轉會使電子本身具有磁性，成為一個小小的磁鐵，具有N極和S極。這裡也可以類比地球，地球的自轉形成了地磁場，那麼電子的自轉也可以形成一個電子磁場。同時電子的公轉也會產生磁場，這就是好比是一個閉合的電流迴路產生磁場(電流的磁效應)。這樣一來原子是不是就帶有了磁場呢？並不是的！
比如抗磁質，組成它的分子或原子的固有磁矩就為零。下面會介紹(補充:固有磁矩就是分子或原子的總磁矩)
如果把一種磁介質放入外磁場中，就會出現兩種效應:一種是原子(分子)的固有磁矩在外磁場作用下受到力矩作用時，就會使原子(分子)的固有磁矩轉向與外磁場B的方向大致相同，使得磁介質中磁場要加強，我們稱之為順磁效應。另一種是當磁介質進入外加磁場時，電子軌道運動也要產生一個附加磁矩△m，並且可以證明這個附加磁矩的方向總與外磁場B的方向相反，削弱了外磁場，我們稱之為抗磁效應。
對抗磁效應的解釋
這裡可以發現
前者——順磁效應是由原子(分子)的固有磁矩(總磁矩)決定的。而固有磁矩是可以為0的，為什麼呢？想想看，其實電子的自旋方向是有上下兩種的，在大多數物質中，具有向上自轉和向下自轉的電子數目幾乎差不多，它們產生的自旋磁矩就會互相抵消，而且電子的軌道磁矩也會因「公轉」方向不同而相互抵消，所以最後表現出來的固有磁矩只剩下很少一部分甚至為零。
後者——抗磁效應則是由電子的軌道磁矩決定的，也可以說是原子中所有電子的軌道磁矩決定的，在外磁場的作用下，這個磁矩永遠不會為0，因為原子都會有電子。這就意味著不管什麼介質放入磁場中都會產生抗磁效應！
對於順磁質，它的固有磁矩並不為零，所以它內部原子(分子)的磁化就是由順磁效應和抗磁效應共同實現的，但其中順磁效應比抗磁效應強得多，所以總體上就顯示順磁性。
對於抗磁質，因為它的原子(分子)固有磁矩m分=0，即原子(分子)不顯磁性，也就沒有順磁效應，但是當磁介質加入到外磁場中時，電子軌道運動仍要產生附加磁矩，即抗磁效應，所以總體就會顯示抗磁性。那麼為什麼單單鐵磁質可以使磁場變為原來的成千上萬倍？
這就是自旋磁矩在作怪了。
剛才說了，大多數物質中電子自旋方向相反的數量差不多，就會抵消很多。但是在鐵、鈷、鎳這樣的鐵磁性物質中可不是這樣，因為組成這些物質的原子(分子)內部的電子自旋可以在小範圍內自發地排列起來，形成一個自發磁化區，稱作磁疇(包含上千億甚至上億億個原子，可以看做是一個小磁針)。比如說順磁質本來是要在外加磁場的條件下才能實現磁化（使磁矩發生偏轉以影響原磁場），現在鐵磁質自發就能進行了，不過這只是一個個的小區域。
現在把鐵磁質放入外磁場時，其內部的磁疇就會整整齊齊、方向一致地排列起來，使磁性大大加強。磁鐵的吸鐵過程也就是對鐵塊的磁化過程，被磁化的鐵塊磁籌方向和磁鐵的磁場方向相同，不同極性間產生吸引力，鐵塊就牢牢地與磁鐵「粘」在一起了。
現在也可以很好的解釋為什麼有的物質不顯磁性，有的物質顯磁性了。總體可以分為兩類:
該物質本身的固有磁矩就為零，也就是說組成這個物質的原子或分子的磁性都為零，那它本身自然也就沒有磁性了。物質自身的固有磁矩並不為零，比如鐵，它內部有很多磁籌(小磁針)，但是由於宏觀物體上很多磁籌雜亂無章的排列，相互抵消也就使其本身不顯磁性了。
上面說的隨著溫度的升高，鐵磁質可以變為順磁質也是由於磁籌的作用。當溫度達到居裡溫度時，熱運動使磁矩平行排列成為不可能，破壞了電子自旋的排列，也就是自發磁化區沒了，不能自發磁化了，電子的自旋也變得雜亂無章了，互相抵消就成了順磁質那樣，鐵磁性就消失了。
我們回過頭來再看看這句話:磁鐵是本身具有磁矩的物質。所以才說磁矩是一切磁性的本原。
到目前為止，磁的這些知識點算是講清楚了，下面講點簡單的！
永久性磁鐵和非永久性磁鐵
磁鐵可分作「永久性磁鐵」與「非永久性磁鐵」。
什麼叫永久磁鐵？
顧名思義就是沒有外加磁場下，能夠長久保持自身磁性的物體。一般可以保持10年以上。在古代永久磁鐵都是天然產物，又稱天然磁石，但是科技發達的今天人工也可以製造永久磁鐵了。
永久磁鐵又可分為兩大類
金屬合金磁鐵
包括釤鈷磁鐵(SmCo)、鋁鎳鈷磁鐵（ALNiCO）、鐵鉻鈷磁鐵（FeCrCo)等
其中鐵鉻鈷磁鐵被稱為永磁鐵中的變形金剛，合金永磁可變形之最，可以拉絲（0.2-0.3mm）拉管軋帶以及各種機械加工，能製成各種形狀複雜的永磁元件，尤其對細小、長薄元件顯示出獨有的特性。最薄的帶材可以達到0.05mm，最細的絲材可以加工成到0.1mm。
鐵氧體永磁鐵
釹鐵硼磁鐵（Nd2Fe14B）、釤鈷（SmCo）、鋁鎳鈷磁鐵等
古代最先發現的磁石（四氧化三鐵）也屬於鐵氧體永磁鐵。
目前最為廣泛應用的就是釹鐵硼磁鐵和鐵氧體永磁鐵！
釹鐵硼強磁
什麼叫做非永久性磁鐵？
非永久性磁鐵是指只有在某些條件下會有磁性的磁鐵，一般是為電磁鐵，也就是利用電流來強化磁場產生的磁鐵。
圓盤形電磁鐵，通電後可吸80千克
世界上最強的磁鐵
目前世界上最強的磁鐵就是稀土類磁鐵，其中釹鐵硼磁鐵被稱為「磁王」，能吸起相當於自身重量640倍的重物。到底有多強，我就直接上圖了。
啞鈴片一下三塊，還不會掉
小小的兩塊合到一起，實驗人員用了老大勁才拿開
直接把自己幹碎了
釹鐵硼永磁材料由於其優異的磁性能和較高的性價比，自問世以來，就廣泛應用於航空航天，電子，機電，儀器儀表，醫療等領域。而且非技術領域使用也越來越廣泛，如吸附磁鐵，玩具，首飾等。迅速成為稀土永磁市場中的主導者，其產值佔據世界稀土永磁材料產值的90%。
雖說釹鐵硼磁鐵是「磁王」，但是在200攝氏度以上的環境中，釤鈷才是最強力的磁鐵。所以說選用磁鐵還要根據條件來選用。
最後，希望這篇4000字的文章可以讓大家真正的了解磁的本質，不懂得可以在下方留言哦！
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