磁铁是如何工作的

今天的许多电子设备都需要磁铁才能起作用。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。吸引人的东西，一种形式磁铁矿是最强的天然磁铁。它能吸引小物体，比如回形针和订书钉。

到了12世纪，人们发现可以用磁石使铁块磁化，从而创造出指南针．用磁石沿一个方向反复摩擦磁针，磁针就磁化了。当它被暂停时，它会朝着南北方向调整。最后，科学家威廉·吉尔伯特解释说，这种磁化针的南北排列是由于地球的行为就像一个巨大的磁体，有南北两极。

指南针的强度远不如今天使用的许多永磁体。但是使指南针针和钕合金块磁化的物理过程本质上是相同的。它依赖于被称为磁域，这是物理结构的一部分铁磁材料比如铁、钴和镍。每个域本质上都是一个微小的、独立的磁体，有南极和北极。在非磁化铁磁性材料中，每一个北极都指向一个随机的方向。相反方向的磁畴相互抵消，因此材料不会产生磁场。

另一方面，在磁体中，大部分或所有的磁畴都指向同一个方向。微观磁场不是相互抵消，而是结合起来形成一个大磁场。指向同一方向的域越多，整体磁场越强。每个域的磁场从它的北极延伸到它前面的域的南极。

这就解释了为什么把磁铁掰成两半会产生两个更小的磁体，有北极和南极。这也解释了为什么磁极相互吸引——磁力线离开一个磁体的北极，自然进入另一个磁体的南极，本质上创造了一个更大的磁体。同极相互排斥，因为它们的力线向相反的方向移动，相互碰撞而不是移动在一起。

要制造磁体，你所要做的就是让一块金属上的磁畴指向同一个方向。当你用磁铁摩擦针时，就会发生这种情况——暴露在磁场中会促使域对齐。其他排列金属磁畴的方法包括:

其中两种方法是关于天然磁石如何在自然界形成的科学理论。一些科学家推测，磁铁矿在被闪电击中时变得具有磁性。另一些理论认为，磁铁矿块在地球刚形成时就变成了磁铁。当氧化铁处于熔融状态并具有柔韧性时，这些域就会与地球磁场对齐。

当今制造磁铁最常见的方法是将金属置于磁场中。现场发挥转矩在材料上，鼓励域对齐。有一个轻微的延迟，被称为磁滞在领域的应用和领域的变化之间——领域开始移动需要一些时间。发生了什么:

由此产生的磁体强度取决于移动这些域所使用的力的大小。永恒,或记忆力，这取决于鼓励领域对齐的难度有多大。不易磁化的材料通常能保持较长时间的磁性，而容易磁化的材料通常会恢复到原来的非磁性状态。

你可以降低磁铁的强度，或者让它完全退磁，只要把它暴露在一个方向相反的磁场中。你也可以把一种材料加热到其上方使其退磁居里点也就是它失去磁性的温度。热扭曲了材料，激发了磁颗粒，导致畴的排列不一致。

如果你读过电磁铁的工作原理当电流通过导线时，就会产生磁场。移动的电荷也对永磁体中的磁场负责。但是，磁体的磁场不是来自通过导线的大电流，而是来自导线的运动电子．

许多人把电子想象成围绕原子运动的微小粒子核行星围绕太阳运行的方式。正如量子物理学家目前解释的那样，电子的运动比这要复杂一些。本质上，电子填满了原子的壳层轨道在这种情况下，它们既表现为粒子又表现为波。电子有一个负责和一个质量，以及物理学家描述为自旋向上或向下的你可以学习更多关于电子的知识原子是如何工作的．

一般来说，电子会填满原子的轨道双．如果一对电子中有一个自旋向上，另一个自旋向下。一对电子不可能朝同一个方向旋转。这是量子力学原理的一部分泡利不相容原理．

即使一个原子的电子移动不太远，它们的移动也足以产生一个微小的磁场。由于成对的电子自旋方向相反，它们的磁场相互抵消。另一方面，铁磁元素的原子有几个自旋相同的未配对电子。例如，铁有四个自旋相同的未配对电子。因为它们没有相反的场来抵消它们的作用，这些电子有一个轨道磁矩．磁矩是a向量它有大小和方向。它与磁场强度和磁场产生的转矩有关。整个磁体的磁矩来自于它所有原子的矩。

在像铁这样的金属中，轨道磁矩促使附近的原子沿着相同的南北磁场线排列。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中排列起来。这就形成了前一节讨论的磁畴。

你可能已经注意到，制造好的磁铁的材料与磁铁吸引的材料是一样的。这是因为磁铁吸引的材料具有未配对的电子，自旋方向相同。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。许多其他元素抗磁性——它们不成对的原子会产生一个弱排斥磁铁的场。有几种材料与磁铁完全不发生反应。

这种解释及其潜在的量子物理学是相当复杂的，如果没有它们，磁引力的概念就会令人迷惑不解。因此，在很长一段历史中，人们对磁性材料持怀疑态度也就不足为奇了。

每次使用电脑，你都在使用磁铁。一个硬盘依靠磁铁来存储数据监控使用磁铁在屏幕上创建图像。如果你家有门铃，它可能会使用电磁铁驾驶制造噪音的汽车。磁铁也是至关重要的组成部分阴极射线管电视机，演讲者，麦克风、发电机、变压器、电动马达，防盗警报器，盒式磁带磁带,指南针和汽车里程表。

除了它们的实际用途外，磁铁还有许多惊人的特性。它们能在电线和电源中产生电流转矩电动马达。足够强的磁场可以使小物体甚至小动物漂浮起来。磁悬浮列车利用磁力推进以高速前进，磁流体有助于填充火箭引擎和燃料。的地球的磁场，被称为磁气圈，保护它免受太阳风．据《连线》杂志报道，有些人甚至在手指上植入微型钕磁铁，让他们可以检测电磁场。《连线》杂志]．

磁共振成像(MRI)机器利用磁场使医生可以检查病人的内部器官。医生也使用脉冲电磁场治疗未正确愈合的骨折。这种方法在20世纪70年代被美国食品和药物管理局批准，可以修复其他治疗无效的骨头。在长时间处于零重力环境的宇航员中，类似的电磁能量脉冲可能有助于防止骨骼和肌肉的损失。

磁铁还可以保护动物的健康。牛易患一种叫做创伤性reticulopericarditis,或硬件的疾病，这来自吞咽金属物体。吞下的东西会刺穿牛的胃，损害它的隔膜或心脏。磁铁有助于防止这种情况。一种做法是在牛的食物上放一块磁铁来移除金属物体。另一种方法是用磁铁喂牛。又长又窄的铝镍钴磁铁，称为牛的磁铁可以吸引金属碎片，并帮助防止它们伤害牛的胃。摄入的磁铁有助于保护奶牛，但保持喂食区域没有金属碎片仍然是一个好主意。另一方面，人们永远不应该吃磁铁，因为它们可以通过人的肠壁粘在一起，阻止血液流动，杀死组织。对于人类来说，吞下的磁铁通常需要手术移除。

有些人提倡使用磁疗来治疗各种各样的疾病和状况。据医生介绍，磁性鞋垫、手镯、项链、垫子和枕头可以治愈或缓解从关节炎到癌症的一切疾病。一些倡导者还建议，饮用磁化的饮用水可以治疗或预防各种疾病。据估计，美国人每年在磁疗上的花费为5亿美元，而世界各地的人们在这方面的花费约为50亿美元。【来源:Winemiller通过它]．

支持者对其工作原理提供了几种解释。一是磁铁吸引血红蛋白中的铁血，改善特定区域的流通。另一种解释是磁场以某种方式改变了附近细胞的结构。然而，科学研究尚未证实使用静态磁铁对疼痛或疾病有任何影响。临床试验表明，磁铁的积极作用实际上可能来自于时间的推移、磁性鞋垫的额外缓冲或安慰剂效应。此外，饮用水通常不含有可磁化的元素，这使得磁性饮用水的想法值得怀疑。

一些支持者还建议使用磁铁来减少家庭中的硬水。据产品制造商介绍，大型磁铁可以通过消除铁磁性硬水矿物来降低硬水结垢水平。然而，通常造成硬水的矿物不是铁磁性的。一项为期两年的《消费者报告》研究还表明，用磁铁处理流入的水并不会改变家用热水器中水垢的积聚量。

尽管磁铁不太可能结束或消除慢性疼痛癌症尽管如此，研究它们仍然很吸引人。

最初出版:2007年4月2日