磁性材料

**磁鐵**或稱**磁石**，是可以吸引鐵並於其外產生磁場的物體。狹義的磁鐵指磁鐵礦石的製品，廣義的磁鐵指的是用途為產生磁場的物體或裝置。磁鐵作為磁偶極子，能夠吸引鐵磁性物質，例如鐵、鎳及鈷等金屬。磁極的判定是以細線懸掛一磁鐵，指向北方的磁極稱為**指北極**或 **N 極**，指向南方的磁極為**指南極**或 **S 極**。（如果將地球想成一大磁鐵，則目前地球的地磁北極是 S 極，地磁南極則是 N 極。）磁鐵異極則相吸，同極則排斥。即指南極與指北極相吸，指南極與指南極相斥，指北極與指北極相斥。

磁鐵分作永久磁鐵與非永久磁鐵。天然的永久磁鐵又稱為天然磁石，永久磁鐵也可以由人工製造（最強的磁鐵是釹磁鐵）。非永久性磁鐵只有在某些條件下會有磁性，通常是以電磁鐵的形式產生，也就是利用電流來強化其磁場。

未磁化的磁石內部磁分子（分子磁鐵學說）是無規則排列的，經過磁化的過程後磁分子會有規則的排列。此時，磁分子的 N 極和 S 極會朝向相同方向使磁石具有磁性而成為磁鐵。同時，同一磁鐵上存在相反兩極且兩極之磁量相等。

## 磁鐵製備歷史

古代人們是從天然磁石中認識磁性，天然磁石一般是在自然界被磁化的鐵礦石，會吸引鐵的物品。希臘文的磁鐵意思是「來自馬格尼西亞（Magnesia）的石頭」，懸吊著的天然磁石就是最早的指南針。已知最早記載磁鐵及其性質的文獻是在二千五百年前，來自希臘、印度及中國的文獻。古羅馬作家老普林尼在《博物志》就已記載天然磁石及其可以吸收鐵的特性。中國文獻對天然磁石吸引鐵以製備磁鐵的描述於《管子》、《呂氏春秋》及《淮南子》中提及，被稱為「慈石」。

約在西元前 12 至 13 世紀，中國、歐洲及其他地區的人已經用指南針來導航。

## 有關磁和磁鐵的背景知識

### 磁場

磁感應強度（也稱為 B 場，符號為 **B**）為一向量場。空間中一點的 B 場由以下二個性質決定：

1. 方向：延著指南針的指北極指向的方向。
2. 大小（也稱為強度）：是和指南針受到 B 場影響的程度成正比。

在國際單位制中，B 場的單位是特斯拉，簡稱 T。

### 磁矩

磁鐵的磁矩是一個可以描述磁鐵整體磁特性的向量。磁鐵的磁矩方向是從磁鐵的指南極指向指北極，大小和磁鐵強度和長度成正比，國際標準制的磁矩單位為 A・m2。磁矩中包含有磁偶極矩、磁四極矩…… 等，其中最常使用的是磁偶極矩，符號為 **μ**。

磁鐵在產生磁場的同時，也會受到外部磁場的影響。磁鐵外一特定點的磁場強度和磁鐵磁矩的大小成正比。而且當磁鐵放在一個由其他線圈或磁鐵產生的外部磁場中時，磁鐵會受到一個試圖將其磁矩對正磁場的轉矩，轉矩大小和外部磁場及磁鐵磁矩的乘積成正比。在一外加磁場中的磁鐵也可能會受力往特定方向移動，若磁場不隨空間而變化，磁鐵所受的淨力為零。

一平面載流圓形迴圈若其面積是 _A_，上面的電流為 _I_，可以視為一個磁鐵，其磁偶極矩 **μ** 為 _IA_。

### 磁化強度

一磁性材料特定位置的磁化強度是單位體積下的磁矩，符號為 **M**，單位為 A / 公尺。一磁鐵在不同區域下，可能磁化的強度及方向有所不同，因此磁化強度為一個向量場。好的棒狀磁鐵可以在一立方公分的體積內有量值 0.1 A・m2 的磁矩，因此平均磁化強度為 100,000 A/m。鐵的磁化強度大約可以到 106A/m，因此利用鐵可以有效率的產生磁場。

### 磁鐵的模型

有兩種不同的磁鐵模型：磁極模型及原子電流模型（安培模型）。

磁極模型就是用指南極及指北極的磁極來描述磁鐵，若將磁鐵從中間折斷，試圖將指南極及指北極分開，結果會出現二個小磁鐵，仍各自有其指南極及指北極。不過專業的磁學家用一種磁極模型來設計永久磁鐵。在此磁極模型中，磁極中磁化強度的散度∇・**M** 和其磁化強度垂直表面的分量 **M**·**n** 視為磁單極子的分佈（此說法只是為了數學運算上的方便，不意味著磁鐵中真的存在磁單極子）。若已經知道磁極的分布，則利用磁極模型可以計算磁場強度（H 場），在磁鐵外部的磁感應強度（B 場）會和 H 場成正比，但在磁鐵內部需考慮磁化強度 M 的影響。在此磁極模型的一個衍生版本中，可以用內部的磁荷來說明鐵磁性材料的磁化（ferromagnetism）。

另一個模型是安培模型，認為磁鐵的磁性是因為材料原子中的束縛電流所造成，此電流也稱為安培電流。對於均勻磁化的圓棒型磁鐵而言，原子中束縛電流的整體效應就是使磁鐵整體來看好像有一電流在其表面流動，流動方向和圓棒型磁鐵的軸垂直。材料中原子的束縛電流的效應會被相鄰原子的電流抵消，只有表面的原子不會被抵消，因此整體效應可視為只在表面有電流。電流的方向則利用右手定則來決定。

### 磁性物質

在電磁鐵問世之前，磁鐵是指在沒有外加磁場及電場的情形下可以持續性產生磁場的物體。只有特定的材料只有此特性，不過大部份的材料在外加磁場中，都會因外加磁場而產生一個磁場，依材料的不同，所生成的磁場會使物體被外磁場吸引或排斥。可分為以下幾種：

* 鐵磁性及亞鐵磁性材料是一般認定的磁性材料，會被磁鐵的任何一極吸引，且可以感受到其吸引力。也只有這類的物質可以在外加磁場消失後時仍維持其磁化的特性，因此可以作為磁鐵使用。像是冰箱磁鐵的磁性就是因為這類材料所產生。亞鐵磁性材料包括鐵氧體及最早的天然磁鐵磁鐵礦及天然磁石，其磁性和鐵磁性材料類似，但磁力略弱。兩者磁力的差異是因為其微觀結構所造成。
* 順磁性材料，像鉑、鋁和氧等物質，會微弱的被磁鐵的任何一極吸引，但其吸引力只有鐵磁性材料的幾十萬分之一，所以只能用精密儀器來量測。鐵磁流體是指懸浮許多奈米數量級大小的的鐵磁體粉末，因為無法被磁化．有時也視為是順磁性材料。
* 反磁性材料，像碳、銅、水和塑膠等物質會被磁鐵的任何一極排斥，其排斥力非常微弱。大部份的物質都是反磁性的，其磁導率略小於真空磁導率，若使用一般磁鐵，其排斥力非常小。但若使用強力的超導磁鐵，像鉛塊甚至老鼠都可以因為磁浮而浮在空中。超導體也會受磁場的排斥，是強烈的反磁性材料。

物質的磁性除上述幾種外，還有像自旋玻璃、反鐵磁性、超順磁性等。

## 永久磁鐵

永磁體可分為以下的幾個種類：

* 鐵氧體：以氧化鐵為其主要成份的陶瓷材料。
* 鋁鎳鈷合金：添加了鋁（Al）、鎳（Ni）、鈷（Co）元素的鐵合金。
* 稀土磁鐵：由稀土元素合金所組成的強力永久磁鐵，其中最常見的有釹磁鐵（也稱做釹鐵硼磁鐵）及釤鈷磁鐵。

### 鋁鎳鈷合金

鋁鎳鈷合金（Alnico）是一種鐵合金，除了鐵以外，還添加了鋁（Al）、鎳（Ni）、鈷（Co）以及少量其他增強磁性能的成分。鋁鎳鈷合金具有高矯頑性（coercivity），是很適合為永久磁鐵的材料。鋁鎳鈷合金堅硬易脆，無法冷加工（cold work），必需用鑄造或者燒結（Sintering）處理製成。

舉一個中間性質的各向異性鑄造鋁鎳鈷合金例子，Alnico-6 的成分為 8% Al、16% Ni、24% Co、3% Cu、1% Ti，其它都是 Fe。Alnico-6 的最大磁能積（BHmax）為 3.9 百萬高斯 - 奧斯特（megagauss-oersted，MGOe），矯頑性為 780 oersted ，居禮溫度為 860 °C，最高工作溫度為 525 °C。

於 1931 年，日本材料專家 Mishima 發現了一種特定成分的鋁鎳鈷合金（58% Fe，30% Ni，12% Al），其矯頑性極高，是那時期最好的磁性鋼的兩倍。

### 釤鈷磁鐵

釤鈷磁鐵是一種稀土磁鐵，是由釤、鈷和其它金屬稀土材料經配比製成的一種磁鐵。於 1970 年發展成功，釤鈷磁鐵是現今磁性第二強烈的磁鐵，具有較高的最大磁能積（BHmax），較高矯頑性，易碎，易裂。釤鈷磁鐵的最大磁能積的範圍從 9 MGOe 到 31 MGOe。釤鈷磁鐵有兩種組成比，分別為 (釤原子：鈷原子) 1:5 和 2:17。例如，2:17 合金的最大磁能積為 26 MGOe，矯頑性為 9750 oersted ，居禮溫度為 825°C，最高工作溫度為 350°C。

### 釹鐵硼磁鐵

釹鐵硼磁鐵是由釹、鐵、硼（Nd2Fe14B）形成的四方晶系晶體。於 1982 年，住友特殊金屬的佐川眞人發現釹磁鐵。這磁鐵的磁能積（BHmax）大於釤鈷磁鐵，是全世界那時磁能積最大的物質。後來，住友特殊金屬發展成功粉末冶金法（powder metallurgy process），通用汽車公司發展成功旋噴熔煉，能夠製備釹鐵硼磁鐵。這磁鐵是現今磁性最強的永久磁鐵，也是最常使用的稀土磁鐵，被廣泛地應用於電子產品，例如硬碟、手機、耳機以及用電池供電的工具等等。

為了避免腐蝕的損害，使用時需要在該永磁材料表面做保護處理，例如用金、鎳、鋅、錫進行電鍍，以及表面噴塗環氧樹脂等。

## 永久液態磁體

永久液態磁體指的是能形成各種形狀，能被操縱移動的磁性液滴。磁性液滴的形狀能從球形變到圓柱體到薄餅形，甚至是海膽的形狀。論文主要作者、麻薩諸塞大學阿姆赫斯特分校教授 Thomas Russell 的團隊用 3D 列印液態做實驗，原本是打算創造出一種固態材料，結果卻創造出了磁性的液體，它由水、油和鐵氧化物構成，用磁線圈磁化。在移除磁線圈後，液滴仍然能保持磁性。當它靠近磁場，氧化鐵粒子全都以相同的方向排列。這項研究報告發表在《科學》期刊上。

## 電磁鐵

最簡單的電磁鐵就是繞一圈或數圈的導線線圈，稱為螺線管。當螺線管上有電流時會產生磁場，磁場集中在螺線管附近，特別是其內部，其磁場分布和磁鐵造成的磁場相當類似，而磁鐵的方向可以依照右手定則決定。電磁鐵產生的磁場和磁矩和螺線管圈數、截面積及其上面流過的電流乘積成正比。

若導線線圈繞在一般材料時，產生的磁場很小，但線圈繞在軟鐵磁性材料（例如鐵釘）時，其磁場可以增加到原來的數百至數千倍。

電磁鐵可以用在馬達、粒子加速器、核磁共振影像儀器中。有些應用需要較複雜的磁極，例如粒子束的強聚焦就需要磁四極子或六極磁鐵等設備。

## 電永磁

電永磁是一種可由電力控制的磁鐵。它只需在充磁或退磁時需要電力，然後不需電力即可保持磁力。

## 磁鐵的磁化和退磁

鐵磁性材料可以用以下的方式磁化：

* 將材料加熱到居禮溫度以上，在有外加磁場的條件下冷卻，並在冷卻過程中錘打材料。這是最有效的磁化方式，也類似工業中製造永久磁鐵的方式。
* 將材料置放在外加磁場中，當磁場移除後，鐵磁性材料仍會有磁場，稱為殘磁。若在有外加磁場時振動材料，效果會更好。
* 若將一磁鐵反覆的由材料的一端移動到其另一端，也可以幫助其磁化。

已磁化的鐵磁性材料則可以用以下方式退磁：

* 加熱到居禮溫度以上，分子運動會破壞材料的磁域，可以消除所有的磁性。
* 將材料放在一反覆變化的磁場中，而其 H 場的強度超過材料的矯頑力，然後再慢慢的將材料移出磁場，或慢慢的將磁場強度降到零。這是去磁器對設備及信用卡去磁，以及陰極射線管中去磁線圈的原理。
* 若磁鐵放在磁場強度大於矯頑力的反向磁場中，磁鐵可能會部份退磁，不過也有可能被反向磁鐵所磁化。
* 錘打或是撞擊：力學上的擾動會打亂其磁域，也會減少其部份磁性。

## 對人體的影響

靜磁場對於人體組織的影響不太大，很少有主流科學研究的證據顯示曝露在靜磁場下對安全的影響。但已有研究認為電磁輻射（高頻的電磁場）和發生癌症的比率有相關性。

若人體組織中有鐵磁性的異物，外加磁場可能會有重大的安全風險。

另一種和磁場有關的安全風險是心律調節器。若病人體內有心律調節器，必須遠離有強磁場的環境。這也是有安裝心律調節器的病人不能進行核磁共振掃描的主要原因。

偶爾會有小孩吞下小磁鐵，若吞下超過一顆以上磁鐵，磁鐵相吸時可能擠壓組織造成內出血或穿孔，已有一個因這類原因死亡的案例。

## 一般用途

對於磁帶和其他的磁媒介存儲設備像硬碟也是有非常重要的影響作用。在這些材料中，很顯然一個磁極代表一個比特（bit），如北極代表 1 而南極代表 0。然而，更換該存儲器從一個到另一個，此遲滯作用要求了解已存資訊，因為所需的場強在每種情況下都會不同。為了解決該問題，記錄系統首先使用帶偏移程序過速驅動整個系統到一個已知狀態。模擬電磁記錄同樣適用這種技術。不同材料要求不同的偏移量，這就是為什麼在大多數卡式錄音帶前端都有一個選擇裝置（防寫）。

## 參考資料

## 參見

## 外部連結

* Answers to several questions from curious kids about magnets （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Magnetic units are discussed here
* Kids Konnect - Magnets （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）