磁铁是如何工作的？磁极、电子与铁为何会吸住
据国家高磁场实验室（National High Magnetic Field Laboratory，简称 MagLab）介绍，磁性归根结底来自电子。每块磁铁都有北极和南极，异极相吸，同极相斥。
1. 每块磁铁的共同点
MagLab 列出了所有磁铁共有的几个特性：
- 每块磁铁都有北极和南极。
- **异极相吸，同极相斥。**北极拉南极；北极推开北极。
- 每块磁铁周围都有磁场。按惯例，磁感线从北极出发，指向南极。
地球本身就是一块巨大的磁铁。MagLab 解释说，科学家认为地球磁场来自地球液态外核中的对流，外核主要由铁构成。这称为地球发电机（geodynamo）。
2. 一切都归结于电子
据 MagLab，所有磁性都以两种方式之一归结于电子：
- **运动的电子。**电流，也就是电子在导线中的流动，总会产生磁场。电磁铁就是这样工作的。
- **自旋的电子。**在像冰箱贴这样的永磁体中，磁性来自电子的自旋。每个电子都像一块有自己南北极的微小磁铁，它的轴可以指向两个可能方向之一。
3. 为什么大多数东西没有磁性
如果每个电子都是微小的磁铁，为什么不是所有东西都有磁性？
MagLab 解释说，在大多数材料中，原子的排列使一个电子的磁取向抵消了另一个电子的磁取向。所有这些微小的磁铁指向相反的方向，它们的效果加起来，你什么也察觉不到。
4. 铁为什么特别：磁畴
铁和另外几种物质不同。它们的原子聚集成称为**磁畴（magnetic domain）**的小区域。在每个磁畴内部，电子具有相同的磁取向。
那么为什么普通的铁钉不是磁铁？因为磁畴本身指向不同的方向，所以总体上仍然相互抵消。
把那枚铁钉放进磁场，磁畴就开始朝同一方向排列。MagLab 简单描述了结果：永磁体就是所有磁畴都朝同一方向排列的物体。
表现出这种行为的材料称为**铁磁性（ferromagnetic）**材料。MagLab 指出，在室温下只有四种元素具有铁磁性并能被永久磁化：铁、镍、钴和钆。第五种元素镝只有在低温下才具有铁磁性。铝不在此列，所以磁铁会从铝制汽水罐上滑下来。相比之下，冰箱门则是 MagLab 在课堂活动中列出的日常临时磁体之一。
5. 永磁体与临时磁体
永磁体无需任何电力就能保持磁性。你无法把它们关掉。MagLab 列举陶瓷磁铁和铝镍钴合金（alnico，铝、镍、钴的合金）是两种常见类型。
临时磁体只有在磁场中时才表现得像磁铁。软铁就是如此，MagLab 指出，这正是它被用作电话和电动机等设备中临时磁体的原因。
你可以用回形针看到这一点。在 MagLab 的一项课堂活动中，接触磁铁的回形针本身会变成磁铁，并能吊住第二枚回形针。轻轻拉开两枚回形针，它们仍会粘在一起一会儿，因为它们的电子仍然有序。把它们摔在桌上，冲击会打乱这种秩序，磁性就消失了。
6. 磁铁如何失去磁力
“永久”不等于永远。MagLab 描述了使磁铁退磁的两种主要方式：
- 加热。加热会增加能量，扰乱排列。磁铁无法再保持其磁场的温度称为居里点（Curie point）。
- **撞击。**用锤子之类的重击可能把排列整齐的磁畴震得不再整齐。
磁铁能维持多久取决于其材料。MagLab 指出，纯铁只能保持几分钟的磁化，而许多铁合金保持磁性的时间要长得多。
7. 电磁铁：带开关的磁铁
1819 年，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Ørsted）注意到，指南针的针在靠近通电导线时发生了偏转。MagLab 解释了原因：电流总会产生环绕导线的磁场。
一根笔直的导线产生的磁场很弱。MagLab 描述了让它变强的办法：
- **把导线绕成线圈。**绕成圈会把各自独立的磁场合成一个强得多的磁场。这样的线圈称为螺线管（solenoid），其磁场与匝数成正比。十匝大约是一匝磁场的 10 倍。
- **加一个铁芯。**铁的磁畴会顺着线圈的磁场排列，在不多用电的情况下显著增强磁场。
- **增大电流。**通过线圈的功率越大，磁场越强。
关闭电流，磁场就消失。
8. 磁铁有多强？
科学家用**特斯拉（tesla）和高斯（gauss）**来衡量磁场强度，1 特斯拉等于 10,000 高斯。MagLab 给出了一些对比：
| 磁铁 | 大致强度 |
|---|---|
| 地球磁场 | 0.5 高斯（0.00005 特斯拉） |
| 典型的冰箱贴 | 10 高斯 |
| 最强的永磁体 | 约 1.5 特斯拉 |
电磁铁可以达到比永磁体高得多的强度，所以科研实验室和医院的 MRI 扫描仪都依靠电磁铁。
9. 重点摘要
- 每块磁铁都有北极和南极；异极相吸，同极相斥。
- 磁性来自电子，要么作为电流流动，要么原地自旋。
- 在大多数材料中，电子磁铁相互抵消；在铁和少数其他金属中，它们在磁畴中排列整齐。
- 永磁体是所有磁畴都朝同一方向的材料；加热或重击会把它们打乱。
- 电磁铁是通电的线圈，通常带铁芯，电流一停就关闭。