磁鐵是如何運作的？磁極、電子與鐵為何會吸住
根據國家高磁場實驗室（National High Magnetic Field Laboratory，簡稱 MagLab），磁性歸根結底來自電子。每塊磁鐵都有北極和南極，異極相吸，同極相斥。
1. 每塊磁鐵的共同點
MagLab 列出了所有磁鐵共有的幾個特性：
- 每塊磁鐵都有北極和南極。
- **異極相吸，同極相斥。**北極拉南極；北極推開北極。
- 每塊磁鐵周圍都有磁場。依慣例，磁力線從北極出發，指向南極。
地球本身就是一塊巨大的磁鐵。MagLab 解釋說，科學家認為地球磁場來自地球液態外核中的對流，外核主要由鐵構成。這稱為地球發電機（geodynamo）。
2. 一切都歸結於電子
據 MagLab，所有磁性都以兩種方式之一歸結於電子：
- **運動的電子。**電流，也就是電子在導線中的流動，總會產生磁場。電磁鐵就是這樣運作的。
- **自旋的電子。**在像冰箱貼這樣的永久磁鐵中，磁性來自電子的自旋。每個電子都像一塊有自己南北極的微小磁鐵，它的軸可以指向兩個可能方向之一。
3. 為什麼大多數東西沒有磁性
如果每個電子都是微小的磁鐵，為什麼不是所有東西都有磁性？
MagLab 解釋說，在大多數材料中，原子的排列使一個電子的磁取向抵消了另一個電子的磁取向。所有這些微小的磁鐵指向相反的方向，它們的效果加起來，你什麼也察覺不到。
4. 鐵為什麼特別：磁區
鐵和另外幾種物質不同。它們的原子聚集成稱為**磁區（magnetic domain）**的小區域。在每個磁區內部，電子具有相同的磁取向。
那麼為什麼普通的鐵釘不是磁鐵？因為磁區本身指向不同的方向，所以整體上仍然相互抵消。
把那枚鐵釘放進磁場，磁區就開始朝同一方向排列。MagLab 簡單描述了結果：永久磁鐵就是所有磁區都朝同一方向排列的物體。
表現出這種行為的材料稱為**鐵磁性（ferromagnetic）**材料。MagLab 指出，在室溫下只有四種元素具有鐵磁性並能被永久磁化：鐵、鎳、鈷和釓。第五種元素鏑只有在低溫下才具有鐵磁性。鋁不在此列，所以磁鐵會從鋁製汽水罐上滑下來。相比之下，冰箱門則是 MagLab 在課堂活動中列出的日常暫時磁鐵之一。
5. 永久磁鐵與暫時磁鐵
永久磁鐵不需任何電力就能保持磁性。你無法把它們關掉。MagLab 列舉陶瓷磁鐵和鋁鎳鈷合金（alnico，鋁、鎳、鈷的合金）是兩種常見類型。
暫時磁鐵只有在磁場中時才表現得像磁鐵。軟鐵就是如此，MagLab 指出，這正是它被用作電話和馬達等裝置中暫時磁鐵的原因。
你可以用迴紋針看到這一點。在 MagLab 的一項課堂活動中，接觸磁鐵的迴紋針本身會變成磁鐵，並能吊住第二枚迴紋針。輕輕拉開兩枚迴紋針，它們仍會黏在一起一會兒，因為它們的電子仍然有序。把它們摔在桌上，衝擊會打亂這種秩序，磁性就消失了。
6. 磁鐵如何失去磁力
「永久」不等於永遠。MagLab 描述了使磁鐵退磁的兩種主要方式：
- 加熱。加熱會增加能量，擾亂排列。磁鐵無法再保持其磁場的溫度稱為居禮點（Curie point）。
- **撞擊。**用鐵鎚之類的重擊可能把排列整齊的磁區震得不再整齊。
磁鐵能維持多久取決於其材料。MagLab 指出，純鐵只能保持幾分鐘的磁化，而許多鐵合金保持磁性的時間要長得多。
7. 電磁鐵：附開關的磁鐵
1819 年，漢斯·克里斯蒂安·厄斯特（Hans Christian Ørsted）注意到，指南針的指針在靠近通電導線時發生了偏轉。MagLab 解釋了原因：電流總會產生環繞導線的磁場。
一根筆直的導線產生的磁場很弱。MagLab 描述了讓它變強的辦法：
- **把導線繞成線圈。**繞成圈會把各自獨立的磁場合成一個強得多的磁場。這樣的線圈稱為螺線管（solenoid），其磁場與圈數成正比。十圈大約是一圈磁場的 10 倍。
- **加一個鐵芯。**鐵的磁區會順著線圈的磁場排列，在不多用電的情況下顯著增強磁場。
- **增大電流。**通過線圈的功率越大，磁場越強。
關閉電流，磁場就消失。
8. 磁鐵有多強？
科學家用**特斯拉（tesla）和高斯（gauss）**來衡量磁場強度，1 特斯拉等於 10,000 高斯。MagLab 給出了一些對比：
| 磁鐵 | 大致強度 |
|---|---|
| 地球磁場 | 0.5 高斯（0.00005 特斯拉） |
| 典型的冰箱貼 | 10 高斯 |
| 最強的永久磁鐵 | 約 1.5 特斯拉 |
電磁鐵可以達到比永久磁鐵高得多的強度，所以研究實驗室和醫院的 MRI 掃描儀都依靠電磁鐵。
9. 重點整理
- 每塊磁鐵都有北極和南極；異極相吸，同極相斥。
- 磁性來自電子，要麼作為電流流動，要麼原地自旋。
- 在大多數材料中，電子磁鐵相互抵消；在鐵和少數其他金屬中，它們在磁區中排列整齊。
- 永久磁鐵是所有磁區都朝同一方向的材料；加熱或重擊會把它們打亂。
- 電磁鐵是通電的線圈，通常帶鐵芯，電流一停就關閉。