互动科普

说到磁铁，我们或许会想起冰箱或黑板上贴纸用的吸铁石。但是，磁铁的功能远不止于此。实际上，磁铁是现代生活中的必备工具。

例如，将电流转变为动力的电动机（简称电机）上必须有磁铁。也就是说，装有电机的手机、电脑、汽车、冰箱、空调等现代主要的电气化产品都离不开磁铁。可以说，没有磁铁就没有我们现在的舒适生活。

请看右侧图表。横轴代表年代，纵轴代表磁铁强度。虽然都称之为磁铁，但种类繁多。例如，冰箱上吸附用的吸铁石多为铁氧体磁铁。从表中可以看出，在最近的100年内，磁铁的强度已增至最初的60倍。随着磁铁的改进，电机逐渐实现了小型化，各种电机性能不断提高。目前最强的磁铁是钕磁铁（也称钕铁硼磁铁）。首先，我们来回顾磁铁的历史，看看磁铁强度的变化吧。

磁铁的发现与改进

据说，公元前3000年左右，人类在希腊的Magnesian地区首次获得磁铁。这块天然磁铁被称为“磁铁矿”，因为它具有能使铁移动的不可思议的魔力，被人们奉为“神秘之石”。“Magnesian”成为磁铁英文“Magnet”的词源。

在很长一段时间里，人工都无法制造强力磁铁。进入19世纪，随着人们逐渐了解磁力的原理，人造磁铁的研究也广泛展开。但强力磁铁的开发仍然很困难。

重大的技术突破出现于1917年。日本东北大学的本多光太郎博士开发出了“KS钢”。所谓KS钢，是指含有钴、钨、铬、碳元素的铁合金，磁力是之前磁铁的3倍，作为当时世界上最强的永磁铁崭露头角。以这项发明为契机，出现了各种人造磁铁。1932年，日本东京大学的三岛德七博士在铁和镍的基础上添加铝元素，发明了“MK钢”。这种经改良制造出来的磁铁称为“铝镍钴磁铁”，在后述的“钐钴磁铁”出现之前，一直是世界上最强的磁铁。1930年，日本东京工业大学的加藤与五郎博士与武井武博士成功研制出“铁氧体磁铁”。由于这种铁氧体磁铁是以氧化铁为主要原料，价格相对便宜，因此也成为目前产量最多的磁铁。

1967年，美国研制出一种含有稀土元素钐的磁铁。

这种磁铁被称为钐钴磁铁，其磁力立刻超越了之前的最强磁铁铝镍钴磁铁的磁力纪录。但是，钐和钴的资源少，原料供给不稳定，所以人们期待开发出可以代替的磁铁。

在这个过程中，1982年，佐川真人博士使用钕、铁、硼元素开发出了钕磁铁。钕磁铁的优点是磁力比钐钴磁铁强。而且，资源也比钐丰富。就这样，钕磁铁迅速在世界范围内普及。

磁铁的演化  出处：日本电子材料工业会

磁力之“源”在于电子！

为何磁铁本身具有吸铁的功能呢？磁铁的强度又是什么决定的呢？

我们来看一下磁铁的内部结构。磁铁有N极和S极。但即使把磁铁切成一半，N极和S极也不会分离。因为被切开的两段又分别产生了各自的N极和S极。

那如果把磁铁细分到原子大小会怎样呢？实际上，每个原子也有N极和S极，都带有磁性（原子磁性，相当于一个小磁铁）。进一步仔细研究会发现，原子是由原子核和电子构成，每个电子上也有N极和S极。如此看来，电子也是一个小磁铁，而“电子磁性”是所有磁力的源泉。

所有的元素都带有电子。但不可思议的是，在常温下能变为磁铁的金属（铁磁性）只有铁、钴、镍3种。

这是因为，除了这3种元素，其他原子中电子的磁性相互抵消，对外无法显示磁性。

永磁铁与铁钉的区别

铁内部拥有带磁性的原子，但为何由铁制成的铁钉不能成为永久性磁铁呢？铁钉吸附到磁铁上以后，铁钉的尖端可以吸附回形针等物体。也就是说，铁钉临时具有了类似磁铁的功能。像这样，物质带有了磁性叫做“磁化”。但是，当铁钉离开磁铁后，铁钉所具有的吸附回形针的能力就会瞬间减弱。

实际上，要成为永久性磁铁，原子磁性的方向很重要。永磁铁中基本上所有原子的N极与S极取向是统一的。相比之下，铁钉内部也被划分为许多原子磁性取向统一的区域，被称为“磁畴”。磁畴中，由于原子磁性的取向统一，磁畴也会像磁铁一样发挥作用。但是，由于相邻磁畴的N极与S极磁性相互抵消，所以对外无法显示出磁性。

那么，永磁铁为何能成为永久性磁铁呢？实际上，磁铁内加入了能够“控制”原子磁性取向的原子，使其取向不易改变。阻止了原子磁性的方向发生改变，使得N极与S极保持统一取向。钕磁铁中发挥此作用的是钕元素。钕磁铁的晶体中每14个铁原子就有2个钕原子。

铁钉为何不能成为永磁铁？

磁铁的强度一般是由“磁通密度”和“矫顽力”来决定的。“磁通密度”是指磁感线（从N极出来进入S极，表示磁力大小和方向的假想的线）的密度。同样大小的磁铁，磁力越大，单位面积上磁感线数量就越多。“矫顽力”是指磁铁退回到未被磁化的状态所需要的反向外部磁场（退磁场）强度。这两项乘积的最大值即表示磁铁强度的“最大磁能积”。

基本由铁原子构成的铁钉仅在靠近磁铁的期间具有很强的磁力。但离开磁铁时，原子磁性的取向会立刻改变，磁力消失。也就是说，矫顽力很小。因此，单纯的铁不能成为磁力强大的永磁铁。但另一方面，钕磁铁的磁通密度大，且矫顽力大，所以被称为最强磁铁。

（本文发表于《科学世界》2016年2期）