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如果把磁铁磨成球,其磁极情况应该是怎样的?

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日报标题:如果把磁铁磨成球形,磁极会跑到哪里去?

dahai wei,磁学/自旋电子学

回答你的问题之前,先介绍一点磁学的基本知识(大白话版):

1. 什么是铁磁性

材料里面如果原子有磁矩,就可以称之为磁性材料。(至于磁矩的起源,完全是量子力学的效应了,超出话题的范畴。)

铁,钴,镍,锰等等和它们的合金原子都有磁矩,是常见的磁性材料。而金银铜铝等等原子没有磁矩,是非磁性材料。

但磁性包括铁磁性,反铁磁性,自旋玻璃等等,(尽管很多人默认磁性就是铁磁)。

在铁磁性材料中(下图中的每个箭头代表一个原子的磁矩)

相邻的磁矩平行排列,整体表现出铁磁性。

而反铁磁材料中,因为相邻磁矩都是反平行排列,磁矩都相互抵消了,整体不显示磁性。

还有好几类磁性材料,不具体说了。

2. 铁磁材料里面的磁矩排列

下面只说铁磁材料。

对于一大块材料(磁铁),它的自发磁矩不会都沿着一个方向排列,而会分畴。

这样,尽管材料是铁磁的,但是由于分成了很多磁畴,相互抵消了,也没有整体磁性。技术上这个叫磁铁的完全“退磁态”。

如果磁铁放在大磁场下,可以把所有磁矩都拉到同一个方向,“饱和磁化”,

对于硬磁材料,撤去磁场之后,磁矩还是单畴的沿着一个方向。

例如上面的图,磁铁的右边是 N 极,左边是 S 极。

日常生活接触的永磁铁,都是硬磁材料制成的。所谓永磁,就是撤去磁场还有磁性的意思

而对于软磁材料,撤去磁场,又回到“退磁态”,磁性消失,没有磁极,软磁通常用于电磁铁的铁芯。

3. 形状对磁铁磁极的影响

下面涉及到对你问题的回答了。

先说一下答案,对于硬磁材料的永磁体,形状的影响可以忽略不计,其磁极分布和材料本身,以及磁化历史有关。也就是说最初在大磁场下饱和磁化的时候,外磁场加在哪个方向,N 极就在那个方向。环型还是球型没有区别。

那么,继续说一下,如果是软磁材料,比如 Permalloy,那么磁矩的分布会取决于形状,尺寸等等,会比较好玩。

首先,对于圆盘,有可能出现磁性涡旋,圆盘中磁矩是旋转着排列,但是中心竖起来。

变成圆环,就是洋葱态了

这几种情形,都很难定义传统的磁极了

至于磁性球,一种磁矩分布如下图:

上面的图可能不好懂,再简单说一下,磁铁之所以有铁磁性,是因为材料里面有很多小磁矩(比如原子磁矩),然后这些磁矩平行排列起来,磁矩指向的方向就是 N 极,反方向为 S 极。

所以磁极的分布就是由磁矩的排列决定的!

在铁磁材料中,磁矩的排列方向是沿着“有效磁场”

“有效磁场” = 外磁场 + 内磁场 (材料晶体结构决定))+ 退磁场 (磁铁的形状决定)

硬磁材料就是内磁场很大,去掉外磁场后,磁矩还是排列在内磁场的方向上;

软磁材料内磁场很小,撤掉外磁场,磁矩就乱掉(或者由退磁场决定,按照形状排列),磁极消失。

一般磁铁都是硬磁,它的内磁场很大远大于退磁场,形状几乎不起作用了,所以不管磨成什么样,磁矩排列不会变化,磁极不会变化。


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