虽然磁铁在生活中十分常见,但每次看到还是会好奇磁铁究竟是如何制造的?这种隔空就能作用的神秘力量到底从哪儿来呢?早在5000年前,古人们就发现了磁体的神奇性质,并把它称作慈爱的石头。但直到18世纪,法国的物理大师安德烈·玛丽·安培才对磁性的来源做出了解释。
我们知道所有的物质都是由原子组成的,原子的结构又包括了原子核和电子。这些电子不断绕着原子核旋转,就是这些运动的电荷产生了磁场。有些物质比如最常见的天然磁石氧化铁,它的电子产生的磁场是有序的,彼此相互叠加就呈现出了磁性。但更多的物质内部磁场是无序的。相互抵消了就不具备磁性,这就是磁力的来源。
我们的地球也是一个大磁场,地球包括地壳、地幔、地核,还有地心。最深处的地心,在地下5000公里里面充满了熔融态的铁和镍,它们都是天然的磁性物质,不断向外放射着磁力线,就形成了地球强大的磁场。
那么人们又是如何制造出磁铁的呢?人工制造磁铁最早可以追溯到北宋时期,在军事著作《武经总要》中,记录着一种“指南鱼”的制作方法,将铁片剪成鱼的形状,放到火上烧红,之后放到子午线的方向上。大概三天之后,铁鱼就神奇地具有了磁性,这就是人们最早掌握的“人工磁化”的方法。高温能将铁中处于无序状态的原子重新打乱之后,沿子午线方向的强大的地磁场会使他们重新排好顺序,从而具备磁性。
而现如今的工业化磁铁生产方式采用的也是类似的原理,只不过用的是电磁场。将铁、钴、镍这样的磁性金属用模具高温浇筑制造成合金后,绑到一根通电的铜管上。根据电流的磁效应,铜管外部就会产生强大的磁场,从而将合金磁化。说到这里,可能有人想问,为什么只有铁、钴、镍这样的金属可以被磁化呢?这是因为不同的物质对于磁场的反应是不同的,这与原子结构有关,有的会对抗外来磁场的方向,有的会顺着磁场方向改变。但这两种材料对于磁场的反应都很弱,再强大的磁场都无法将它们磁化。但铁、钴、镍这样的铁磁性物质就不同了,只需要很小的磁场就能使它们的内部原子重新排列,从而具备磁性。
不过磁铁也不会永远带有磁性。有一种现象叫做“退磁”,如果给铁磁性物质加温到一定程度,由于分子的热运动,原子排列又再次变得散乱了,它们的磁性就会消失,这个临界温度也被称为“居里温度”,比方说铁的居里温度就是770度。此外强烈的撞击也会导致原本整齐的原子排序变得混乱,从而产生退磁的效果。