如果把磁鐵磨成球,其磁極情況應該是怎樣的?

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作者:dahai wei

簡單說一下,磁鐵之所以有鐵磁性,是因為材料里面有很多小磁矩(比如原子磁矩),然后這些磁矩平行排列起來,磁矩指向的方向就是N極,反方向為S極。
所以磁極的分布就是由磁矩的排列決定的!

在鐵磁材料中,磁矩的排列方向是沿著“有效磁場”,
“有效磁場” = 外磁場 + 內磁場 (材料晶體結構決定) + 退磁場 (磁鐵的形狀決定)
硬磁材料就是內磁場很大,去掉外磁場后,磁矩還是排列在內磁場的方向上;
軟磁材料內磁場很小,撤掉外磁場,磁矩就亂掉(或者由退磁場決定,按照形狀排列),磁極消失。
一般磁鐵都是硬磁,它的內磁場很大遠大于退磁場,形狀幾乎不起作用了,所以不管磨成什么樣,磁矩排列不會變化,磁極不會變化。


回答你的問題之前,先介紹一點磁學的基本知識(大白話版),

1. 什么是鐵磁性
材料里面如果原子有磁矩,就可以稱之為磁性材料。(至于磁矩的起源,完全是量子力學的效應了,超出話題的范疇了)
鐵,鈷,鎳,錳等等和它們的合金原子都有磁矩,是常見的磁性材料。而金銀銅鋁等等原子沒有磁矩,是非磁性材料。

但磁性包括鐵磁性,反鐵磁性,自旋玻璃等等,(盡管很多人默認磁性就是鐵磁),

在鐵磁性材料中(下圖中的每個箭頭代表一個原子的磁矩)
相鄰的磁矩平行排列,整體表現出鐵磁性。


而反鐵磁材料中,因為相鄰磁矩都是反平行排列,磁矩都相互抵消了,整體不顯示磁性。


還有好幾類磁性材料,不具體說了


2. 鐵磁材料里面的磁矩排列
下面只說鐵磁材料。

對于一大塊材料(磁鐵),它的自發磁矩不會都沿著一個方向排列,而會分疇。

這樣,盡管材料是鐵磁的,但是由于分成了很多磁疇,相互抵消了,也沒有整體磁性。技術上這個叫磁鐵的完全“退磁態”。


如果磁鐵放在大磁場下,可以把所有磁矩都拉到同一個方向,“飽和磁化”,
對于硬磁材料,撤去磁場之后,磁矩還是單疇的沿著一個方向。

例如上面的圖,磁鐵的右邊是N極,左邊是S極。
日常生活接觸的永磁鐵,都是硬磁材料制成的。所謂永磁,就是撤去磁場還有磁性的意思
而對于軟磁材料,撤去磁場,又回到“退磁態”,磁性消失,沒有磁極,軟磁通常用于電磁鐵的鐵芯。


3. 形狀對磁鐵磁極的影響
下面涉及到對你問題的回答了。
先說一下答案,對于硬磁材料的永磁體,形狀的影響可以忽略不計,其磁極分布和材料本身,以及磁化歷史有關。也就是說最初在大磁場下飽和磁化的時候,外磁場加在哪個方向,N極就在那個方向。環型還是球型沒有區別。

貌似這個答案有點無聊~~~

那么,繼續說一下,如果是軟磁材料,比如Permalloy,那么磁矩的分布會取決于形狀,尺寸等等,會比較好玩。
首先,對于圓盤,有可能出現磁性渦旋,圓盤中磁矩是旋轉著排列,但是中心豎起來。


變成圓環,就是洋蔥態了

這幾種情形,都很難定義傳統的磁極了


至于磁性球,一種磁矩分布如下圖:



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