【磁力2】為什麼磁鐵會有磁？探討磁力的來源

你有沒有想過，為什麼一塊小小的磁鐵可以黏住一堆回形針，卻不是所有金屬都能做到？或者把磁鐵掰成兩半，兩邊為什麼還是各自有南北極？其實，磁性的秘密藏在原子裡微小的「箭頭隊伍」，以及如何把這些隊伍排列成整齊的一排，本文會用生活化的例子，帶你一步一步看懂。

磁性的基本想像：許多小箭頭合力而成

把一塊磁鐵放大許多倍想像，你會看到裡面不是一片均勻的東西，而是由很多「小區塊」組成。每個小區塊裡，原子就像小小箭頭（我們稱為磁矩），有自己的方向。如果這些小箭頭在一個區塊內都朝同一個方向，那個區塊就像一顆小磁石；整塊磁鐵是否強，關鍵在於這些小區塊之間是否也朝同一方向排列。

若大多數小區塊指向相同方向，整塊磁鐵的外顯磁力就強；若各區塊方向亂七八糟，彼此互相抵消，磁力就會變弱。想像一間戲院裡觀眾如果齊聲喊同一句口號，聲音就大；如果各自喊不同話，聲音就互相干擾、聽不清。

不是所有物質都能變成永久磁鐵

化學元素的性質影響它們會如何對外界磁場反應。把元素排在一張表上（元素週期表），你會發現只有其中三種金屬——鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）——具有成為「鐵磁性」材料（能形成永久磁鐵）的潛力。其它元素遇到磁場時，可能只是暫時跟著磁場排列（順磁性），或者會產生一個微弱反向的磁性去抵抗外來磁場（反磁性）。

生活中常見的吸鐵力多半來自鐵、鎳、鈷或它們的合金；像你在鴨寮街或零件舖買到的強磁鐵，通常就是經過特殊處理的這類材料。

磁區（domain）是關鍵：為什麼有強有弱？

把磁鐵再放大看，會看到許多稱為「磁區」的區塊（英文叫 domain）。每個磁區內的磁矩排列得很整齊，但不同磁區的方向可以不同。當這些區塊方向彼此抵銷，整塊磁鐵的淨磁場就小；若大多數區塊被迫朝同一個方向，淨磁場就大。

弱磁鐵像是一堆方向各異的小隊伍互相拉扯，結果大家互相抵銷；強磁鐵則像軍隊被統一命令齊步前進。工業上讓磁鐵變強的做法，就是把這些原本各自為政的磁區強行「整隊」，使它們朝相同方向排列。

磁性的來源：電子自旋與磁矩

要更深一步理解，就要介紹磁矩的起源：微觀上，磁性主要來自電子的「自旋」與運動。電子像小磁棒，有方向性；在鐵、鈷、鎳這些元素裡，部分電子的自旋不容易被熱擾動打亂，因此在沒有外加磁場時，若某個區塊內它們已經一起指向同一方向，就能長時間保持下去，形成永久磁性。

如果你聽過量子力學，會知道「自旋」不是日常直觀的旋轉，但用「小箭頭指向某一邊」的想像已足夠幫助理解為什麼會產生磁性。

工業如何把磁鐵變強？居禮溫度的角色

在工業上，把一塊材料製成強磁鐵常用的方法包括在冷卻或退火時施加強磁場，或經過機械與熱處理，讓更多磁區的方向一致。這種處理能把原本大小不一、方向各異的區塊強迫排列，最後整體表現出較大的磁場。

另一個重要概念是居禮溫度（Curie temperature）：對每種鐵磁性材料來說，都存在一個臨界溫度，超過它，原本整齊的磁矩會因為熱擾動而亂掉，材料就喪失鐵磁性，變成只有微弱順磁性的狀態。把磁鐵加熱到超過居禮溫度再冷卻，如果在冷卻過程中沒有外加磁場，原來被整齊排列的磁區可能就不再整齊了，磁性減弱或消失。

生活中的觀察與簡單實驗

– 將磁鐵掰成兩半：每一半仍有南北極，因為每一小塊仍會形成自己的磁區，磁極並非來自整塊磁鐵的某一端堆積物，而是每個區域都會形成完整的北、南。
– 用強磁場「刷」磁鐵：在沒有專業工具時，你可以用一塊很強的磁鐵沿同一方向多次摩擦另一塊鐵，使那塊鐵內部的磁區慢慢趨向同一方向，這樣可以略微增強磁性，但效果有限。專業的做法是用電磁線圈或高溫與外加磁場處理。
– 加熱磁鐵看變化：把磁鐵加熱接近居禮溫度（要小心安全），會發現吸力變弱；冷卻後若沒有在外磁場下重新處理，磁性可能無法完全恢復。