【磁力4】磁場怎麼被「推開」？從普通物料到超導體看懂逆磁性與懸浮的原理
我們經常見到磁鐵能吸鋼釘、吸回形針，但有些物質卻會被磁場排斥——這就是所謂的逆磁性（或稱抗磁性、diamagnetism）。乍看很神祕，其實把它拆開來看，既有日常生活的例子，也有深刻的物理原理和令人驚嘆的實驗，例如超導體讓磁鐵懸浮的那場景。
磁性的三種基本類型：一個簡單分類
把常見物質的磁性分成三類，幫助我們理解它們在外加磁場下的行為：
- 鐵磁性：像鐵、鎳、鈷等材料，內部的磁矩（微小的磁方向）可以自發排列，形成很強的磁場，能被永久磁化，這就是一般磁鐵的來源。
- 順磁性：材料本身沒有強烈的磁矩，但在外加磁場下會被微弱吸引。這種效應通常很微小，只有在沒有被其他更強磁性掩蓋時才明顯。
- 逆磁性（抗磁性、diamagnetism）：當外面加上一個磁場，這類材料會產生微小的磁矩方向相反，因而對外加磁場產生排斥力。
要注意的是，逆磁性其實在所有物質中都存在，只是通常太弱，會被鐵磁或順磁效應蓋過，因此只有在那些沒有淺顯順磁或鐵磁成分的材料裡，逆磁的效果才會被看見。
生活中的逆磁例子：鉀、銀、汞與碳的差異
有些元素在週期表上會被標示為具逆磁性的，例如銀（Ag）、水銀（Hg）以及許多常見的碳形態。這些例子有助於理解逆磁性的強弱差異：
- 碳的不同形態：鑽石的逆磁性非常弱；普通鉛筆芯（石墨或無定形碳）也是很弱；但特別製備的 Pyrolytic Carbon（熱解碳）其逆磁反應就明顯得多，能在展示中看到可觀的排斥效果。
- 銀、汞和水：這些物質對磁場的排斥也存在，但通常非常微小，不會像鐵磁材料那樣被磁鐵吸住或顯著排斥。
可以把逆磁性想像成物質內部微小電流或電子運動的「被迫反應」：當外面施加磁場，電子的運動會稍微改變，產生一個微小的磁場方向剛好相反，從而產生排斥效果。這種反應通常很弱，但是真實存在。
超導體：極強的「完美逆磁」與磁懸浮
將逆磁性推到極致的，就是超導體。超導體有兩個常被提到的特性：電阻為零（電流無阻力）和對磁場的特殊反應——Meissner效應（麥斯納效應），即把磁力線排斥到超導體之外。
實驗上最直觀的示範是：把一塊高溫超導材料浸在液態氮（非常低溫，但被稱「高溫超導」是相對而言）中，然後把一顆小磁鐵放在超導體上方。當溫度低於超導的臨界溫度，超導體會把磁力線推開，磁鐵就會被排斥而懸浮在空中——像是在空氣中浮起來一樣。
這裡要注意幾點：
- 磁鐵在上、超導體在下：超導體通常放在冷媒（例如液態氮）中保持低溫，磁鐵放在上面。
- 懸浮不是永遠的：如果外加的磁場太強，或超導體被加熱到高於臨界溫度，磁場就會穿透進去，懸浮就會消失，磁鐵會掉下來並黏在上面。
- 超導體的逆磁性遠超一般物質：相比普通的逆磁材料，超導體能排斥的磁通量多得多，因而能做出顯眼的懸浮效果。
為什麼磁力線會被推開？物理直覺與比喻
磁場常被用「磁力線」來描繪：你可以把它想像成在空間中無形的線條，顯示磁力的方向與密度。當一塊材料面對一個外加磁場時，內部的微觀粒子（主要是電子）會有兩種反應：
- 產生小磁矩，順着外場方向，使物質被吸引（順磁或鐵磁的情形）；
- 或產生小磁矩反向外場，使物質被排斥（逆磁情形）。
比喻：想像外面下雨（外加磁場），有的屋頂會收集雨水（被吸引），有的屋頂會把水往外推（被排斥）。普通的逆磁材料像是有很多小傘，能把一點點雨水擋開；超導體則像是一個超大、無縫的防水罩，幾乎把雨水完全擋在外面，只要雨勢沒達到某個極限。
微觀原因：簡單說明電子如何反抗磁場
不用複雜數學，也可以有直觀理解。電子除了有電荷，也有自旋和圍繞原子核的軌道運動，這些都會產生微小的磁矩。當外面加上一個磁場時，電子的運動會被略微改變，產生一個反方向的磁矩，這就是逆磁效應的來源。
在超導體裡，情況更強烈。超導體裡會出現能夠無阻力流動的電流（表面電流或屏蔽電流），這些電流剛好產生一個磁場來抵銷外加場，最終把磁力線排到外面。這種完全排斥磁場的行為，就是Meissner效應，使得超導體看起來像是「完美的逆磁體」。
實驗小提醒：看超導懸浮需要注意的事
如果你有機會到大學開放日或科學館看到超導懸浮示範，可以留意：
- 超導體必須夠冷：通常用液態氮或更冷的液體來降溫。當材料溫度高於臨界值，超導與排斥現象就消失。
- 磁場不能太強：超導體對磁場有一個承受上限，超過後磁力會穿透，懸浮會破壞。
- 注意安全：示範常涉及極低溫液體與強磁鐵，現場通常會有保護措施與講解。
總結：從微小電子到懸浮磁鐵，逆磁是一扇看見物理世界的窗
逆磁性雖然在日常生活中看似不起眼，但它揭示了物質如何在微觀層次對外界場作出反應：有些材料微弱地排斥磁場（像銀、汞、不同形態的碳），而超導體則把這個特性放大到極致，能夠完全排開磁場、製造懸浮現象。理解這些現象，不僅讓科學示範變得有趣，也能讓我們對電子、電流與磁場的關係有更直觀的認識。
下次看到磁鐵、看到科學館裡的超導懸浮，不妨想想裡面那一層層看不見但真實存在的微觀運動：是誰在推？誰在抵抗？科學就是在解釋這些看似魔法但其實有跡可循的現象。
