如果把磁铁磨成球,其磁极情况应该是怎样的?

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作者:dahai wei

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。


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,超出话题的范畴了)
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。

貌似这个答案有点无聊~~~

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:



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