磁铁

背景

磁铁是一种材料，可以在不实际接触其他材料的情况下对它们施加显着的力。这种力称为磁力，可以吸引也可以排斥。虽然所有已知的材料都会施加某种磁力，但在大多数材料中它很小，不容易被注意到。对于其他材料，磁力要大得多，这些被称为磁铁。地球本身就是一块巨大的磁铁。

一些磁铁，称为永久磁铁，在不受任何外界影响的情况下对物体施加力。 铁 矿石磁铁矿又称磁石，是一种天然的永久磁铁。其他永磁体可以通过对某些材料施加磁力来制造。当外力移除时，这些材料会保留其自身的磁性。尽管磁性可能会随时间或在升高的温度下发生变化，但这些材料通常被认为是永久磁化的，因此得名。

其他磁铁被称为电磁铁。它们是通过用一圈金属丝围绕某些材料制成的。当电流通过线圈时，这些材料会产生磁力。当电流被切断时，这些材料的磁力下降到几乎为零。在线圈中没有电流流动的情况下，电磁材料几乎不会保留磁性（如果有的话）。

所有磁铁都有两个磁力最大的点。这两个点称为极点。对于矩形或圆柱形条形磁铁，这些磁极位于相反的两端。一极称为寻北极或北极，另一极称为寻南极或南极。该术语反映了磁石等磁性材料的最早用途之一。当悬挂在绳子上时，这些原始罗盘的北极总是“寻找”或指向北方。这有助于水手判断航向，到达遥远的陆地并返回家园。

在我们目前的技术中，磁铁应用包括指南针、电动机、微波炉、投币式自动售货机、摄影测光表、汽车喇叭、电视、扬声器和录音机。一个简单的冰箱纸币架和一个复杂的医学磁共振成像设备都使用磁铁。

历史

早在公元前 500 年，希腊人就研究和使用了天然存在的磁性磁石。 其他文明可能比这更早知道它。磁铁这个词来源于希腊名字magnetis lithos， Magnesia 的石头，指的是今天土耳其爱琴海沿岸的地区，在那里发现了这些磁性石头。

人们普遍认为，第一次将磁石用作指南针发生在欧洲公元 1100 到 公元 1200. 磁石这个词来自盎格鲁-撒克逊语，意思是“领先的石头”，或者字面意思是“引领的石头”。冰岛语词是 leider-stein, 并在那个时期的有关船舶航行的著作中使用。

1600 年，英国科学家威廉·吉尔伯特证实了早期关于磁极的观察，并得出地球是一块磁铁的结论。 1820年，荷兰科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现了电与磁的关系，1821年法国物理学家安德烈·安培进一步扩展了这一发现。

在 1900 年代初期，科学家们开始研究铁和钢以外的磁性材料。到 1930 年代，研究人员已经生产出第一个强大的 Alnico 合金永磁体。 1970 年代成功地研制出使用稀土元素的更强大的陶瓷磁铁，1980 年代该领域取得了进一步进展。

今天，根据最终应用，磁性材料可以满足许多不同的性能要求。

原材料

在制造磁铁时，原材料往往比制造过程更重要。永磁体所用的材料（有时称为硬质材料，反映这些磁铁早期使用合金钢）不同于电磁体所用的材料（有时称为软材料，反映在永磁体中使用柔软的可锻铁）。这个应用程序）。

永磁材料

永磁磁石含有磁铁矿，这是一种坚硬的结晶铁氧体矿物，其磁性来自地球磁场对其的影响。各种钢合金也可以被磁化。 1930 年代随着 Alnico 合金磁体的开发，迈出了开发更有效永磁材料的第一步。这些磁铁的名称来自用于制造合金的铝镍钴元素的化学符号。磁化后，Alnico 磁铁的磁力是磁铁矿的 5 到 17 倍。

陶瓷永磁体由细粉状的钡铁氧体或锶铁氧体在加热和加压下形成。通过在成型过程中将粉末颗粒与强磁场对齐，可以增强它们的磁强度。陶瓷磁体在磁力方面可与Alnico磁体相媲美，并且具有无需大量加工即可压制成各种形状的优点。

柔性永磁体由粉末状钡铁氧体或锶铁氧体混合在橡胶等粘合材料或聚氯乙烯等柔性塑料中制成。

在 1970 年代，研究人员开发了由在加热下熔化的钐钴粉制成的永磁体。这些磁铁利用了这样一个事实，即这种材料的六方晶体中原子组的排列（称为磁畴）往往是磁性排列的。由于这种自然排列，钐钴磁铁可以产生比磁铁矿强 50 倍的磁力。用于小型个人立体声系统的耳机使用钐钴永磁体。钐钴磁铁还具有能够在比其他永磁体更高的温度下运行而不会失去其磁性强度的优势。

类似的永磁体在 1980 年代使用粉状钕铁硼制成，其产生的磁力几乎是磁铁矿的 75 倍。这些是当今市售的最强大的永磁体。

电磁材料

纯铁和铁合金最常用于电磁铁。硅铁和经过特殊处理的铁钴合金用于低频电力变压器。

一种特殊的氧化铁，称为伽马氧化铁，通常用于制造用于录音和数据记录的磁带。此应用程序的其他材料包括 以上插图展示了一种典型的粉末冶金工艺，用于生产强力钕铁硼永磁体。钴改性氧化铁和二氧化铬。该材料经过精细研磨并涂在一层薄薄的聚酯塑料薄膜上。

其他磁性材料

磁性流体可以通过将粉状铁氧体钡颗粒封装在单层长链聚合物塑料分子中制成。然后将颗粒悬浮在水或油等液体中。由于塑料封装，磁性颗粒几乎没有摩擦地相互滑动。颗粒非常小，液体中的正常热搅动可防止颗粒沉降。磁性流体用于多种应用 作为密封剂、润滑剂或减振材料。

制造
过程

正如不同种类的磁铁材料不同，制造工艺也不同。许多电磁体是使用标准金属铸造技术铸造的。柔性永磁体是在塑料挤出过程中形成的，在该过程中，材料被混合、加热，并在压力下通过一个成形的开口。

一些磁体是使用改进的粉末冶金工艺形成的，在该工艺中，精细粉末金属受到压力、热量和磁力的作用，以形成最终的磁体。这是一种典型的粉末冶金工艺，用于生产横截面积约为 3-10 平方英寸（20-65 平方厘米）的强力钕铁硼永磁体：

准备粉末金属

• 1 将适量的钕、铁和硼在真空中加热至熔化。真空可防止空气与熔化材料之间发生任何可能污染最终金属合金的化学反应。
• 2 一旦金属冷却并凝固，它就会破碎并粉碎成小块。然后将小块在球磨机中研磨成细粉。

按下

• 3 将粉末金属放入称为模具的模具中，模具的长度和宽度（或直径，对于圆形磁铁）与成品磁铁相同。对粉末材料施加磁力以排列粉末颗粒。在施加磁力的同时，用液压或机械压头从顶部和底部挤压粉末，将其压缩到其最终预定厚度的约 0.125 英寸（0.32 厘米）以内。典型压力约为 10,000 psi 至 15,000 psi（70 MPa 至 100 MPa）。有些形状是通过将粉状材料放在一个灵活的、气密的、真空的容器中，并用液体或气体压力将其压成形状而制成的。这被称为等压压实。

加热

• 4 从模具中取出压缩的粉末金属“坯料”并放入烘箱中。加热压缩的粉末金属以将它们转变为熔融的固体金属件的过程称为烧结。该过程通常包括三个阶段。在第一阶段，压缩材料在低温下加热，以缓慢去除在压制过程中可能被夹带的任何水分或其他污染物。在第二阶段，温度升高到金属合金熔点的 70-90% 左右，并在那里保持几小时或几天的时间，使小颗粒融合在一起。最后，材料以受控、逐步的温度增量缓慢冷却。

退火

• 5 然后烧结材料经历第二个受控加热和冷却过程，称为退火。这个过程消除了材料内的任何残余应力并加强了它。

整理

• 6 退火材料非常接近所需的成品形状和尺寸。这种情况被称为“近网”形状。最后的加工过程会去除任何多余的材料，并在需要的地方产生光滑的表面。然后为该材料提供保护涂层以密封表面。

磁化

• 7 到目前为止，材料只是一块压缩和熔化的金属。即使它在压制过程中受到磁力的作用，该力也不会磁化材料，它只是将松散的粉末颗粒排列在一起。要将其变成磁铁，该部件被放置在一个非常强大的电磁铁的两极之间，并沿所需的磁化方向定向。然后电磁体通电一段时间。磁力使材料内的原子组或磁畴对齐，从而使该部件成为强大的永磁体。

质量控制

制造过程的每个步骤都受到监视和控制。烧结和退火过程对磁体的最终机械和磁性能尤为关键，必须严格控制时间和温度变量。

有害材料、
副产品和
回收

钡和用于制造钡铁氧体永磁体的钡化合物是有毒的，被认为是有毒材料。制造钡铁氧体磁铁的公司必须在钡产品的储存、处理和废物处理方面采取特别的预防措施。

电磁铁通常可以通过回收线圈中的组件铁芯和铜线来回收。永磁体的部分回收可以通过将它们从过时的设备中移除并在类似的新设备中再次使用来实现。然而，这并不总是可行的，需要开发一种更全面的方法来回收永磁体。

未来

研究人员继续寻找比目前可用的更强大的磁铁。更强大的永磁体的应用之一是为电池供电的工业机器人开发小型、高扭矩的电动机 和笔记本电脑磁盘驱动器。更强大的电磁体可用于使用脉冲磁场的高速列车的悬浮和推进。这种列车，有时也称为磁悬浮列车，由中央磁性“轨道”支撑和引导。它们可以在不接触导轨的情况下移动，从而消除机械摩擦和噪音。脉冲磁场还可用于将卫星发射到太空，而无需依赖昂贵且笨重的助推火箭。

更强大的磁铁也可以用作开发其他新材料和新工艺的研究工具。强脉冲磁场目前正被用于核聚变研究，以控制炽热的反应核等离子体，否则这些等离子体会熔化任何固体材料容器。磁场还可用于材料研究，以研究用于电子产品的半导体的行为，以确定制造微型集成电路的效果。