如果把磁鐵磨成球,其磁極情況應該是怎樣的?

這個問題有兩個小疑問:
1、磁環的磁極情況是什麼樣的?
弧圈那一面有磁極嗎?
2、磁球的磁極情況是什麼樣的?
地球的例子是不恰當的,地球是條形磁鐵,但我問得是將原有磁體磨成球體後的磁極分布。


謝謝邀請。


上次寫的答案好像有點答非所問,很多人看不懂~~~

簡單說一下,磁鐵之所以有鐵磁性,是因為材料裡面有很多小磁矩(比如原子磁矩),然後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,去掉外磁場後,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於退磁場,形狀幾乎不起作用了,所以不管磨成什麼樣,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. 什麼是鐵磁性
材料裡面如果原子有磁矩,就可以稱之為磁性材料。(至於磁矩的起源,完全是量子力學的效應了,超出話題的範疇了)
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,(儘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. 鐵磁材料裡面的磁矩排列
下面只說鐵磁材料。

對於一大塊材料(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,儘管材料是鐵磁的,但是由於分成了很多磁疇,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」。

這樣,儘管材料是鐵磁的,但是由於分成了很多磁疇,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」,
對於硬磁材料,撤去磁場之後,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。

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,都是硬磁材料製成的。所謂永磁,就是撤去磁場還有磁性的意思
而對於軟磁材料,撤去磁場,又回到「退磁態」,磁性消失,沒有磁極,軟磁通常用於電磁鐵的鐵芯。

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,對於硬磁材料的永磁體,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~~~

那麼,繼續說一下,如果是軟磁材料,比如Permalloy,那麼磁矩的分布會取決於形狀,尺寸等等,會比較好玩。
首先,對於圓盤,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

這幾種情形,都很難定義傳統的磁極了

至於磁性球,一種磁矩分布如下圖:


單純看問題「如果把磁鐵磨成球,其磁極情況應該是怎樣的?」,其實很難用較短的篇幅完整回答。因為可能的物理情形實在太多太複雜, @dahai wei 已經一定程度上給出了比較嚴謹詳細的回答。

如果看問題說明中的兩個子問題,首先我想問提問者,「磁環」是什麼意思,「弧圈」又是什麼意思?為了能在這個問題下確實深入地探討下去,必須先明確出現的概念的定義。

使用這兩個詞,可能表示你的數學和物理基礎較差,也沒有系統的學習過電磁學的知識。如果是的話,沒有關係,你提出的這個問題仍然是成立的。這也不影響我回答這個問題,至少我希望能向你指出,如果想要真正搞明白回答背後的邏輯,有哪些系統學習的方向。

磁性材料對外表現的整體磁性由內部磁矩的排列決定(詳見 @dahai wei 的回答,不再重複敘述)。提問者在第二個小問題提到地球是條形磁鐵,近似的看這是正確的。日常生活中能接觸到的絕大部分磁鐵,都可以近似的看作條形磁鐵,內部磁矩都是規則平行排列的(包括馬蹄形的磁鐵,局部看磁矩排列也是平行的)。對於螺線排列等複雜形式下面暫不做探討。

如果能夠理解平行排列的磁矩,那麼不管磁鐵有什麼樣的物理性質,理解起來都不會有太大難度。通過觀察磁場線的分布,就可以了解一款磁鐵的主要屬性。如果手邊有鐵砂的話,把鐵砂均勻的撒到一張紙上,中間放上任意一塊磁鐵,振動紙面,鐵砂的排列就能大致勾勒出磁感線,得到下圖這樣的結果[1]:


對於球形磁鐵,和其他簡單的異形磁鐵,磁場線的形狀是類似的。

  • 條形[2]:

  • 環形[3]:

  • 球形[4]:

  • 馬蹄形[6]:


異形[6]:


現在可以具體回答原來的兩個問題了。我猜測「磁環」和「弧圈」指的是球形磁鐵形成磁場的赤道面。磁體某個截面上的磁極,物理上通常沒有這種表述。但是可以說通過這個截面的磁感線方向。對於磁矩平行排列的球形磁體,其赤道面上,磁感線方向與截面垂直,在球形內部和外部方向相反,內部由 S 極指向 N 極,外部由 N 極指向 S 極。

地球形成的磁感線形狀如下圖[6],高度近似標準的條形磁體,注意區分地球的物理磁極方向和地軸方向有一個夾角:

至於由其它形狀打磨形成的球形磁鐵,這裡實在無法給出一個簡短的回答。因為磁鐵本身的材料(軟磁/硬磁),用來打磨它的工具的材料(磁性/非磁性),打磨的方式和方向,都會影響最終的磁場分布。
打磨的過程一般會造成內部磁矩一定程度的方向變化,可能會導致磁體失去磁性(磁矩不規則排列)。如果打磨後磁矩方向不變,那麼磁感線仍然符合上面圖中的分布。如果用磁性物體保持一個方向順序(不能前後交替方向)打磨,也可以改變原磁體的磁矩方向,形成新的平行排列。

最後,不得不提,小時候我也好奇過把手裡的玩具磁鐵切成小塊、磨成不同形狀後會得到什麼。事實證明,一般的磁鐵,如果在石板上打磨,由於摩擦和振動導致的分子熱運動,磁鐵內部的磁矩會失去原來的規律排序,變成一個死沉死沉又沒用的廢鐵疙瘩。對於少年的我,這是多麼痛的領悟!

圖片來源:
1. http://dornsife.usc.edu/labs/lecture-support-lab/magnetic-field/
2. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/elemag.html
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field
4. http://www.quora.com/Magnets/Do-spherical-magnets-attract-each-other-or-repel
5. http://www.gris.uni-tuebingen.de/people/staff/spabst/magnets/Magnets_in_Motion.html
6. http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-i/magnetism/earth-magnet.php


題主小時候沒玩過那種一塊錢一個的磁鐵嗎。。。我一直以為每個小學門口都有賣
有圖有真相


你沒見過地球嗎


上邊各位好像把回答問題的方向搞錯了。
題主雖然問的是磁鐵磨成磁球,可是這種事情幾乎沒人會這麼做。為什麼呢?因為磁鐵大多數的生產方式都是成形後再充磁。
所以,不管你做成什麼形狀,希望取得什麼樣子的極性分布,提出來就可以了。有專業的人員可以把你的要求轉變為現實。


有個大孩子的玩具,叫巴克球


可以參考地球南北極


樓上有回答過了,地球就是,如果你覺得不夠直觀,可以去買些巴克球玩玩。


表示排第一的答案好學術,忍不住講講我的想法。

就題主的問題而言,我的回答是沒什麼區別,還是磁鐵,還是分兩個極,並且磁極跟之前一樣。其實我們常說的常見的磁鐵的磁極,和磁鐵的形狀沒多大關係,可參見dahai wei的硬磁鐵圖,把它切圓了也一樣。

簡單思路:大家應該都把磁鐵摔碎過,不知道有沒有發現不管碎成什麼形狀,它還是磁鐵,還是兩個磁極,並且跟原來的磁鐵磁極方向一樣。所以碎成圓的也一樣。

區別:圓的磁鐵標完N和S極應該特別像撞球,如果有人整一套磁鐵撞球出來,絕對犀利!!!我猜在可預見的將來,有可能成為新興運動!

題外話,如果題主是想整一個球心是N,外面是S的磁球,那還是挺有意思的一件事,不過我覺得磨是磨不出來的……另外磁力線是閉合的,所以我覺得不存在實心的這傢伙,空心的應該可以人工做……


樓上說的都很清楚了,這裡我從純數學的角度來回答。

在拓撲學中,有這樣一條定理:
「你永遠不能撫平一隻毛球」——毛球定理(Hairy ball theorem)

所以,即使被磨成完美的球形,仍然會存在磁極。


我理解題主的問題,我初中的時候就有過這樣的疑問,一直到現在好多年了,我是這樣的疑問,不是打磨成球形,而是理想的絕對的圓形的磁體存在嗎?
如果存在,是什麼樣子?如果不存在,為什麼?


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