導磁
導磁，在電磁學里，當兩塊磁鐵或磁石相互吸引或排斥時，或當載流導線在周圍產生磁場，促使磁針偏轉指向，或當閉電路移動於不均勻磁場時，會有電流出現於閉電路，這些都是與磁有關的現象。凡是與磁有關的現象也都會與磁場有關。[1]
| 導磁 | |
|---|---|
目錄
種類
磁鐵的種類很多 ，一般分為硬〈永〉磁體(磁性保持較長或永久時間)和軟磁體(較短時間內有磁性)兩大類，我們所說的磁鐵，一般都是指永磁磁鐵。永磁磁鐵又分二大分類:
第一大類是:金屬合金磁鐵包括釹鐵硼磁鐵(Nd2Fe14B)、鋁鎳鈷磁鐵(AlNiCo)、釤鈷磁鐵(SmCo)，包括: 1、釹鐵硼磁鐵:它是目前發現商品化性能最高的磁鐵，被人們稱為磁王，擁有極高的磁性能其最大磁能積(BHmax)高過鐵氧體(Ferrite)10倍以上。其本身的機械加工性能亦相當之好。工作溫度最高可達200攝氏度。而且其質地堅硬，性能穩定，有很好的性價比，故其應用極其廣泛。但因為其化學活性很強，所以必須對其表面塗層處理。(如鍍Zn,Ni,電泳、鈍化等)。2. 鋁鎳鈷磁鐵:是由鋁、鎳、鈷、鐵和其它微量金屬元素構成的一種合金。鑄造工藝可以加工生產成不同的尺寸和形狀，可加工性很好。鑄造鋁鎳鈷永磁有着最低可逆溫度係數，工作溫度可高達600攝氏度以上。鋁鎳鈷永磁產品廣泛應用於各種儀器儀表和其他應用領域。3. 釤鈷(SmCo)依據成份的不同分為SmCo5和Sm2Co17。由於其材料價格昂貴而使其發展受到限制。釤鈷(SmCo)作為稀土永磁鐵，不但有着較高的磁能積(14-28MGOe)、可靠的矯頑力和良好的溫度特性。與釹鐵硼磁鐵相比，釤鈷磁鐵更適合工作在高溫環境中。
第二大類是:鐵氧體永磁材料(Ferrite)，它主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。通過陶瓷工藝法製造而成，質地比較硬，屬脆性材料，由於鐵氧體磁鐵有很好的耐溫性、價格低廉、性能適中，已成為應用最為廣泛的永磁體。[2]
在電磁學裡，當兩塊磁鐵或磁石相互吸引或排斥時，或當載流導線在周圍產生磁場，促使磁針偏轉指向，或當閉電路移動於不均勻磁場時，會有電流出現於閉電路，這些都是與磁有關的現象。凡是與磁有關的現象也都會與磁場有關。
磁性是物質響應磁場作用的屬性。每一種物質或多或少地會被磁場影響。鐵磁性是最強烈、最為人知的一種磁性。由於具有鐵磁性，磁石或磁鐵會產生磁場。另外，順磁性物質會趨向於朝着磁場較強的區域移動，即被磁場吸引;反磁性物質則會趨向於朝着磁場較弱的區域移動，即被磁場排斥;還有一些物質會與磁場有更複雜的關係，例如，自旋玻璃的性質、反鐵磁性等等。外磁場對於某些物質的影響非常微弱。
物質的磁態與溫度、壓強、外磁場等等有關，依照溫度或其它參數的不同，物質會顯示出不同的磁性。
發展
中國發展歷程
先秦時代我們的先人已經積累了許多這方面的認識，在探尋鐵礦時常會遇到磁鐵礦，即磁石(主要成分是四氧化三鐵)。這些發現很早就被記載下來了。《管子·地數》篇中最早記載了這些發現:"上有慈石者，其下有銅金。"其他古籍如《山海經》中也有類似的記載。磁石的吸鐵特性很早就被人發現，《呂氏春秋》九卷精通篇就有:"慈招鐵，或引之也。"那時的人稱"磁"為"慈"他們把磁石吸引鐵看作慈母對子女的吸引。並認為:"石是鐵的母親，但石有慈和不慈兩種，慈愛的石頭能吸引他的子女，不慈的石頭就不能吸引了。" 漢以前人們把磁石寫做"慈石"，是慈愛石頭的意思。
既然磁石能吸引鐵，那麼是否還可以吸引其他金屬呢?我們的先民做了許多嘗試，發現磁石不僅不能吸引金、銀、銅等金屬，也不能吸引磚瓦之類的物品。西漢的時候人們已經認識到磁石只能吸引鐵，而不能吸引其他物品。
當把兩塊磁鐵放在一起相互靠近時，有時候互相吸引，有時候相互排斥。現在人們都知道磁體有兩個極，一個稱N極，一個稱S極。同性極相互排斥，異性極相互吸引。那時的人們並不知道這個道理，但對這個現象還是能夠察覺到的。
到了西漢，有一個名叫欒大的方士，他利用磁石的這個性質做了兩個棋子般的東西，通過調整兩個棋子極性的相互位置，有時兩個棋子相互吸引，有時相互排斥。欒大稱其為"斗棋"。他把這個新奇的玩意獻給漢武帝，並當場演示。漢武帝驚奇不已，龍心大悅，竟封欒大為"五利將軍"。
地球也是一個大磁體，它的兩個極分別在接近地理南極和地理北極的地方。因此地球表面的磁體，可以自由轉動時，就會因磁體同性相斥，異性相吸的性質指示南北。這個道理古人不夠明白，但這類現象他們很清楚。
第一個描述了磁偏角的是沈括。他在《夢溪筆談》里描述了他對磁的探究，描述了磁偏角。中國古代的先民們利用磁，先後製成了司南、指南魚、指南針。指南針被應用於航海的典型是鄭和下西洋。指南針通過阿拉伯人傳入歐洲後促進了歐洲航海技術的發展，為新航路的開闢提供了有利的幫助。
西方理論發展
人們很早就接觸到電和磁的現象，並知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發現電荷有兩種:正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發現電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發現電和磁之間的聯繫。
19世紀前期，奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉。而後安培發現作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之後，法拉第又發現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在着密切的聯繫。在電和磁之間的聯繫被發現以後，人們認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產生圍繞着導線的磁力線，電荷向各個方向產生電力線，並在此基礎上產生了電磁場的概念。
現在人們認識到，電磁場是物質存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產生電場，這個電場又以力作用於其他電荷。磁體和電流在其周圍產生磁場，而這個磁場又以力作用於其他磁體和內部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它瀰漫於整個空間。
19世紀下半葉，麥克斯韋總結了宏觀電磁現象的規律，並引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是:變化着的電場能產生磁場;變化着的磁場也能產生電場。在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現象的基本規律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經典電磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等於光速，這一預言後來為赫茲的實驗所證實。於是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現象的規律，肯定了光也是一種電磁波。由於電磁場能夠以力作用於帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，洛倫茲把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結為一個公式，人們就稱這個力為洛倫茨力。描述電磁場基本規律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構成了經典電動力學的基礎。
常見現象
我們的生活每時每刻都和磁性有關。沒有它，我們就無法看電視、聽收音機、打電話;沒有它，連夜晚甚至都是一片漆黑。
人類雖然很早就認識到磁現象，但直到了現代，人們對磁現象的認識才逐漸系統化，發明了不計其數的電磁儀器，像電話、無線電、發電機、電動機等。如今，磁技術已經滲透到了我們的日常生活和工農業技術的各個方面，我們已經越來越離不開磁性材料的廣泛應用。
由於物質的磁性既看不到，也摸不着，我們無法通過自己的五種感官(聽覺、視覺、味覺、嗅覺、觸覺)直接體會磁性的存在，但人們還是在實踐中逐步揭開了其神秘面紗。磁鐵總有兩個磁極，一個是N極，另一個是S極。一塊磁鐵，如果從中間鋸開，它就變成了兩塊磁鐵，它們各有一對磁極。不論把磁鐵分割得多么小，它總是有N極和S極，也就是說N極和S極總是成對出現，無法讓一塊磁鐵只有N極或只有S極。
磁極之間有相互作用，即同性相斥、異性相吸。也就是說，N極和S極靠近時會相互吸引，而N極和N極靠近時會互相排斥。知道了這一點，我們就明白了為什麼指南針會自動指示方向。原來，地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近。這樣，如果把一塊長條形的磁鐵用細線從中間懸掛起來，讓它自由轉動，那麼，磁鐵的N極就會和地球的S極互相吸引，磁鐵的S極和地球的N極互相吸引，使得磁鐵方向轉動，直到磁鐵的N極和S極分別指向地球的S極和N極為止。這時，磁鐵的N極所指示的方向就是地理的北極附近。
磁性
什麼是磁性?簡單說來，磁性是物質放在不均勻的磁場中會受到磁力的作用。在相同的不均勻磁場中，由單位質量的物質所受到的磁力方向和強度，來確定物質磁性的強弱。因為任何物質都具有磁性，所以任何物質在不均勻磁場中都會受到磁力的作用。右圖是測量物質磁性的磁天平儀。
怎樣表示物質磁性的強弱呢?為什麼吸鐵石並沒有接觸鋼鐵就可以吸引它?在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，並且讓它們的S極相對。紙板上面撒一些細的鐵粉末。看會發生什麼現象?鐵的粉末會自動排列起來，形成一串串曲線的樣子。其中，N極和S極之間的曲線是連續的，也就是說曲線從N極直至S極。而S極和S極之間的曲線互相排斥，不能融合和貫穿。這種現象說明，磁鐵的磁極之間存在某種聯繫。因此，我們可以假想，在磁極之間存在着一種曲線，它代表着磁極之間相互作用的強弱。這種假想的曲線稱為磁力(感)線，並規定磁力線從N極出發，最終進入S極。這樣，只要有磁極存在，它就向空間不斷地發出磁力(感)線，而且離磁極近的地方磁力線密，而遠處磁力(感)線稀疏。鐵粉末的排列形狀就是磁力線的走向。
有了磁力(感)線，我們就可以很方便地描述磁鐵之間的相互作用。但是必須明白，磁力(感)線是我們為了理解方便而假想的，實際上並不存在。在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力(感)線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。我們知道，物質之間存在萬有引力，它是一種引力場。磁場與之類似，是一種布滿磁極周圍空間的場。磁場的強弱可以用假想的磁力(感)線數量來表示，磁力(感)線密的地方磁場強，磁力(感)線疏的地方磁場弱。單位截面上穿過的磁力(感)線數目稱為磁通量密度。
在磁體外部，磁力(感)線方向由N極出發進入S極，磁體內部磁力(感)線由S極出發進入N極。
磁場
對放入其中的其他磁體產生磁力(吸引和排斥)作用的區域(一般所稱的「場」指的是空間中的一個區域。)
注:1.磁場是有方向的
2.磁場方向:物理學規定自由轉動的小磁針靜止時N極的指向為該點的磁場方向。
運動的帶電粒子在磁場中會受到一種稱為洛侖茲(Lorentz)力作用。由同樣帶電粒子在不同磁場中所受到洛侖茲力的大小來確定磁場強度的高低。圖6是測量脈衝強磁場的磁通密度的特斯拉磁強計，簡稱特斯拉計。特斯拉是磁通密度的國際單位制單位。磁通密度是描述磁場的基本物理量，而磁場強度是描述磁場的輔助量。特斯拉(Tesla，N)(1856~1943)是克羅地亞裔美國電機工程師，曾發明變壓器和交流電動機。
物質的磁性不但是普遍存在的，而且是多種多樣的，並因此得到廣泛的研究和應用。近自我們的身體和周邊的物質，遠至各種星體和星際中的物質，微觀世界的原子、原子核和基本粒子，宏觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性。
世界上的物質究竟有多少種磁性呢?一般說來，物質的磁性可以分為弱磁性和強磁性，再根據磁性的不同特點，弱磁性又分為抗磁性、順磁性和反鐵磁性，強磁性又分為鐵磁性和亞鐵磁性。這些都是宏觀物質的原子中的電子產生的磁性，原子中的原子核也具有磁性，稱為核磁性。但是核磁性只有電子磁性的約千分之一或更低，故一般講物質磁性和原子磁性都主要考慮原子中的電子磁性。原子核的磁性很低是由於原子核的質量遠高於電子的質量，而且原子核磁性在一定條件下仍有着重要的應用，例如現在醫學上應用的核磁共振成像(也常稱磁共振CT，CT是計算機化層析成像的英文名詞的縮寫)，便是應用氫原子核的磁性。
磁性來源
物質的磁性來自構成物質的原子，原子的磁性又主要來自原子中的電子。那麼電子的磁性又是怎樣的呢?從科學研究已經知道，原子中電子的磁性有兩個來源。一個來源是電子本身具有自旋，因而能產生自旋磁性，稱為自旋磁矩;另一個來源是原子中電子繞原子核作軌道運動時也能產生軌道磁性，稱為軌道磁性。我們知道，物質是由原子組成的，而原子又是由原子核和位於原子核外的電子組成的。原子核好象太陽，而核外電子就仿佛是圍繞太陽運轉的行星。另外，電子除了繞着原子核公轉以外，自己還有自轉(叫做自旋)，跟地球的情況差不多。一個原子就像一個小小的"太陽系"。另外，如果一個原子的核外電子數量多，那麼電子會分層，每一層有不同數量的電子。第一層為1s，第二層有兩個亞層2s和2p，第三層有三個亞層3s、3p和3d，依此類推。如果不分層，這麼多的電子混亂地繞原子核公轉，是不是要撞到一起呢?
在原子中，核外電子帶有負電荷，是一種帶電粒子。電子的自轉會使電子本身具有磁性，成為一個小小的磁 體，具有N極和S極。也就是說，電子就好像很多小小的磁體繞原子核在旋轉。這種情況實際上類似於電流產生磁場的情況。
雖然電子的自轉會使它成為小磁體，但是絕大多數的物質都沒有有磁性，只有像鐵、鈷、鎳這樣的少數物質才具有磁性呢。他的原因就在於實際上原子中電子產生的磁矩分為三種情況:由於電子的自轉方向總共有上下兩種，且自轉方向相反的電子產生的磁極能夠相互抵消。1.在一些大多數物質中，具有向上自轉和向下自轉的電子數目一樣多，它們產生的磁極完全互相抵消，整個原子，以至於整個物體對外沒有磁性。2.自轉方向不同的電子數目不同，雖然這些電子所產生磁矩不能相互抵消，導致整個原子具有一定的總磁矩。但是這些原子磁矩之間沒有相互作用，它們是混亂排列的，所以整個物體沒有強磁性。3.少數如鐵、鈷、鎳的物質，它們的原子內部電子在不同自轉方向上的數量不一樣，這樣，在自轉相反的電子磁極互相抵消以後，還剩餘一部分電子的磁矩沒有被抵消。這樣，整個原子具有總的磁矩。同時，由於一種被稱為"交換作用"的機理，這些原子磁矩之間被整齊地排列起來，整個物體也就有了磁性。當剩餘的電子數量不同時，物體顯示的磁性強弱也不同。例如，鐵的原子中沒有被抵消的電子磁極數最多，原子的總剩餘磁性最強。而鎳原子中自轉沒有被抵消的電子數量很少，所以它的磁性比較弱。
地球磁場
地球的磁性，是地球內部的物理性質之一。地球是一個大磁體，在其周圍形成磁場，即表現出磁力作用的空間，稱作地磁場。它和一個置於地心的磁偶極子的磁場很近似，這是地磁場的最基本特性。地球磁場的磁極和地理上的南北極方向正相反，而且和地球南北極並不重合，兩者之間有一個11度左右的夾角，叫磁偏角。此外地球磁場的磁極位置不是固定的，它有一個周期性變化...地磁場強度很弱，這是地磁場的另一特性，在最強的兩極其強度不到10-4(T),平均強度約為0.6x10-4(T),而它隨地點或時間的變化就更小，因此常用(γ)，即10 -9(T)做為磁場強度單位。
電磁場
靜止的電荷會產生靜電場;靜止的磁偶極子會產生靜磁場。運動的電荷被稱為電流，會產生電場和磁場。
所謂的電磁場是電場與磁場的統稱。在固定(靜)電荷和電偶極化物質的四周會建立電場，當身體靠近電視或電腦熒幕前，會感受到毛髮豎立。就是因為(靜)電場存在;磁場則源於電荷的移動，電流量愈大，磁場愈強。磁場強度的單位是A/m。而我們一般講的磁場其實指的是磁感應強度，單位是T/Tesla或G/GAUSS(1T=10000G)。
一般所稱的"場"指的是空間中的一個區域，進入的物體都會感受到力的作用。例如我們生活在地球的重力場中，也生活在地磁的磁場中，閃電時我們更籠罩在強大的電場中。
◎電場:我們生活中常常會發現電場的存在，例如冬季脫毛衣發生的爆裂聲、接觸門把手的觸電感覺，這些都是因摩擦而產生的靜電現象。在電力的使用中，只要有電壓存在，電線或電器設備周圍就會有電場。電場一般是以千伏/米(KV/M)作單位。例如，閃電時地表約有30KV/M~150KV/M之直流電場強度，輸電線下之60赫電場強度在3KV/M~5KV/M以下。
◎磁場:將磁鐵置於紙板下，灑鐵粉在紙板上，就會發現北極與南極間產生相連的幾圈條紋，這就是磁場。在電力使用中，只要有電流通過，導線的周圍就會產生磁場，磁場的單位是以特斯拉(T)或高斯(G)或毫高斯(mG)表示。
迴旋共振
物質的抗磁性是一些物質的原子中電子磁矩互相抵消，合磁矩為零。但是當受到外加磁場作用時，電子軌道運動會發生變化，而且在與外加磁場的相反方向產生很小的合磁矩。這樣表示物質磁性的磁化率便成為很小的負數(量)。磁化率是物質在外加磁場作用下的合磁矩(稱為磁化強度)與磁場強度之比值，符號為κ。一般抗磁(性)物質的磁化率約為負百萬分之一(-10-6)。常見的抗磁物質:水、金屬銅、碳(C)和大多數有機物和生物組織。抗磁物質的一個重要特點是磁化率不隨溫度變化。物質抗磁性的應用主要有:由物質的磁化率研究相關的物質結構是磁化學的一個重要研究內容;一些物質如半導體中的載(電)流子在一定的恆定(直流)磁場和高頻磁場同時作用下會發生抗磁共振(常稱迴旋共振)，由此可測定半導體中載流子(電子和空穴)的符號和有效質量(如圖10所示);由生物抗磁(性)組織的磁化率異常變化可推測該組織的病變(如癌變)。
比較
電磁場與一般輻射的比較
輻射是能量傳遞的一種方式，輻射依能量的強弱分為三種:
游離輻射
能量最強，可以破壞生物細胞分子，如α、β、γ射線。
非游離輻射(有熱效應)
能量弱，不會破壞生物細胞分子，但會產生溫度，如微波、光。
非游離輻射(無熱效應)
能量最弱，不會破壞生物細胞分子，也不會產生溫度，如無線電波、電力電磁場。
電磁場會衰減嗎?可以設法隔絕嗎?
電磁場的強度會隨着與發生源的距離加大而急速的降低。電場很容易被金屬的外殼、鋼筋混凝土的建築物隔絕。電力設備如變壓器、因有金屬外殼，故外面幾乎沒有電場。磁場卻很難隔絕，但如方向相反、大小相同的電流產生的磁場可以互相抵消。因此，三相輸電的電力線較單相電力線產生的磁場會小得多。
情況
家電器具使用低壓，即110伏特或220伏特電壓，因此電場強度很小。至於磁場大小又與耗電量、廠牌及距離有很大的差異。
危害
近年來，科學家一般認為極低頻的電磁場(就是一般電力線及電力設備所產生的電磁場)，就能量觀點而言，既不能打斷分子鍵或化學鍵，也不會因微量的熱而對人體健康產生不良影響。
雖然某些流行病學的研究懷疑少部份癌症與電磁場有關係(統計學上的相關性)，但是一些細心且負責的科學家在研究後，指出這些研究在設計及解釋上還有很多問題存在。
國外自1979年開始此方面研究以來，發表之論文、報告超過1000篇，由於病例百分比低，且致癌因素種類多，難以排除其它因素，所得結果，有些顯示有少許關連性，有些又否定了會有關連性。
1989年10月美國勞工部(DOL)要求輻射研究及政策協調委員會(CIRRPC)協助評估過去有關暴露在電磁場影響之報告，CIRRPC委託橡樹嶺附屬大學(ORAU)組成一個包括全美傑出科學家的11人小組，自1991年9月至1992年5月，對最近10餘年約1000篇論文分析整理，評估結論為:從以往已發表的文獻中，沒有可確信的證據支持暴露在家電器具、電力線及顯示屏之極低頻磁場會產生健康危害。
評斷
國際非游離輻射保護協會(IRPA)
雖有一些流行病學研究認為暴露在50/60赫電磁場與癌症有關連，但無法證實，也有一些認為沒有關連。
世界衛生組織(WHO)
暴露在極低頻電磁場不會產生生理影響。
美國國會技術評核室(OTA)
所有的研究迄今仍是有爭議的，許多實驗發現暴露在電磁場與否對生物並無差異，我們無法證實在危險性存在。
美國南加州電力公司(SCE)
南加州電力公司針對1960年至1988年間在該公司服務一年以上之36221名員工做職業流行病學調查，於1993年3月15日發表調查結果，結論為:員工工均暴露在磁場之量較一般民眾高，惟罹患白血病或腦瘤之可能性並無較高，且罹患癌症死亡年齡亦未提早。
瑞典國家電力安全局(NESB)
於1994年發表電磁場信息小冊，說明磁場對人體是否有影響尚無法證實，因而沒有足以訂定限制值之參考基準，故短期內不會訂定任何磁場強度之限制值。
相對於電磁場對人體可能造成影響的說詞，目前坊間正流行一些以強度高達550000毫高斯之60赫磁場治療器來治療各種慢性疾病，且聲稱獲醫學臨床證明，至於其長期的影響如何，尚無人做此方面研究。