磁鐵為什麼隔著紙或手也會吸住？
― 真正能擋住磁力的,反而是鐵
冰箱上夾再多張學校的通知單,磁鐵也不會掉下來。就算隔著手掌,也能感覺到隔著手指相吸的力量。其實在磁鐵眼中,紙、手、塑膠、鋁幾乎「跟什麼都沒有一樣」。而想要擋住磁力時,用的不是不會吸的材料,反而是很會吸的鐵。
用磁鐵把學校的通知單貼在冰箱門上。紙一張、再一張地夾進去,磁鐵還是穩穩貼著。
這次把手掌貼在冰箱上,再從上面把磁鐵靠近。會感覺到力道穿過手掌,把磁鐵吸向冰箱的感覺傳到指尖。
磁鐵的力量,到底什麼能穿過,什麼能擋住呢?被小孩子問到這個問題,意外地會答不出來。
答案大致可以分成兩點
紙、手、木頭、玻璃、鋁,磁力穿過它們的難易程度,幾乎和真空沒有差別。所以磁力會像那裡什麼都沒有一樣直接穿過去。感覺變弱不是材料造成的,而是磁鐵因此離得更遠了。
鐵是一種特殊材料,能讓磁力通過的程度是真空的數千倍。磁力會選擇捷徑,鑽進鐵裡,再從鐵裡繞回去。結果就是鐵的另一側幾乎不會有磁力跑出來。
也就是說,「不會吸的材料」不等於「能擋住磁力的材料」。恰恰相反,最會吸的鐵,才最能擋住磁力。接下來一步一步來看。
紙、手、鋁,在磁鐵眼中都是隱形的
磁鐵周圍,有一圈圈看不見的力的通道向外擴散。理科實驗中,在紙上灑鐵砂會浮現出來的那個圖案,就是它。
這個通道在物質內部有多容易通過,是由材料決定的。而這個「容易通過的程度」,其實紙、木頭、玻璃、水、塑膠、鋁、銅,甚至人體,數值幾乎都一樣。據說跟真空的差異,大多數情況下只有十萬分之一左右。從磁鐵的角度來看,有沒有這些東西根本沒差。
這一點和電力大不相同。電力會明確分成能通過的東西(金屬)和不能通過的東西(橡膠或塑膠)。所以橡膠手套可以防電。但磁力幾乎不存在這種「擋得住」的東西。請看圖1左邊。夾在中間的東西裡面,力的通道直直地橫向穿過去。
那麼,夾很多張紙時力道會稍微變弱,是為什麼呢?那不是因為被紙擋住了,而是因為紙的厚度讓磁鐵離冰箱更遠了。磁鐵的力量一旦拉開距離,就會出乎意料地急速變弱。到底有多急,會在最後的折疊區塊裡算給你看。
想要擋住磁力,就用鐵包起來
鐵和鎳讓磁力通過的程度,可以達到真空的數千倍。磁力就像水流一樣,會大幅偏向容易通過的方向。有鐵板存在時,力的通道就不會直直地穿過空氣,而是鑽進鐵板裡,在鐵板內部繞一圈再回到磁鐵。
圖1右邊畫的就是這個情形。線條被鐵板吸進去,幾乎沒有穿到另一側。這個原理被用在磁屏蔽上,精密儀器或不希望受磁場影響的實驗裝置,會用鐵或一種叫坡莫合金的合金箱子包起來保護。
鋁不會被磁鐵吸住。但如果在厚厚的鋁板上滑動強力磁鐵,速度會像被看不見的煞車擋住一樣變慢。這是因為移動的磁鐵會在鋁裡產生渦電流,而這個渦流又會產生磁力,妨礙磁鐵的移動。靜止的磁鐵則什麼都不會發生。「只有在移動時才有效」,正是這個現象有趣的地方。
總結
磁鐵的力量,對身邊大多數的東西來說都是暢行無阻的。紙、手、玻璃、鋁,從磁鐵的角度看幾乎和空氣一樣,它們的存在本身是「看不見」的。夾東西後力道變弱,不是被擋住,而是離遠了。真正想要擋住磁力時,就用鐵這種很會吸的材料包起來。反過來利用磁力「喜歡鑽進容易通過的捷徑」這個特性。
能擋住磁鐵的,不是不會吸的材料。
最會吸的鐵,反而最能擋住磁力。
關於磁鐵極性本身,可以參考把磁鐵切成一半,會變成只有N極的磁鐵嗎？;關於只有一面會吸的不可思議現象,可以參考冰箱上的磁鐵貼片,為什麼只有一面會吸？。把地球本身當作磁鐵使用的故事,則收錄在指南針的指針，為什麼會指向北方？。
- 把磁鐵貼在冰箱門上,一張一張夾紙進去。數數看幾張會掉下來。接著,夾入厚度相同的墊板或塑膠板,比較看看是否在差不多的厚度掉下來。就算材料不同,只要厚度相同,結果應該會接近。
- 把迴紋針放在桌上,用磁鐵靠近吸引它。接著在磁鐵和迴紋針之間放入湯匙或剪刀的刀刃(鐵製的)。如果迴紋針不再動,就是鐵擋住了磁力的證據。
- 把鋁湯匙或一元硬幣放在磁鐵和迴紋針之間,迴紋針仍然會被吸過來。明明是金屬卻擋不住磁力——這正是「導電」和「導磁」是兩回事的最好證明。
強力磁鐵夾到手指會很痛,請務必和大人一起操作。曾有小磁鐵被誤吞的事故案例,請勿放在幼兒伸手可及之處。
想知道更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目,會明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理」課程範圍
- 高中＋高中進階內容,或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教,屬於大學專業科目(電磁學、物性物理)的內容
- 研究中連大學也還沒當作「定論」教授,是研究人員正在探索中的話題
國中用語：這個現象是有名字的
- 磁通量：磁鐵周圍擴散開來的力的通道,以「束」為單位計算出來的量。圖1的箭頭畫的就是這個磁通量的路徑。
- 導磁率：表示該物質讓磁通量通過的難易程度的數值。以真空為1的話,紙、水、鋁、人體幾乎都是1,而鐵可以達到數千。
- 強磁性體：像鐵、鎳、鈷這樣,會被磁鐵強力吸引,自己也能變成磁鐵的物質。
- 磁屏蔽：用導磁率高的材料包圍起來,讓磁通量無法進入內側。包得越密,效果越好。
國中高中用公式驗證：夾紙之後,力道會變弱多少？
不是紙擋住了磁力,而是因為距離變遠才變弱——用數字來驗證看看。從稍微有點距離的地方看小磁鐵,已知相吸的力和距離的4次方成反比。距離變成2倍,力就變成16分之1。
| 一張影印紙的厚度 | 約0.09毫米 |
| 原本磁鐵和冰箱之間的間隙 | 約1毫米(塗裝和貼皮) |
| 力和距離的關係(遠處的大致估算) | 據說和距離的4次方成反比 |
| 夾10張紙時的厚度 | 0.09 × 10 ＝ 0.9（毫米） |
| 加上原本間隙的總和 | 1 ＋ 0.9 ＝ 1.9（毫米） |
| 距離是原本的大約幾倍 | 1.9 ÷ 1 ＝ 1.9（倍） |
| 平方一次 | 1.9 × 1.9 ＝ 3.61 |
| 再平方一次,變成4次方 | 3.61 × 3.61 ≒ 13 |
| 力變成原本的幾分之一 | 1 ÷ 13 ≒ 0.077 |
夾10張紙,吸力大約會降到原本的13分之1。不是紙吸走了磁力。只是遠離了短短0.9毫米,就會有這麼大的變化。實際的磁鐵衰減會稍微和緩一點,但「距離才是關鍵」這個感覺,由此就能掌握到了。
| B | 磁通密度。磁通量的密集程度。單位是特斯拉(T) |
| H | 磁場強度。單位是安培每米(A/m) |
| μ | 導磁率。連結B和H的比例常數,單位是亨利每米(H/m) |
| r | 與磁鐵的距離。單位是米(m) |
高中高中＋為什麼只有鐵特別？
高中在物質內部,電子的運動與自旋這種性質,發揮著像小磁鐵一樣的作用。在一般物質中,這些方向雜亂無章、互相抵銷,所以從外面看不出磁性。這就是紙和鋁的導磁率幾乎都是1的原因。
高中＋在鐵裡面,相鄰原子之間有一股強烈的作用力,會讓彼此的方向趨於一致。因此會形成大範圍方向一致的區域,只要受到外部微弱磁場的影響,這個區域就會一口氣擴大,讓整體方向趨於一致。結果就是,鐵內部會產生比外加磁場強數千倍的磁通量。這股「趨向一致的作用力」會被熱破壞,所以把鐵加熱到大約770°C,就不再會被磁鐵吸引。
大學屏蔽不是「相減」,而是「繞道」
磁屏蔽並不是把磁通量消除掉。從磁路的角度來看,導磁率高的路徑磁阻較低,磁通量會集中到那裡。這和電流會流向電阻較低的導線,是同樣的道理。因此比起夾一片板子,用箱子整個包起來效果更好。此外,針對穩定的磁場適合用高導磁率的合金,針對快速變動的磁場則適合用渦電流原理的導體,會依照目標磁場的性質分別選用材料。在需要極致寧靜環境的實驗中,也有利用超導體排除磁通量特性的方法。
研究中目前還不完全清楚的事
- 室溫下可用、性能更高的磁性材料 各國持續研究不依賴稀土元素也能做出強力磁鐵的方法,但能同時滿足資源限制與性能的材料尚無定論。
- 生物與磁場的關係 實驗顯示候鳥和海龜似乎能感應到地磁,但身體哪個部位、透過什麼機制感應,尚未完全確定。
- 極弱磁場是否會影響人體 生活環境中微弱磁場對健康的影響,各國仍在持續調查,目前尚未確立明確的因果關係。
也就是說,這篇文章的內容也是「目前已知範圍內的說明」。磁鐵看似只是理科教室裡的教具,但至今仍是材料研究的最前線。
與教科書的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・電流與磁場 | 磁鐵周圍力的通道、鐵砂的花紋 |
| 高中 | 物理・電磁學 | 磁通密度與磁場、導磁率的概念 |
| 高中＋ | 物理・進階(磁性) | 鐵內部方向趨於一致的機制、溫度使磁性消失 |
| 大學 | 電磁學・物性物理 | 磁路與屏蔽設計、渦電流 |
| 研究中 | 材料科學・生物物理 | 新型磁性材料、生物的磁感應 |
| ― | 與生活的關聯 | 冰箱上的便條、磁卡的保管、精密儀器周圍磁鐵的使用 |
- 物質・材料研究機構（NIMS，日本国立研究機関）― 磁性材料相關研究介紹
- 日本磁気学会（日本磁學會）《初学者のための磁気工学》（磁性材料與磁屏蔽的基礎）
- 費曼、雷頓、山德士《費曼物理學講義 III 電磁學》（物質中的磁場與磁性一章）
- 美國國家標準與技術研究院（NIST）― 磁性量測相關解說
※本文為大眾科學解說文章。文中數值為幫助理解原理所用的參考估算值。強力磁鐵可能造成受傷、儀器故障或誤吞意外，操作時請遵循產品的注意事項。