不鏽鋼鍋和水槽，為什麼吸不住磁鐵？
― 裡面幾乎都是鐵，改變的是原子的「排列方式」
不鏽鋼的重量中，約有七成是鐵。可是把磁鐵貼在廚房水槽上，卻幾乎吸不住。決定能不能吸住磁鐵的，不是「有沒有鐵」，而是鐵原子排成什麼樣子。
剛買回來的廚房計時器，背面有磁鐵。它輕輕鬆鬆就吸在冰箱門上。
可是貼到流理台的不鏽鋼壁面上，卻滑溜溜地掉下來。同樣是「金屬」，而且明明算是鐵的同類。
更奇妙的是，在水槽的邊角，或是彎折做成的邊緣附近，磁鐵有時會微微卡住。明明是同一塊板子，不同位置卻不一樣。
理由只有兩個
每一個鐵原子都是一塊小磁鐵。在一般的鐵裡，這些小磁鐵的方向會一齊對齊。在不鏽鋼裡加入鎳後，原子的排列方式改變，方向就對不齊了。
用力彎折的地方，原子的排列會被硬生生推歪。其中一部分會變成吸得住磁鐵的排列。水槽只有邊角會讓磁鐵卡住，就是這個原因。
也就是說，磁力的大小取決於原子的「團隊合作」，而不是「材料」。接下來一個一個來看。
原子的小磁鐵，要對齊了才有力量
鐵原子裡的電子像陀螺一樣旋轉。因為這種旋轉，每個原子都成了像指南針指針一樣的小磁鐵。在一般的鐵裡，相鄰的原子會強烈地互相牽引，想「朝向同一個方向」。於是數以兆計的原子方向一致，就能強力吸住從外面靠近的磁鐵。
這裡的關鍵是原子的排列方式。一般的鐵，原子排成立方體的每個角和正中央各一個。但是不鏽鋼的代表「18-8」（鉻 18％、鎳 8％），在鎳的作用下，原子變成排在立方體的每個角和每個面的中央，排得更緊密。在這種排列中，相鄰原子讓方向對齊的力量使不上來。方向一直亂七八糟，整體的磁力幾乎都被抵消了（圖 1）。
有趣的是，鎳本身其實是吸得住磁鐵的金屬。把吸得住磁鐵的鐵，和吸得住磁鐵的鎳混在一起，混出來的東西卻吸不住磁鐵。這正是最好的證據，說明磁力不是「材料的加總」，而是由「排列方式」決定。
同樣是不鏽鋼，也有吸得住磁鐵的種類和位置
不鏽鋼裡也有不加鎳的「18-0」（只含 18％的鉻）。這種不鏽鋼的原子排列和一般的鐵相同，所以吸得住磁鐵。便宜的湯匙，以及可用於電磁爐（IH）的鍋底，常常就用這種。電磁爐的原理，是在吸得住磁鐵的金屬裡產生漩渦狀的電流來加熱，所以吸不住磁鐵的鍋子很難加熱。
就算是 18-8，被用力彎折或壓扁成形的部分，情形也不一樣。原子的排列被外力推歪後，有一部分會換成吸得住磁鐵的排列。水槽的邊角、湯匙頸部彎曲處、鍋子的邊緣等地方，磁鐵會微微卡住，就是這個原因。把磁鐵慢慢滑過去，只有在彎折得厲害的地方，才會感覺到「卡了一下」。
你也許聽過「吸得住磁鐵的就不是不鏽鋼」這種說法，但這是不對的。像 18-0 就是很吸磁鐵的不鏽鋼。讓不鏽鋼不容易生鏽的，主要是鉻，它在表面形成一層極薄的膜，保護裡面的金屬。能不能吸住磁鐵，和是否不容易生鏽，是兩種不同的性質。
連鐵，加熱後也會吸不住磁鐵
原子的方向對不對得齊，也會隨溫度改變。溫度升高，原子會劇烈晃動，抵抗與鄰居對齊方向的力量。以鐵來說，超過約 770℃ 時，方向的整齊就完全崩潰，吸不住磁鐵了。這個溫度稱為「居禮溫度」。請試試圖 2 的滑桿來改變溫度。對齊程度從 700℃ 左右開始急遽下降，到 770℃ 變成 0。
如果再加熱，超過約 910℃，鐵原子會重組成與 18-8 不鏽鋼相同的緊密排列。也可以說，18-8 是靠鎳的力量，把「高溫時鐵的排列方式」一直保留到室溫的金屬。
總結
大多數不鏽鋼吸不住磁鐵，並不是因為鐵不見了，而是加了鎳之後，原子的排列方式改變，原子的小磁鐵無法對齊方向。排列方式和鐵相同的 18-0 吸得住磁鐵，18-8 只有彎折的地方會微微吸住。而鐵本身，超過 770℃ 後方向崩潰，也會吸不住磁鐵。
吸得住磁鐵的力量，看的不是原子的「數量」，而是「對齊的程度」。
改變排列方式，連鐵也會忘了磁性。
關於磁鐵本身的性質，在把磁鐵切成兩半，會得到只有 N 極的磁鐵嗎？中有詳細說明。鐵加熱時的顏色變化，請看打鐵師傅為什麼不用溫度計，就知道鐵的溫度？；與不鏽鋼為什麼不容易生鏽有關的話題，也歡迎閱讀鐵為什麼會生鏽？
- 取下一個冰箱磁鐵，貼到流理台的平面上，應該幾乎吸不住。接著慢慢滑向水槽的邊角或彎折的邊緣，找找看哪裡會卡住。
- 貼到湯匙或叉子的握柄上。應該會有吸得住的、吸不住的，以及只有頸部彎曲處微微吸住的。如果握柄背面有「18-8」或「18-0」的刻印，就拿來和結果對照看看。
- 也貼貼看鍋子或平底鍋的底部。只有底部吸得住磁鐵的鍋子，多半是為了能用電磁爐，而貼合了吸得住磁鐵的金屬。
用強力磁鐵（釹磁鐵）時，18-8 也可能被微微吸引。用小的冰箱磁鐵，差異反而更明顯。剛離火的鍋子請不要拿來試。
想知道更多的人 ― 術語・算式・與課本的連結從國中理化到大學專業課程，清楚標示每段屬於哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理」「化學」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到，屬於大學專業課程（固態物理學・金屬材料學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教，是目前研究者還在探究的話題
國中術語：這個現象是有名字的
- 鐵磁性：像鐵、鎳、鈷那樣，原子的磁鐵方向會自然對齊，被磁鐵強烈吸引的性質。
- 體心立方晶格與面心立方晶格：原子排列方式的名稱。前者是原子位於立方體的角和中心，後者是位於角和各面的中心。一般的鐵是前者，18-8 不鏽鋼是後者。
- 沃斯田鐵系不鏽鋼：具有面心立方晶格排列的不鏽鋼。以 18-8（JIS 規格的 SUS304 等）為代表，幾乎吸不住磁鐵。
- 居禮溫度：鐵磁性消失的溫度。鐵的居禮溫度據說約為 770℃。
國中高中用算式確認：磁鐵吸引的力，鐵和 18-8 差多少？
我們來估計：把 1 立方公分的金屬塊靠近強力磁鐵的表面時，受到的吸引力。表示吸得住磁鐵的容易程度的數字，稱為「磁化率」（符號 χ）。這個數字和吸引力成正比。
| 用符號寫 | F ＝ （χ × V ÷ μ0） × B × （ΔB ÷ Δx） |
| 用文字寫 | 吸引力 ＝ 磁化率 × 體積 ÷ 真空磁導率 × 磁場強度 × 磁場隨距離減弱的比率 |
| 這個算式的來源 | 在磁場中被磁化的物體，所具有的磁能在磁場越強的地方越低。物體會被推向能量較低的一側，也就是磁鐵附近。那個「能量斜坡」的坡度，就是力。 |
| 符號的意義與單位 | F 是力（N），V 是體積（m³），B 是磁場強度（特斯拉），Δx 是距離（m） |
| 強力磁鐵表面的磁場 B | 約 0.4 特斯拉 |
| 磁場減弱的比率（假設 1cm 處變成 0） | 每 1m 40 特斯拉 |
| 1 ÷ μ0（真空磁導率的倒數） | 據說約為 800000 |
| 體積 V（1 立方公分） | 0.000001 m³ |
| 鐵板的有效磁化率 | 約 1（鐵本身的磁性互相抵消，據說達到由形狀決定的上限） |
| 18-8 的磁化率 | 據說約 0.003〜0.01（這裡取 0.005） |
| 磁場 × 減弱的比率 | 0.4 × 40 ＝ 16 |
| 除以 μ0（乘上 800000） | 16 × 800000 ＝ 12800000 |
| 乘上 1 立方公分的體積 | 12800000 × 0.000001 ＝ 12.8 |
| 鐵（磁化率 1）的吸引力（N） | 12.8 × 1 ＝ 12.8 |
| 換算成重量（kg） | 12.8 ÷ 9.8 ≒ 1.3 |
| 18-8（磁化率 0.005）的吸引力（N） | 12.8 × 0.005 ＝ 0.064 |
| 換算成重量（kg） | 0.064 ÷ 9.8 ≒ 0.0065 |
| 鐵是 18-8 的幾倍 | 12.8 ÷ 0.064 ＝ 200 |
同樣大小的金屬塊，鐵受到的力約相當於 1.3kg 的重量，18-8 卻只有約 6.5g。差距大約是 200 倍。冰箱磁鐵更弱，所以貼在 18-8 上撐不住自己的重量就掉下來了。這些數值只是用來掌握原理的概略參考。
高中高中＋晶體結構，與加工產生的磁性
高中化學會學到金屬的晶格有體心立方晶格、面心立方晶格和六方最密堆積結構。面心立方晶格的堆積率約 74％，比體心立方晶格的約 68％更緊密。鐵在約 910℃ 時會從體心立方變成面心立方，這種現象稱為「同素異形轉變」。
高中＋在室溫下用力彎折 18-8，面心立方的一部分會變成稱為「加工誘發麻田散鐵」、接近體心立方的組織。這個部分具有鐵磁性，所以會被磁鐵微微吸引。據說經過熱處理（固溶化處理）後，又會回到面心立方，變得吸不住磁鐵。
大學交換作用與居禮溫度
讓原子磁鐵方向對齊的力，其真面目是電子之間的「交換作用」。這是從量子力學的包立不相容原理產生的效應，據說比古典的磁鐵之間的力強得多。在金屬鐵裡，電子會在原子之間跑來跑去，所以會用「是否滿足史東納條件來決定鐵磁性」這種看法（能帶理論的巡遊電子磁性）。當原子的間隔或排列方式改變，這個條件有時就不再滿足。在居禮溫度以上，磁化率會隨溫度成反比下降，這叫「居禮－外斯定律」。圖 2 的曲線，是用與測量值吻合得很好的庫茲明近似式畫出來的。
📖 算式的推導，以及更進一步的內容：居禮溫度（維基百科） ／ 鐵磁性（維基百科）
研究還沒有完全弄清楚的事
- 面心立方的鐵，磁性到底是怎麼回事。 純粹的面心立方鐵，在低溫時被認為接近方向交錯排列的「反鐵磁性」狀態，但性質會隨原子間隔大幅改變，整體樣貌至今仍在討論中。
- 彎折到什麼程度，會吸得住多少磁鐵。 加工誘發麻田散鐵的生成方式，會因溫度、加工速度和些微的成分差異而有很大的變化。建立能精確預測的模型，工作仍在持續。
- 能不能只靠理論，算出磁化隨溫度減少的曲線形狀。 圖 2 使用的近似式是配合測量結果得出的，要從第一原理精確計算像鐵這樣的金屬的曲線，至今仍被認為是困難的課題。
也就是說，這篇文章的內容，也只是「就目前所知範圍的說明」。在每天都會碰到的水槽裡，也藏著物理學尚未解決的問題。
與課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化：磁鐵與磁場、金屬的性質 | 吸得住磁鐵與吸不住磁鐵的金屬 |
| 高中 | 化學：金屬的晶格／物理：磁場 | 圖 1 的排列差異、吸引力的算式 |
| 高中＋ | 化學進階：合金與同素異形轉變 | 18-8 與 18-0 的差別、彎折處的磁性 |
| 大學 | 固態物理學・金屬材料學 | 交換作用、史東納條件、居禮溫度 |
| 研究 | 磁性物理・材料科學 | 面心立方鐵的磁性、加工誘發相變的預測 |
| ― | 與生活的連結 | 挑選適用電磁爐的鍋子、看餐具的刻印 |
- ステンレス鋼（不鏽鋼，維基百科）
- オーステナイト（沃斯田鐵，維基百科）
- ステンレス協会（日本不鏽鋼協會）編《ステンレス鋼便覧（不鏽鋼手冊）》，日刊工業新聞社
- 近角聰信《強磁性体の物理（上）（鐵磁體物理（上））》，裳華房
- M. D. Kuz'min, "Shape of Temperature Dependence of Spontaneous Magnetization of Ferromagnets: Quantitative Analysis", Physical Review Letters 94, 107204 (2005)
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是為了幫助理解原理的參考值與概算。產品的材質，以及烹調器具是否適用，請以各產品的標示為準。