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日月流逝,磁鐵會(huì)失去磁性嗎?背后的科學(xué)原理

發(fā)布時(shí)間:2021-09-28 17:55:06

隨著時(shí)間的推移,由于溫度變化、機(jī)械損傷、腐蝕和不適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存,永磁體確實(shí)會(huì)失去可忽略不計(jì)的磁性。

 


眾所周知,附著在冰箱上磁鐵會(huì)在幾年后脫落,隨著時(shí)間的推移,玩具上的磁鐵也會(huì)失去其強(qiáng)度。實(shí)際上,所謂的“永磁鐵”并不是真正的永久。

退磁——降低或消除磁體磁性的過(guò)程,通常是人為完成的,但也可以自然發(fā)生。

極端的溫度波動(dòng)、由于機(jī)械損壞造成的體積損失、不適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存、磁滯損耗和腐蝕都會(huì)導(dǎo)致磁鐵失去磁性。

時(shí)光會(huì)打磨掉磁鐵的磁性

原子磁矩與物體磁性

       在我們進(jìn)一步了解磁鐵如何失去磁性之前,讓我們先試著了解磁鐵如何產(chǎn)生磁性。

電磁力是自然界四種基本力之一,是帶電亞原子粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,尤其是電子。這些帶負(fù)電的粒子不斷地圍繞原子核旋轉(zhuǎn),同時(shí)也在自轉(zhuǎn)。這兩種運(yùn)動(dòng)中的后一種,被稱(chēng)為電子自旋,是一種內(nèi)在的性質(zhì),在很大程度上促成了吸引力或排斥力的產(chǎn)生,我們稱(chēng)之為磁力。

 

       簡(jiǎn)單地說(shuō),電子的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)被認(rèn)為產(chǎn)生了電流(電子流),這使得單個(gè)電子像微小的磁鐵一樣工作(電磁)。每一個(gè)電子都產(chǎn)生它們自己的磁偶極矩,分別是軌道磁偶極矩和自旋磁偶極矩,并結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生一個(gè)凈原子磁偶極矩。

盡管質(zhì)子和中子也繞著它們的軸旋轉(zhuǎn),增加了原子的凈磁矩,但是它們產(chǎn)生的磁矩比電子小1000倍,因此可以忽略不計(jì)。

 

       電子的運(yùn)動(dòng)是磁性產(chǎn)生的主要原因

 

       每一個(gè)電子都可以看做是一個(gè)微小的磁鐵,而物體中都包含數(shù)萬(wàn)億個(gè)電子,理應(yīng)每一個(gè)物體都有磁性才對(duì),為什么我們周?chē)囊磺卸疾皇谴判缘哪兀?/p>

答案是:微觀電子產(chǎn)生的磁矩相互抵消,宏觀物體不顯磁性。

       根據(jù)泡利不相容原理,同一個(gè)軌道殼層中的電子具有相反的自旋方向,因此會(huì)抵消彼此的磁矩。在某些元素中,如鐵和鈷(鐵磁性材料),最終的價(jià)態(tài)電子層只有一半被填滿(mǎn),含有未成對(duì)電子。

 

        由于沒(méi)有自旋方向相反的電子來(lái)中和它們,這些未成對(duì)電子共同賦予原子以磁力。

當(dāng)形成晶體時(shí),金屬原子可以把它們的磁矩排列在同一個(gè)方向,也可以不排列,這取決于能量大小,會(huì)以能量較低的方式排列。單個(gè)磁矩相互平行的區(qū)域稱(chēng)為磁疇,磁疇和單個(gè)原子對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)構(gòu)成了各種磁性材料分類(lèi)的基礎(chǔ)。

 

鐵磁材料中的磁疇在存在外部磁場(chǎng)的情況下自行排列,從而形成永久磁鐵。

是什么導(dǎo)致磁力的損失

磁性材料不是真正的磁性材料,除非它的磁疇精確排列;任何單個(gè)磁疇方向的改變都會(huì)導(dǎo)致凈磁場(chǎng)強(qiáng)度的損失。各種自然因素可以促使這些磁疇隨機(jī)排列,最常見(jiàn)和最具破壞性的是高溫加熱。

 

宏觀物體雖然表面上看起來(lái)平靜無(wú)常,但在微觀層面上,原子卻在不停地振動(dòng)。振動(dòng)的程度取決于它們的能量狀態(tài),而能量狀態(tài)又取決于溫度。溫度的任何微小波動(dòng)都會(huì)影響原子振動(dòng)的強(qiáng)度,從而影響總的磁場(chǎng)強(qiáng)度。溫度的降低會(huì)放大磁鐵的磁力,而溫度的升高會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不利影響。

 

當(dāng)磁體暴露在高溫下時(shí),磁體中的原子開(kāi)始以越來(lái)越快的速度振動(dòng),并且更加瘋狂。這導(dǎo)致一些磁疇的排列方式發(fā)生變化,導(dǎo)致凈磁性降低。在足夠高的溫度下,所有磁疇的排列變得隨機(jī)無(wú)序,隨之磁體完全失去磁性。磁體失去永久磁性的轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為居里溫度。

 

溫度與磁性

 

如果磁體被加熱到居里溫度以下的溫度,然后冷卻,磁體將恢復(fù)其磁性。然而,將磁體加熱到居里溫度以上后再冷卻,磁性恢復(fù)無(wú)望。在這種情況下,需要引入外部磁場(chǎng)來(lái)重新排列磁疇再次磁化材料。

不同材料的磁性隨溫度變化

雖然加熱是退磁的主要方法之一,但在日常生活中暴露在如此高的溫度下(鐵氧體磁體~ 460℃,鋁鎳鈷磁體~ 860℃,鈷磁體~ 750℃,磁體~ 310℃)是不常見(jiàn)的。磁性的自然喪失主要是其他因素導(dǎo)致的。

存儲(chǔ)不當(dāng)

雖然看起來(lái)微不足道,但磁鐵的適當(dāng)存儲(chǔ)對(duì)于確保它們不會(huì)隨著時(shí)間的推移而失去強(qiáng)度至關(guān)重要。

大多數(shù)磁鐵都含有適量的鐵,鐵在氧氣和水的存在下會(huì)發(fā)生氧化腐蝕。最常用和最強(qiáng)的永磁體,釹磁鐵,由于其含鐵量高(超過(guò)60%),也最容易受到腐蝕。由于腐蝕改變了使材料具有磁性的潛在化學(xué)結(jié)構(gòu)(鐵→氧化鐵),導(dǎo)致磁性的損失。

 

為了防止氧化腐蝕,增加磁鐵使用時(shí)間,制造商已經(jīng)開(kāi)始采用防腐涂層,但在儲(chǔ)存磁鐵時(shí)仍需小心。

一塊磁鐵不正確地放置在另一個(gè)更強(qiáng)的磁體附近也會(huì)失去部分或全部磁性。不同磁體的相似磁極不應(yīng)該互相接觸,因?yàn)閺?qiáng)磁體將迫使弱磁體的磁疇改變方向;在某些情況下,磁極可能會(huì)完全反轉(zhuǎn)。這種由外部磁場(chǎng)引起的磁損耗稱(chēng)為磁滯損耗。

 

除了磁鐵,日常生活中含有磁介質(zhì)的物品,如信用卡、硬盤(pán)、顯示器等,在保存放置時(shí)也要避免由外部磁場(chǎng)引起的磁損耗。

結(jié)構(gòu)損壞

最后,任何結(jié)構(gòu)性損壞也會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度的降低。顯然,由相同材料制成的磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)取決于磁鐵的大小。磁鐵越大,產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越大。結(jié)構(gòu)性損傷會(huì)使磁體的尺寸減小,從而降低其磁場(chǎng)強(qiáng)度。

此外,尖銳物體的撞擊,如反復(fù)敲打磁鐵或掉落在堅(jiān)硬的物體表面上,會(huì)迫使磁疇排列方式發(fā)生改變降低磁性。這僅適用于某些永磁體。釹、釤鈷和鐵氧體磁體非常脆,如果掉落在堅(jiān)硬的表面或被反復(fù)錘打,就會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性損傷。另一方面,鋁鎳鈷磁體非常堅(jiān)固,在機(jī)械應(yīng)力下不會(huì)斷裂或破裂。

磁鐵的保存與“傳承”

為了延長(zhǎng)磁鐵的壽命并防止磁力的損失,請(qǐng)將磁鐵存放在干燥的地方。如果要把多個(gè)條形磁鐵放在一起,把一個(gè)磁鐵的N端貼在另一個(gè)磁鐵的S端,依此類(lèi)推;馬蹄形磁鐵也可以像這樣儲(chǔ)存。

 

當(dāng)多種力量合力奪走你的磁鐵的能量時(shí),長(zhǎng)期磁力的凈減少是非常微小的。例如,釤鈷磁體需要大約700年才能自然失去一半的強(qiáng)度,而釹磁體每100年才會(huì)失去大約5%的磁性。

所以,你可以放心,目前放在你抽屜里的磁鐵將會(huì)伴隨你一生,甚至可以作為傳家寶傳給你的孫子孫女們!

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