磁鐵有性格？認識「磁滯曲線」

2023 年 02 月 27 日2023 年 07 月 14 日 CASE PRESS 坡莫合金, 心理測驗, 磁力, 磁滯曲線, 磁鐵

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磁鐵的超距吸引力總是讓人忍不住把玩，鐵磁性物質不只是生活小幫手，更是現代科技發展的關鍵材料之一，從日常冰箱上的磁鐵到奈米科技皆可見蹤跡。帶你發現鐵磁性材料背後的物理機制，不僅是磁吸力大小，其實有非常多樣化的特徵，就像每個人都有自己獨特的性格，不同成份的合金材料都很有個性喔！

撰文｜黃鼎鈞

小遊戲設計｜孫正涵

磁鐵是每個孩子從小愛不釋手的神奇小物，磁鐵之間的吸引力總是讓人忍不住拿在手上把玩，也喜歡在冰箱上面拼出圖案。磁鐵就是可以「產生磁場」且可以「吸引鐵」的物質，這類物質最早於西元前500年被發現，被稱為天然磁石，主要是由氧化鐵及鈦、鋁、錳等金屬離子組成。有著磁鐵性質的物質被稱為「鐵磁性」材料，且具有多樣化的磁性特徵，原來每個磁鐵都有著不同的心情。

隱藏在磁鐵背後的物理，代表每個磁鐵的心情

首先我們要認識「磁矩」，大眾較熟悉的是「力矩」，力矩為力量乘以長度，磁矩則是磁性物質在外加磁場感到的力矩，單位為焦耳Ｊ／特斯拉Ｔ（焦耳Ｊ是能量單位，特斯拉Ｔ則是外加磁場的單位）。沒有外加磁場的情形下，該鐵磁性材料每單位體積帶有越大的磁矩，代表磁化率越高，概念有如日常我們說道：「這磁鐵磁力好強喔！」

接著，以圖2來認識鐵磁性材料與外加磁場的互動關係，這樣的圖形被稱為「磁滯曲線（Hysteresis loop）」，圖形中的Ｘ軸和Ｙ軸分別是外加磁場及磁化率，磁化率指的是每單位體積帶有多少磁矩，圖中以m_h表示，圖中的紅色編號0為原點，因起初物質尚未被磁化。

從開始施加磁場往紅色編號1的方向前進，可以看見物質磁化的程度隨著外加磁場上升；來到紅色編號2時，磁化率逐漸無法再隨著外加磁場的增加而提升，這部分被稱為「磁飽和」。再來將外加磁場逐漸減弱至關閉，物質磁化的程度將沿著紅色編號2移動至編號3，可以觀察到對於鐵磁性物質來說，移除了外加磁場，它仍保有磁化的現象，在物理上稱之為「剩磁（remanence）」，圖中以m_rs表示，這也是為什麼冰箱上的磁鐵，在無外加磁場的情況下也擁有磁力的原因。

繼續沿著曲線紅色編號3至編號4，這個過程對物質施加反向的磁場，直到紅色編號4的地方，才能將剩磁完全消除，從紅色編號0到編號4這一段數值，我們稱為「矯頑力（Coercivity）」，圖中以h_c表示。持續施加反向磁場後，逐漸地達到反向的磁飽和（紅色編號5），最後沿著紅色編號5到編號7形成一個對稱的磁滯迴圈。

圖２、磁滯曲線，對鐵磁性物質施加磁場將反應出磁矩，可比擬為他人外加行為對應到自己的心情反應。剩磁就像是記仇，矯頑力好比「消氣」所需之能量。圖片改編自　Wikimedia Commons

透過心情投射來體會此圖形，能更加瞭解磁滯曲線，若將Ｘ軸比擬為同學對你的一言一行，＋Ｘ是使人不舒服的調皮行為，－Ｘ是讓人開心的友善行為，Ｙ軸則是心情，＋Ｙ是生氣，－Ｙ則代表高興。若有個調皮的同學一直捉弄你，心情會越來越生氣，雖然這調皮的同學不再捉弄你了，你也不會馬上就消氣，仍然有不悅的感受在心裡，可能接近所謂的記仇，除非他做一些友善的補償行為，重新取得你的信任，才可能盡釋前嫌，他需要花多少心力才能取得我們的原諒？就是矯頑力！當一個鐵磁性物質在無外加磁場時仍擁有很強的磁力（高剩磁）代表它很會「記仇」，若是它的矯頑力也很大，也就代表它很難「消氣」，調皮的同學需要花費更大的心力才能得到它的原諒，也就是施加更大的反向磁場，鐵磁材料才能夠「消磁」。

因此，不同的鐵磁性材料都有各自的飽和磁矩、剩磁及矯頑力，具有多樣化的磁滯曲線，成就各個鐵磁材料的特徵，就像每個人有不同的個性一樣，還會根據周遭的人產生變化。

高敏感可是心地柔軟的坡莫合金

坡莫合金是一種由鐵與鎳組成的合金，由美國物理學家G. W. ELMEN 於 1913年左右命名，他發現當鎳在合金中的比例超過30％時，整個合金結構便會由鐵的主結構（體心立方）轉變為鎳的主結構（面心立方），且其對外加磁場的反應能力大幅提升，這個能力我們稱為物質的「磁導率」（Permeability）。當鎳的比例達到80％時，磁導率達到最高，比起純鐵的磁導率多了200倍。有趣的是坡莫合金擁有極低的矯頑力，若與純鐵的磁滯曲線比較，整個迴圈的面積少了16倍，意味著若將坡莫合金應用至電子設備時，正、反磁場切換一次，比起純鐵僅消耗1／16的能量，在物理上又稱此類的材料為「軟磁鐵」。