磁鐵有性格?認識「磁滯曲線」

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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。

圖1 磁鐵示意圖 圖片出處Wikimedia Commons

 

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mh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mrs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hc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」。

圖3 坡莫合金(鐵鎳合金)圖片出處 Wikimedia Commons

 

坡莫合金就好比一位心理敏感卻不容易計仇,且是一位心地柔軟、圓融處事的人。根據上述的特性,坡莫合金常被用於變壓器、磁碟片、屏蔽設備及電磁鐵等等,而且材料科學家可以透過鐵、鎳不同比例的摻雜,做出對應不同需求的坡莫合金。透過磁鐵的物理特性對應自己的心情,也可以用磁滯曲線來想想自己的性格喔!

 

參考資料:

  1. Wikipedia contributors. "Lodestone." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 25 Oct. 2022. Web. 9 Jan. 2023.
  2. Introduction toSolid State Physics, Charles Kittel
  3. Journal of the Franklin Institute, Vol. 207, May, 1929, pp. 583–617. 

 


限時動態趣味小測驗:

 

今天是一如往常的上班/上課日,你的同學/同事一直跟你說話,甚至捉弄你,這時你通常會感到?

A 還好欸,沒什麼感覺。

B 有感覺欸,有點煩躁。

 

在他一陣叨擾後,你的心情可能不是很好,他跑走不再捉弄你了,又過一陣子後你的心情如何?

A 他好煩,心情不美麗。

B 算了,很像還好。

 

最後,他發現剛剛的行為不太妙,不確定你是否在生氣的情況下,反過來送你點心、飲料、說說好話討好你,希望跟你和好。通常對方得花多少心力才能讓你氣消呢?

A 給我好好道歉跟補償。

B 沒關係啦 過一下就好了。

 

 

對應你的金屬人格⋯⋯

 

 

📖 編輯的話:

沒有選到自己喜歡的金屬,或選到讓你感到疑惑的金屬,別太在意,每個人都是獨特的存在,小測驗不代表所有性格。希望透過互動小遊戲,讓科普更貼近我們的生活~~

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