日月流逝，磁鐵會失去磁性嗎？背後的科學原理

隨著時間的推移，由於溫度變化、機械損傷、腐蝕和不適當的儲存，永磁體確實會失去可忽略不計的磁性。

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眾所周知，附著在冰箱上磁鐵會在幾年後脫落，隨著時間的推移，玩具上的磁鐵也會失去其強度。實際上，所謂的「永磁鐵」並不是真正的永久。

退磁——降低或消除磁體磁性的過程，通常是人為完成的，但也可以自然發生。

極端的溫度波動、由於機械損壞造成的體積損失、不適當的儲存、磁滯損耗和腐蝕都會導致磁鐵失去磁性。

時光會打磨掉磁鐵的磁性

原子磁矩與物體磁性

在我們進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動的結果，尤其是電子。這些帶負電的粒子不斷地圍繞原子核旋轉，同時也在自轉。這兩種運動中的後一種，被稱為電子自旋，是一種內在的性質，在很大程度上促成了吸引力或排斥力的產生，我們稱之為磁力。

簡單地說，電子的公轉和自轉被認為產生了電流(電子流)，這使得單個電子像微小的磁鐵一樣工作(電磁)。每一個電子都產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，並結合起來產生一個淨原子磁偶極矩。

儘管質子和中子也繞著它們的軸旋轉，增加了原子的淨磁矩，但是它們產生的磁矩比電子小1000倍，因此可以忽略不計。

電子的運動是磁性產生的主要原因

每一個電子都可以看做是一個微小的磁鐵，而物體中都包含數萬億個電子，理應每一個物體都有磁性才對，為什麼我們周圍的一切都不是磁性的呢？

答案是：微觀電子產生的磁矩相互抵消，宏觀物體不顯磁性。

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

由於沒有自旋方向相反的電子來中和它們，這些未成對電子共同賦予原子以磁力。

當形成晶體時，金屬原子可以把它們的磁矩排列在同一個方向，也可以不排列，這取決於能量大小，會以能量較低的方式排列。單個磁矩相互平行的區域稱為磁疇，磁疇和單個原子對外加磁場的響應構成了各種磁性材料分類的基礎。

鐵磁材料中的磁疇在存在外部磁場的情況下自行排列，從而形成永久磁鐵。

是什麼導致磁力的損失？

磁性材料不是真正的磁性材料，除非它的磁疇精確排列；任何單個磁疇方向的改變都會導致淨磁場強度的損失。各種自然因素可以促使這些磁疇隨機排列，最常見和最具破壞性的是高溫加熱。

宏觀物體雖然表面上看起來平靜無常，但在微觀層面上，原子卻在不停地振動。振動的程度取決於它們的能量狀態，而能量狀態又取決於溫度。溫度的任何微小波動都會影響原子振動的強度，從而影響總的磁場強度。溫度的降低會放大磁鐵的磁力，而溫度的升高會對其產生不利影響。

當磁體暴露在高溫下時，磁體中的原子開始以越來越快的速度振動，並且更加瘋狂。這導致一些磁疇的排列方式發生變化，導致淨磁性降低。在足夠高的溫度下，所有磁疇的排列變得隨機無序，隨之磁體完全失去磁性。磁體失去永久磁性的轉變溫度稱為居裡溫度。

溫度與磁性

如果磁體被加熱到居裡溫度以下的溫度，然後冷卻，磁體將恢復其磁性。然而，將磁體加熱到居裡溫度以上後再冷卻，磁性恢復無望。在這種情況下，需要引入外部磁場來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℃，釤鈷磁體~ 750℃，釹磁體~ 310℃)是不常見的。磁性的自然喪失主要是其他因素導致的。

存儲不當

雖然看起來微不足道，但磁鐵的適當存儲對於確保它們不會隨著時間的推移而失去強度至關重要。

大多數磁鐵都含有適量的鐵，鐵在氧氣和水的存在下會發生氧化腐蝕。最常用和最強的永磁體，釹磁鐵，由於其含鐵量高(超過60%)，也最容易受到腐蝕。由於腐蝕改變了使材料具有磁性的潛在化學結構(鐵→氧化鐵)，導致磁性的損失。

為了防止氧化腐蝕，增加磁鐵使用時間，製造商已經開始採用防腐塗層，但在儲存磁鐵時仍需小心。

一塊磁鐵不正確地放置在另一個更強的磁體附近也會失去部分或全部磁性。不同磁體的相似磁極不應該互相接觸，因為強磁體將迫使弱磁體的磁疇改變方向；在某些情況下，磁極可能會完全反轉。這種由外部磁場引起的磁損耗稱為磁滯損耗。

除了磁鐵，日常生活中含有磁介質的物品，如信用卡、硬碟、顯示器等，在保存放置時也要避免由外部磁場引起的磁損耗。

結構損壞

最後，任何結構性損壞也會導致磁場強度的降低。顯然，由相同材料製成的磁鐵產生的磁場取決於磁鐵的大小。磁鐵越大，產生的磁場就越大。結構性損傷會使磁體的尺寸減小，從而降低其磁場強度。

此外，尖銳物體的撞擊，如反覆敲打磁鐵或掉落在堅硬的物體表面上，會迫使磁疇排列方式發生改變降低磁性。這僅適用於某些永磁體。釹、釤鈷和鐵氧體磁體非常脆，如果掉落在堅硬的表面或被反覆錘打，就會發生結構性損傷。另一方面，鋁鎳鈷磁體非常堅固，在機械應力下不會斷裂或破裂。

磁鐵的保存與「傳承」

為了延長磁鐵的壽命並防止磁力的損失，請將磁鐵存放在乾燥的地方。如果要把多個條形磁鐵放在一起，把一個磁鐵的N端貼在另一個磁鐵的S端，依此類推；馬蹄形磁鐵也可以像這樣儲存。

當多種力量合力奪走你的磁鐵的能量時，長期磁力的淨減少是非常微小的。例如，釤鈷磁體需要大約700年才能自然失去一半的強度，而釹磁體每100年才會失去大約5%的磁性。

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