【地震特辑】磁铁能预报地震吗?

流言: 据国际组织预报今年地球将进入地球地震年,所以,在这里给朋友们推荐一种地震预报的方法是:把一块磁铁用绳子挂在高处,下面正对地板砖或一个铁盆,磁铁上粘一块大铁块。地震前地球磁场发生剧烈变化,磁铁会失去磁性。铁块掉下来,落在地上或盆上,发出响声。此法在房屋没有晃动前就会提前预警。提前时间10分钟至几十秒。如果掉下来了,必发生大震。

真相: 这段话看起来很像懂行的人的建议。咱们姑且不论到底是什么“国际组织”这样的做好事不留名,试问一句,磁铁会因为地震导致的磁场变化而失去磁性吗?反过来想想就能明白。难道那些曾经发生过地震的地区,震后所有的磁铁就都失效了?如果真是这样的话,所有的银行卡磁卡都将报废,电机和喇叭也都会纷纷罢工的。这明摆着是一个拍着脑袋想出来的招数嘛。

磁性是怎么回事?

首先,让我们了解一下磁铁为什么会有磁性。磁铁内部含有很多金属离子(比如铁离子),由于这些离子内部独特的电子结构使得它们带有磁性,因此可以看成一个个强度不变的“小磁铁”。在不同的温度下,“小磁铁”的方向分布不同,磁铁表现出来的磁性也不同。当磁铁的温度比较高的时候,磁铁内部的原子振动很厉害,这些“小磁铁”就会杂乱无章的指向各个方向,如下面第一张图所示。这种情况下,外加的磁场会使得“小磁铁”向外加磁场的方向略微偏转,对外表现为微弱的磁化强度(如下面第二张图所示),属于顺磁行为,通俗地解释,就是“小磁铁” (在很小的程度上)顺从外加磁场的方向。要知道,一般需要数百个特斯拉(地球磁场的数百万倍以上)才能够把“小磁铁”都约束到同一个方向上。

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高温下“小磁铁”杂乱的分布示意图

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高温下在外加一定的水平向右方向磁场的示意图,“小磁铁”略微倾向于水平向右的方向。

当磁铁的温度比较低的时候,“小磁铁”之间的相互作用克服了热振动的扰动,基本上沿着同一个方向,对外则表现为很大的磁性(如下面第一张图所示)的磁铁,这种行为被称为铁磁。值得一提的是,这个高温和低温的界限被称为居里温度,是由居里夫人的丈夫皮埃尔∙居里在研究磁石的物理性质时发现的。然而,在没有外加磁场的情况下,所有的“小磁铁”都指向同一个方向的状态对应的能量比较高。实际上大块的磁铁会形成很多不同的被称为磁畴的部分,每一个磁畴内部的“小磁铁”都会指向同一个方向,但是不经过磁化过程的话,不同的磁畴指向的方向不同(如下图第二张图所示),平均起来看,磁铁对外并没有磁性。一种将磁铁消磁的手段就是将其加热到居里温度以上,然后在没有外加磁场的环境下冷却。我们日常见到的磁铁的居里温度都在数百摄氏度以上,除非发生大火,拴在空中的磁铁的周围的大气温度肯定达不到那么高。因而,磁铁绝对不会在地震中因为这个原因被消磁。

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低温下“小磁铁”在相互作用下指向同一方向

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没有外场作用下低温磁铁自发地分成不同取向的磁畴示意图

如何改变磁铁的磁性呢?

那么,磁铁是怎么被磁化的呢?在外加强磁场的作用下,一个磁畴内部的“小磁铁”会一起转向磁场的方向,或者方向和磁场吻合的磁畴会慢慢变大,磁铁会被磁化,磁性随着磁场的增强慢慢变强,表现为下图中的A-B-C的样子(磁化曲线)。当磁场慢慢减弱的时候,磁化强度并不会落回到A-B那条线上去,而是会比A-B要大一些,这样到外磁场为零的时候,磁铁仍然有一定的磁化强度。不断的改变磁场的强度,可以得到图中B-D-E-F-E-G-B的曲线(磁滞回线),磁化强度不会回到零的位置。磁滞回线的存在,显示了磁性材料的磁化会由外磁场强度和磁化的历史共同决定。对于磁铁之类的永久磁化的磁体(永磁体),要改变它们的磁化状态,外加的磁场要接近图中的HCM的大小才行,这一般需要一个特斯拉或者更高的磁场才行[1],相当于地磁场的数千倍乃至数万倍。如果施加的外磁场比这个HCM小很多,磁铁的磁化状态不会有任何的改变。

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强磁材料的磁化曲线(A-C)和磁滞回线(B-D-E-F-E-G-B):磁化强度(M)随着外磁场(H)的变化

在地震发生的前后,由于地层内快速的地质变化而导致地磁场产生一定程度的异常的变化是可以理解的,也是可以观测到的。观测到的地磁场异常的位置和地震震中的位置有的时候有一定的联系[2,3] 。但是,这种地磁场异常的量级都在0.000,000,001特斯拉的量级上[2-4],比地球磁场(0.00005特斯拉)小很多。作为比较,一百米之外的普通输电线产生的磁场一般在0.000,001特斯拉的量级,是地震有可能产生磁场变化的一千倍。地震产生的磁场变化在日常环境中几乎无法探测,也根本不可能对磁铁的磁化状态产生什么影响。 通过上面的分析大家可以看到,这种简易的预测地震的“偏方”不具有任何的科学性和可行性。铁块并不会因为地震的原因从磁铁上掉下来。

结论:谣言破解。 也许“磁铁预测地震”的发明者出发点是好的,但科学的规律只能是她本来的样子。地震产生的磁场变化极其微小,根本不可能对磁铁的磁化状态产生什么影响。也就不可能用什么磁铁悬物法来预测地震了。

参考资料:
[1] 《凝聚态磁性物理》,姜受亭、李卫编著,科学出版社。
[2] Masashi Hayakawa et. al., Sensors 7, 1108 (2007).
[3] 韩鹏,黄清华,修济刚,“地磁日变与地震活动关系的主成分分析”,《地球物理学报》第52卷第6期(2009)。
[4] A. C. Fraser-Smith et. al., Geophysical Research Letters 17, 1465 (1990).

转载自科学松鼠会: 《磁铁能提早预报地震吗?》

The End

发布于2011-03-14, 本文版权属于凤凰网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系凤凰

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沐右

物理博士,科学松鼠会成员

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