这个问题其实是对磁铁和做功的美丽误解。
简单说,磁铁在做功的过程并不会消耗自身的磁性,磁铁的磁性与做功与否并没有直接关系。虽然磁铁会表现出磁力,看起来很魔幻,在吸引物体的时候就像是在做功,但其实磁铁的工作原理与弹簧很相似,并没有魔幻。
只不过弹簧的弹力清晰可见,而磁铁的磁力看不见摸不着,有些抽象罢了。
我们先来看看弹簧是如何做功的。虽然弹簧能够展现出弹力,但弹簧本身其实是没有弹力的,必须借助外部力量才能体现出弹力。
必须有外部力量压缩或者拉伸弹簧,弹簧才能展现出弹力。也就是说,弹簧的弹力其实是由外部力量提供的,而不是弹簧本身提供的。弹簧被压缩或者拉伸之后就相当于存储能量,外部力量撤出之后,弹簧就会释放能量,本质就相当于能量在势场中的存储和释放。
磁铁的磁力即使如此,一个被放入磁场中的物体,获取的能量是由把物体放入磁场中的外部力量提供的,不是磁场本身提供的。
这点和弹簧是一样的。比如说一块磁铁有磁性,你拿一块铁靠近磁铁,必须要用力才能保证不被磁铁吸过去,你的力量给了铁块能量,相当于铁块存储了能量,你放手后铁块存储的能量就会释放出来,被磁铁吸走。
那么,磁铁的磁性到底如何产生的呢?
是由磁铁内部的微观单元产生的。磁铁内部存在着微小的晶体单元,也既是磁畴,磁畴会产生小磁场,只要这些小磁场的磁场方向保持一致,不发生混乱,磁铁的磁场就永远不会消失。
所以,磁铁的磁性其实是内线固有属性,本来就存在的,与做功没有任何关系,做功并不会消耗磁铁的磁性,做功只与外部力量有关。
如果没有任何能量输入,磁铁也不会对外做功,就好比如果没有外部能量压缩或拉伸弹簧,弹簧本身也不会对外做功。
说白了,如果有一对相互排斥的磁铁,就必须有外部力量对抗两者的排斥力,推动其中一个磁铁然后才能做功,这其实就是让另一个磁铁获得磁场势能而做功。
同理,一对相互吸引的磁铁,也必须有外部力量把磁铁分开,让磁铁获得磁场势能,这样释放磁铁之后,两块磁铁才能吸引到一起。
我们日常生活中见到的电动机的工作原理就是这样的,利用磁场势能来提供动能,这个过程消耗的是流经磁场的外部能量,而不是磁场本身的能量,磁场本身也不会提供能量。
那么,一块磁铁的磁性会消失吗?在什么情况下会消失?
理论上只要让磁铁内部微小的结构单元磁畴变混乱就可以了,这样磁铁的磁性就不再一致,变得乱七八糟,磁性自然就没有了。一个最常用的方法就是把磁铁加热,当温度升高之后,磁铁内部的微小磁畴单元运动就会加快,从而变得混乱起来,磁性自然也就消失了。
还有一个问题,为什么只有磁铁,没有磁铜,磁铝等磁性物质呢?这个问题牵扯到更本质的一个属性,从微观世界了解磁性的本质。
磁性的本质其实与电子的自旋息息相关。根据量子力学,电子的自旋都是成对出现的,一个电子自旋方向向上,另一个就会向下。电子带电,它的运动会产生电场,进而产生磁场。不过由于成对电子的自旋方向正好相反,所以通常情况下体现不出磁性。
但是铁原子比较特殊,因为铁原子拥有四个不成对的电子,这意味着铁原子就能产生净磁场,相当于一个迷你磁铁,所以铁可以成为磁铁。
领取专属 10元无门槛券
私享最新 技术干货