这实际上是对磁铁和功的一种常见误解。
简而言之,磁铁在进行功的过程中,并不会产生磁性消耗,其磁性存在与否与做功没有直接关联。磁铁在吸引物体时表现出磁力,看似在做功,但其工作原理更接近于弹簧,并无神秘之处。
唯一的区别是,弹簧的弹性力是可见的,而磁铁的磁力则不可见且较抽象。
让我们先看看弹簧如何做功。虽然弹簧可以显示弹性力,但弹簧本身并不具有弹性力,需要借助外力才能显现。
必须有外力来压缩或拉伸弹簧,这样,弹簧就能展现弹力。换句话说,弹簧的弹力其实是由外部力量提供的,而非弹簧自身。一旦被压缩或拉伸,弹簧就相当于储存了能量,当外力消失后,弹簧就会释放能量。本质上,这就是能量在势能场中的存储与释放。
对于磁铁的磁力也是同样的情况,一个置于磁场中的物体所获得的能量来自于将其放入磁场的外部力量,而非磁场本身。
这与弹簧的原理相同。比如一块有磁性的磁铁,当你拿一块铁靠近它时,必须施加力以防止铁被吸走。你的力量为铁块提供了能量,相当于铁块储存了能量。当你放手后,铁块所储存的能量就会被释放,然后被磁铁吸过去。
那么,磁铁的磁性是如何产生的呢?
这源自于磁铁内部的微观单元,也就是磁畴,这些磁畴产生小磁场。只要这些小磁场保持统一的方向并且不发生混淆,磁铁的磁场就永远不会消失。
因此,磁铁的磁性其实是一种内在的固有属性,与做功无关。做功不会消耗掉磁铁的磁性,只与外部力量有关。
如果没有任何能量输入,磁铁就不会对外做功,就像如果没有外部能量来压缩或拉伸弹簧,弹簧本身也不会对外做功。
简单来说,如果有一对互斥的磁铁,就必须有外部力去抗衡这两者的排斥力,推动其中一个磁铁,这样才能做功,这实际上是让另一个磁铁获得了磁场势能以做功。
同样的,一对相互吸引的磁铁,也必须有外部力量将两者分开,使得磁铁获得磁场势能,这样在释放磁铁后,两块磁铁才会互相吸引。
我们在日常生活中看到的电动机就是利用这种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源,而非磁场本身的能源,磁场本身也不会提供能源。
那么,一个磁铁的磁性会消失吗?在什么情况下会消失?
理论上,只需让磁铁内部微小的结构单位——磁畴混乱即可。这样,磁铁的磁性就会失去一致性,变得杂乱无章,自然也就消失了。最常用的方法是加热磁铁,当温度升高后,磁铁内部的微小磁畴单位运动会加快并变得混乱,磁性自然也就消失了。
还有一个问题,为什么只有磁铁,而没有磁铜、磁铝等磁性物质呢?这实际上涉及到一个更本质的属性,我们需要从微观世界来了解磁性的本质。
磁性其实与电子的自旋密切相关。根据量子力学,电子的自旋总是成对出现,一个电子自旋转向上,另一个就转向下。由于电子带电,它的运动会生成电场进而产生磁场。但由于成对的电子自旋方向正好相反,所以通常不能显示出磁性。