【科普】磁鐵的磁力為什麼不會消失?它的能量到底來自哪里?

要想搞清楚這種問題,就需要明白一點:電和磁其實是一體的,是一回事,就像質量和能量之間的關系一樣。

通俗理解,電能產生磁,磁也還能產生電,兩者就像一枚硬幣的兩個面一樣,關系非常密切。這也是為什麼會有電磁場的概念。

發電機(馬達)里面都有很大的一塊磁鐵,這樣當里面的電線切割磁場時就會產生電。

產生的電能其實就是機械能轉化來的,能量是守恒的。但前提必須是帶磁性的物體才行,拿一個木棍在磁場中運動肯定不會有電流產生。反過來,當有電流在電線圈內運動時,也會產生磁場。

明白了這點,才能更好地理解磁鐵的磁場到底來自哪里,還有能量的問題。

首先,我們需要從微觀領域去理解。原子模型中,電子在原子核外運動,很多人理解為就像地球圍繞太陽運動那樣,其實這種理解是不嚴謹的,之所以很多示意圖中會把原子結構比作太陽系結構,目的就是為了更通俗地理解原子結構,其實并不嚴謹。

其實磁場的根源在于電子的自旋,電子帶電,自旋的時候就會產生磁性,這才是磁鐵帶有磁性的根本所在。

所以,只要電子不停止自旋,磁鐵的磁性就會一直存在。

有人肯定會接著問:電子為何會自旋?或者說電子自旋的能量來自哪里?

只能給你一個「不講理」的回答了:自旋是電子的內在秉性,基本屬性,或者說在宇宙大爆炸的一瞬間就決定了電子具有自旋屬性。

更突出的問題不在于電子為何有自旋,而在于「物質都有電子,為何被的物體沒有磁性呢?」

還有就是,磁鐵的磁性也不是永久的,在被加熱后會失去磁場,冷卻后又會恢復磁性,為何會這樣?

雖然萬物之中都有電子,但大多數物質并沒有表現出磁性,只有少數物質具有磁性。因為在大多數物體中,電子都是成對出現的。在量子學領域,存在著「泡利不相容原理」,說白了成對出現的電子自旋方向必須相反。

自旋方向相反,產生的磁性就會抵消為零,如此一來,大多數物體就不會表現出磁性。

我們經常看到的磁鐵是一個特例,因為鐵有四個電子是不成對出現的,如此一來這些電子就會形成磁場。

簡單講,每個鐵原子都是一個小磁鐵。不過這小小磁鐵的排列通常都很混亂,結果就是鐵的磁場相互抵消,所以普通的鐵是沒有磁性的。

但是在經過磁化之后,就具有磁性了。

比如說,把一塊鐵放置在磁場中,一段時間過后,之前混亂排列的小磁鐵就會變得有規律,形成磁場。而且即使撤掉磁場之后,鐵的磁性仍舊能保留下來,這就是磁鐵。

之所以加熱可能會導致磁鐵磁性消失,原因也很簡單,因為磁鐵受熱之后,會導致原子加速振動,這就破壞了原有的有序排列,讓小磁鐵的方向變得混亂,如此一來磁性就消失了!


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