吸鐵石的磁力為何不會消失？能量到底來自哪里？

[復制鏈接]

twq19810302

電梯直達

1^#

發表于 2023-4-22 13:22:42 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

本帖最后由 twq19810302 于 2023-4-22 13:24 編輯

要理解這個問題，就要搞懂電和磁是一體兩面。

電和磁就像硬幣的兩面，磁能生電，電也能生磁，在物理學上這兩者的關系非常緊密，因此才有了一個專用名詞將它們聯系在一起——電磁場。這也就是為什么發電機里面會有一大塊磁鐵的原因，當線圈切割磁場的時候，或者磁場切割線圈的時候就會產生電流。看動圖一。

]圖示：磁生電小實驗

當吸鐵石進入或退出線圈時，產生感應電流。此時電流的能量當然來自于機械能的轉化，但機械能必須經由磁鐵才能轉化，否則拿一根木條做同樣的動作您得不到電流！反之當電流在線圈中運動時也就會產生磁性和磁場，比如下面的動圖二。

圖示：電生磁小實驗

將導線纏繞到鐵釘或者一塊木頭上，連上一個電池通電就會產生磁性，斷電磁性消失。這是因為當電流通過螺旋型的線圈流動或運動時，就會產生出磁性。當然，這時候的磁性來自于電能，當電池放電完畢，磁性自然也就消失。如果要想自己做這個實驗，記得最好連上一個小燈泡或電阻，否則可能造成電池短路，電池就會過熱，甚至爆炸，必須小心！

明白了電生磁，磁生電，才能理解吸鐵石的磁性到底來源于何處，以及它的能量從哪里來。
5 t& E( l1 A& Y% p' c* _6 I3 e3 t! r/ o v- H* F. v
3 u! g# Y" K4 ~; }: Z* e: t8 ]1 J

看下面這張圖，這張圖很長時間內都是科學的象征，表示人類搞懂了物質的核心秘密，物質是由原子構成，而原子又是由電子和原子核構成，原子核則由質子和中子構成。

圖示：原子模型

在上面那個簡單的原子模型中，電子繞著原子核運動，就像地球繞著太陽運動，但這是一種錯誤的簡化，而磁性也并非是因為電子繞著原子核運動產生出來的，不要把它上面那個電磁鐵中線圈中移動的電子與原子圖進行簡單類比，放那張圖是要說明原子這個基本概念。下面這張圖才是磁性的源泉，它源于電子的自旋！電子在自旋的時候，就會產生出磁性，這就是吸鐵石磁性的真正源泉，只要電子的自旋不停止，那么吸鐵石的磁性就不會真正消失！

圖示：自旋的電子產生出磁性

至于電子自旋的能量從哪里來？那答案就是宇宙大爆炸了，電子自旋是電子的基本屬性，這個屬性真是老天爺給的呢。

但是，我們還沒有把這個問題完全說明白，還留下了兩個缺陷，一個顯著一個隱蔽。

顯著的缺陷是，為啥其它物質沒有表現出磁性，甚至都不會被吸鐵石吸引？

隱蔽的缺陷是，吸鐵石在加熱后會喪失磁性，冷卻后磁性又恢復這又是怎么回事？

讓我們一一回答

為何大多數物質沒有表現出磁性？
2 A4 v2 B7 l; _$ D2 _3 F$ t* y% b1 Z% h- i; M3 E3 f

8 [2 v3 q/ O7 H* Y7 }7 t

原子構成了大千世界中的萬物，而它們含有大量電子，那么為何只有很少一些物質表現出了磁性呢？這是因為絕大多數原子中的電子都是成對存在，而按照量子力學中的泡利不相容原則，成對的電子必須自旋方向相反。

圖示：成對電子自旋方向相反

當電子的自旋方向相反時，成對電子產生的凈磁性為零，因為它們的磁性也恰好相反，彼此完美抵消。這樣的原子非但不會產生出磁性，也不會被磁性吸引！而鐵為何會被外在磁場吸引，并且鐵也很容易保留住磁性，成為磁鐵，原因在于鐵具有四個不成對的電子！這些不成對的電子會產生相互排列的凈磁場，并將整個原子變成一個迷你磁鐵。

圖示：常見三大可被磁性吸引的金屬，鐵鈷鎳。它們都具有未成對電子。

每一個鐵原子就是一個微小的磁鐵，只不過這些微小的磁鐵通常排列得亂七八糟，導致這些微小的磁鐵彼此間的磁場全部抵消，所以普通的整塊的鐵，就沒有磁性，直到它們被磁化！

圖示：將鐵放在磁場中一段時間后，伴隨著不同鐵原子中的磁場重新排列，現在鐵開始具有磁性，而且當外界磁場撤銷后，鐵還能保留住磁性，變成一塊有磁性的鐵，即磁鐵。

為什么吸鐵石受熱后會喪失磁性？
- [, V- y; h: [1 y' T6 ]* e ^: ^$ t. N
" Z5 D4 f6 d* F

其實看到上圖中鐵是如何變得有磁性的就能猜到吸鐵石為何受熱后磁性會消失或下降，原因在于加熱導致原子振動，這種振動破壞了原子的有序排列，讓內部的微小磁鐵彼此間的指向混亂，不在保持統一的方向，于是磁性就消失了，但如果受熱時間不長，隨著吸鐵石的冷卻，磁性又可以恢復，但如果過度受熱，吸鐵石的磁性也可以永久消失，直到再次被磁化。這個現象又被稱為居里效應，消磁的溫度又被稱為居里溫度，是的，就是著名的居里夫人的老公，皮埃爾·居里。

圖示：磁鐵受熱喪失磁性，冷卻又恢復磁性的循環。