這實際上是對磁鐵和功的一種常見誤解。
簡而言之,磁鐵在進行功的過程中,並不會產生磁性消耗,其磁性存在與否與做功沒有直接關聯。磁鐵在吸引物體時表現出磁力,看似在做功,但其工作原理更接近於彈簧,並無神秘之處。
唯一的區別是,彈簧的彈性力是可見的,而磁鐵的磁力則不可見且較抽象。
讓我們先看看彈簧如何做功。雖然彈簧可以顯示彈性力,但彈簧本身並不具有彈性力,需要藉助外力才能顯現。
必須有外力來壓縮或拉伸彈簧,這樣,彈簧就能展現彈力。換句話說,彈簧的彈力其實是由外部力量提供的,而非彈簧自身。一旦被壓縮或拉伸,彈簧就相當於儲存了能量,當外力消失后,彈簧就會釋放能量。本質上,這就是能量在勢能場中的存儲與釋放。
對於磁鐵的磁力也是同樣的情況,一個置於磁場中的物體所獲得的能量來自於將其放入磁場的外部力量,而非磁場本身。
這與彈簧的原理相同。比如一塊有磁性的磁鐵,當你拿一塊鐵靠近它時,必須施加力以防止鐵被吸走。你的力量為鐵塊提供了能量,相當於鐵塊儲存了能量。當你放手後,鐵塊所儲存的能量就會被釋放,然後被磁鐵吸過去。
那麼,磁鐵的磁性是如何產生的呢?
這源自於磁鐵內部的微觀單元,也就是磁疇,這些磁疇產生小磁場。只要這些小磁場保持統一的方向並且不發生混淆,磁鐵的磁場就永遠不會消失。
因此,磁鐵的磁性其實是一種內在的固有屬性,與做功無關。做功不會消耗掉磁鐵的磁性,只與外部力量有關。
如果沒有任何能量輸入,磁鐵就不會對外做功,就像如果沒有外部能量來壓縮或拉伸彈簧,彈簧本身也不會對外做功。
簡單來說,如果有一對互斥的磁鐵,就必須有外部力去抗衡這兩者的排斥力,推動其中一個磁鐵,這樣才能做功,這實際上是讓另一個磁鐵獲得了磁場勢能以做功。
同樣的,一對相互吸引的磁鐵,也必須有外部力量將兩者分開,使得磁鐵獲得磁場勢能,這樣在釋放磁鐵后,兩塊磁鐵才會互相吸引。
我們在日常生活中看到的電動機就是利用這種磁場勢能來提供動能,這個過程消耗的是流經磁場的外部能源,而非磁場本身的能源,磁場本身也不會提供能源。
那麼,一個磁鐵的磁性會消失嗎?在什麼情況下會消失?
理論上,只需讓磁鐵內部微小的結構單位——磁疇混亂即可。這樣,磁鐵的磁性就會失去一致性,變得雜亂無章,自然也就消失了。最常用的方法是加熱磁鐵,當溫度升高後,磁鐵內部的微小磁疇單位運動會加快並變得混亂,磁性自然也就消失了。
還有一個問題,為什麼只有磁鐵,而沒有磁銅、磁鋁等磁性物質呢?這實際上涉及到一個更本質的屬性,我們需要從微觀世界來瞭解磁性的本質。
磁性其實與電子的自旋密切相關。根據量子力學,電子的自旋總是成對出現,一個電子自旋轉向上,另一個就轉向下。由於電子帶電,它的運動會生成電場進而產生磁場。但由於成對的電子自旋方向正好相反,所以通常不能顯示出磁性。