小时候我们在自然课程中接触到了磁铁这种物质,见识到了同性相斥、异性相吸的现象,同时也学到了指南针的原理和作用。但是从来没有人告诉我们磁铁中的磁力到底是怎么产生的,给我们的感觉就是自然界中就有一种叫吸铁石的东西,本身就具有磁力。
而且磁铁中的磁力好像不会消减一样,比如小时候玩的吸铁石,不会因为我们把两块吸铁石一直相斥或相吸的作用着,两者之间的斥力或吸力就会减弱甚至消失;大家找到小时候玩的吸铁石,即便放置了多年,仍旧存在很强的磁力。这和电池不一样,一节电池如果一直使用或长期放置,那其储存的电力会减弱甚至消耗干净,而吸铁石则不会。
磁铁放在那里不动,距离它较近的铁块会滑向磁铁,这种性质似乎与我们所认知的能量守恒定律相悖,毕竟能量不可能凭空出现。
要解释磁铁磁力的由来,我们需要从微观角度来看待这一问题。
我们都知道各种物质都是由原子构成的,我们把原子再细分,就发现了原子核和电子,电子围绕原子核运动并做着自旋,电子的运动和自旋产生磁力。
铁、钴、镍这些物质具有与磁铁相似的结构,但是其原子都是带有偶数个电子。根据泡利不相容原理(Pauli exclusion principle),一个原子内不会存在两个运转状态完全相同的电子,而相反运转的电子产生的相反磁力相互抵消,对外不会产生磁力。所以宏观上大部物质是没有表现出磁性的。
磁铁的磁力来自电子的运动和自旋,那电子会停止旋转而使得磁力消失吗?事实上,电子如果不受外界干扰的情况下会一直运动下去,所以磁铁的磁性在正常情况下不会消失。But,这不代表磁铁的磁力永远不会消失。比如我们磁卡也会偶尔出现消磁的现象,而且在高温的情况下磁卡更容易消磁。
磁体在经历高温加热后(800℃左右)便会出现磁力消失的现象,我们把消磁的磁铁放入磁场环境中,磁铁又有了磁性。
简单来讲就是普通物质内一个个带磁性的原子杂乱无章的运动,相互之间的磁性也就抵消了,而磁体会有很强的磁性就是带磁性的原子都向同一方向运动,相互叠加形成了我们宏观上看到了磁性,高温加热后微观粒子的运动加快,扰乱了整个磁性中微观粒子的运动,使之又变得杂乱无章,这样宏观上的磁性也就没有了。
那把消磁的磁铁放在磁场环境中,磁铁内的原子又逐步调整会向同步运动,宏观上的表现就是磁铁又产生了磁性。这一过程并没有加入任何物质,只是磁场的影响。