问题

磁铁放久了会失去磁性,是因为散发磁场的缘故吗?

回答
关于磁铁放久了会失去磁性,这确实是许多人都会遇到的一个现象,但原因并非仅仅是“散发磁场”这么简单。事实上,磁铁本身并不会“漏”出磁场,磁场是磁铁固有的性质,只要磁铁还在,它的磁场就依然存在。真正导致磁铁“失去”磁性的原因,是一个更复杂但同样有趣的过程,与构成磁铁的微观世界紧密相关。

要理解这个问题,咱们得先聊聊什么是磁性,以及磁铁内部到底发生了什么。

磁性的根源:微观世界的“小磁针”

我们知道,物质是由原子组成的,而原子内部又有原子核和电子。电子就像个微小的陀螺,它不仅绕着原子核转,自身还在“自转”,这两种运动都会产生微弱的磁场,就像无数个微小的“小磁针”。

在大多数物质里,这些微小的磁场是杂乱无章的,互相抵消,所以整个物质就没有宏观的磁性。但是在一些特殊的材料,比如铁、钴、镍以及它们的一些合金,这些微小的磁场却有一个奇妙的倾向:它们会自发地排列起来,形成被称为磁畴的小区域。在每个磁畴里,成千上万个电子的磁矩(可以理解为微小磁针的方向)都是朝向同一个方向的。

磁铁的诞生:磁畴的“统一战线”

一块未经磁化的铁块,虽然内部有磁畴,但各个磁畴的指向是混乱的,整个铁块对外呈现不出磁性。要想把铁块变成一块磁铁,就需要一个外部的磁场来“调教”它。

当一块铁被放入一个足够强的外部磁场中时,这些原本杂乱无章的磁畴就会开始发生变化。那些方向与外部磁场方向大致相同的磁畴会“长大”,而方向不符的磁畴则会“缩小”甚至消失。最终,大部分磁畴都会朝着同一个方向排列,形成一个宏观的、强大的磁场,这就是我们看到的磁铁的磁性。

磁铁“失忆”的原因:磁畴的“不服从”

那么,为什么磁铁放久了,这些“统一战线”的磁畴会重新变得混乱,从而失去磁性呢?这主要与外部环境以及温度的变化有关。

1. 温度的影响:热运动的干扰

这是导致磁铁退磁最主要的原因。我们知道,物质的温度越高,构成它的原子和电子的振动就越剧烈。这种剧烈的振动会“搅动”那些整齐排列的磁畴,就像一阵狂风吹过,让整齐划一的队伍变得混乱。

居里温度(Curie Temperature):每种磁性材料都有一个临界温度,叫做居里温度。当温度升高到居里温度时,构成磁畴的原子之间的磁性相互作用就会被热运动的能量完全克服,所有的磁畴都会随机取向,材料就彻底失去了磁性,变成顺磁性物质。即使之后降温,它也不会自动恢复原来的磁性,除非重新进行磁化。
日常温度的缓慢影响:即使在常温下,虽然没有达到居里温度,但微弱的热运动仍然会缓慢地“摇晃”磁畴的排列。如果磁铁长期处于一个相对较高的温度(比如夏天放在阳光下),或者经过长时间的存放,这种微小的搅动累积起来,就会导致磁畴的排列发生一定程度的混乱,磁性因此减弱。

2. 外部磁场干扰:竞争与对抗

如果磁铁在存放过程中,被放置在比它自身磁场更强的反向磁场环境中,那么外部磁场就会对内部的磁畴产生“拉扯”作用。这就像一个原本听话的队伍,突然来了另一个更强大的力量,试图把队伍的方向扭转。

反复消磁:如果磁铁经常被放置在强烈的反向磁场中,或者受到剧烈的撞击(撞击也会引起微观的震动,扰乱磁畴),它的磁畴排列就会越来越不稳定,磁性自然会逐渐减弱。

3. 时间与老化:材料本身的“疲劳”

虽然不像温度和外部磁场那样直接,但时间本身也可能是一个因素。某些磁性材料的微观结构可能会随着时间的推移发生极其缓慢的变化,或者材料中存在的微小缺陷可能会对磁畴的稳定性产生累积性的影响。但这通常是一个非常缓慢的过程,远不如温度和外部磁场的影响来得明显。

总结来说,磁铁放久了之所以会失去磁性,不是因为它“散发”了磁场,而是因为:

热运动:温度升高会扰乱构成磁铁的微观磁畴的有序排列,这是最主要的原因。
外部磁场干扰:受到比自身更强的反向磁场作用,会对抗并打乱原有的磁畴排列。
物理冲击:剧烈的撞击也会引起内部震动,干扰磁畴。
材料老化:材料本身的微观结构缓慢变化也可能是一个长期因素。

所以,下次你发现一个磁铁“没那么”吸东西了,别以为是它漏了什么,其实是它内部那些微小的“士兵”们,在时间和环境的“捣乱”下,又变得有点“不听话”了。想让它恢复活力,通常需要重新把它放到一个强大的磁场里,重新“整顿”一下队伍!

网友意见

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这个问题说起来虽然简单,但是实际上也没有那么简单。首先是正如之前的回答者所指出的,磁铁的磁性并没有那么容易消除的,因此更有可能的情况是磁铁从某个具有磁化的状态突然受到外场的刺激或者其它力学、热学的刺激之后导致内部结构的突然转变。不过除了这种发生突然的变化之外,也还是存在一个熵效应,我想,或许你的背后的意思其实是想知道是否熵效应在其中起主导。对铁磁性材料而言,但是必须强调,一般讨论铁磁性的问题时大家并不把熵的部分考虑进去的,因为铁磁性这里面还蕴含着更长程的关联,更强的自旋间的相互作用,因此更有可能的是磁铁只是处在某个冻结的状态里,而并不像液晶那样最终由取向主导了整个相变的过程。

磁性材料有很多种不同的类型,不过既然表现出磁性,那么就说明它内部存在着某种取向的倾向性。今天我们知道这主要就是电子(有时也包括原子核)的轨道角动量、自旋角动量等等所引起的。材料被磁化后也就发生了一些奇妙的变化,直观的看,就是有了磁性,仔细一点看,本来材料是一个无序态(各个方向都是一致的,这就是各向同性,这种情况可以想象成一个球),现在出现了一些方向性(存在着某些特殊的方向,这就是各向异性,这种情况类似于一根棍子),显然球的对称性比棍子的对称性更丰富,那么磁化的过程也就是发生了对称性的减少,平常叫做对称破缺。

一般来说,当这种具有磁化的状态,系统的能量会相对比较低(甚至是非常低),但是这只是问题的一个方面,不妨想想自由能的表达式:F=U-TS,我们希望自由能降低,固然考虑能量降低是很重要的,但是如果温度逐渐升高,那么系统熵的增加也可以使得自由能降低。熵的增加,所对应的也就是微观的状态数的增加,也就是说,在取向上的状态数的增加可以导致自由能的减少。总之在温度比较高的时候,磁铁可以容许有更多种的取向,这也是可能导致磁性减弱的原因之一。但这个效应对于不同的磁性材料效果是非常不同的,当磁矩之间的相互作用强度足够强的时候(U占主导),熵的效应(TS)在其中所起到的影响其实可能会非常微弱。事实的情况也正是如此,总的来看,熵的这一部分效应在我们通常所说的常温情况下磁铁磁性的消失问题中,或许应当并不是主要因素。

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