一块磁铁上面吸了几个铁螺母，
一天、一年，甚至许多年过去，螺母可能依然牢牢吸在那里。
这些年里，磁铁一直在施加吸力。它没有电池，没有电线，也没有外部供能。
它为什么不会逐渐失去这种吸力？磁力会不会像电池里的电量一样慢慢耗尽？
要回答这个问题，先要分清三件事：
力、功和能量。
01 一直有力，不等于一直耗能
一本书放在桌面上，桌面始终对它施加向上的支持力。
书放一夜，桌面不会因此消耗一夜的能量；放上一年，也不会因为支撑时间更长而逐渐失去托住它的能力。
磁铁吸住铁螺母时也是一样。
磁力一直存在，但螺母没有继续移动。没有位移，就没有持续的机械功输出。
这里很容易受到人体经验的干扰。
我们用手举住一个重物，哪怕手没有移动，时间久了也会感到疲劳。原因在于肌肉为了维持张力，需要持续消耗体内的化学能。
磁铁没有这样的生理过程。
所以，判断一块磁铁是否在持续消耗能量，不能只看它有没有施加力，还要看系统有没有持续发生能量转移。
02 钢球滚向磁铁，能量从哪里来？
把一颗钢球放在磁铁附近，然后松手。
钢球会向磁铁滚去，而且越来越快，最后撞上磁铁。
这一次，钢球确实获得了动能。
从宏观结果看，磁力对钢球做了功。
能量来自整个磁性系统状态的变化。
这里说的系统，包括磁铁、钢球、磁场，以及两者之间的相对位置。
钢球距离磁铁较远时，可以把系统理解为处在较高的磁势能状态。钢球靠近以后，系统进入较低的磁势能状态。
减少的磁势能先转化为钢球的动能。发生碰撞以后，又会进一步转化成声音、振动、微小形变和热。
这个过程和小球沿斜坡滚下来有些相似。
小球向下滚时速度越来越快，因为重力势能在降低。钢球靠近磁铁时，也经历了类似的能量变化，只是这里变化的是磁性系统的势能。
03 想再来一次，就得重新付出能量
钢球已经吸在磁铁上。
如果想把刚才的过程再做一遍，就得先把钢球拉开。
越靠近磁铁，拉开它越费力。手需要克服磁力，让钢球重新回到较远的位置。
这个过程中，外界对系统做了功。
钢球与磁铁被重新分开以后，系统又回到了较高的磁势能状态。
完整过程可以这样看：
先把钢球拉开，外界向系统输入能量；
松手以后，钢球靠近磁铁，磁势能转化为动能；
发生碰撞后，动能变成声音、振动和热；
想重新开始，还要再次把钢球拉开。
这笔能量账前后是对得上的。
磁铁可以一次次吸引钢球，但每一次循环都需要外界重新把系统恢复到原来的状态。
它可以让钢球从较高的势能状态运动到较低的势能状态，却不能自己把钢球重新送回去。
所以，单靠磁铁的吸引和排斥，无法持续得到免费的机械能。
04 电机里的磁铁，也要遵守这笔能量账
永磁电机看起来更容易让人产生疑问。
转子一直在转，磁铁一直参与产生转矩，设备还可以连续工作几千甚至几万小时。
这些机械能来自电源。
永磁体在电机中负责建立磁场。电流通过线圈后，与磁场相互作用，产生转矩并推动转子旋转。
电源持续向系统输入电能，电机再把其中一部分转化成机械能。
发电机的方向相反。
风轮、涡轮或发动机向发电机输入机械能，发电机再把其中一部分转化成电能。永磁体仍然承担建立磁场的作用。
采用永磁体可以省去励磁线圈及其耗电，也能让结构更紧凑，但永磁体本身并不是设备的能源。
到这里，可以回答文章前半部分的问题了：磁铁长时间保持吸力，不需要持续向外输出能量。
接下来还剩一个材料本身的问题：磁铁的磁化状态为什么能够保持很多年？
05 磁铁内部，为什么不会慢慢乱掉？
永磁体内部存在大量微观磁矩。
在实际材料中，这些磁矩会形成具有一定磁化方向的区域，也就是磁畴。
在尚未形成明显宏观磁化的状态下，不同区域的磁化会不同程度地相互抵消。
经过充磁以后，材料内部的磁化状态发生改变，更多区域沿既定方向形成净磁化，整块材料因此表现出明显的外部磁场。
如果这种磁化状态很容易发生反转，外部充磁场一撤走，材料很快就会失去大部分磁性。
永磁材料之所以能长期工作，关键就在这里：已经形成的磁化状态不容易改变。
晶体结构会让磁矩更容易沿某些特定方向排列。晶粒、晶界和其他微观组织，也会影响反向磁化的产生和扩展。
合适的硬磁微结构，可以让反向磁化更难发生，从而提高磁化状态的稳定性。
这里仍然可以借助“能量地形”来理解，但它和前面钢球靠近磁铁时的那张图描述的是两个不同问题。
前一张图看的是钢球与磁铁之间的距离。
这一张图看的是磁铁内部的磁化状态。
钢球向磁铁靠近，并不会让磁铁内部的磁化状态也随之下降一格。吸起一次钢球，也不会让磁铁的磁性少掉一点。
磁化后的永磁体可以停留在一个稳定的局部低能状态中。
这种状态在物理上称为亚稳态。
它可以发生变化，但在正常条件下，改变它并不容易。
06 矫顽力，反映磁化状态有多难改变
矫顽力是永磁材料最重要的参数之一。
它反映材料抵抗反向磁化的能力。
沿用前面的简化能量图，可以把它理解为：外部反向磁场需要强到什么程度，才能让原有磁化状态发生明显改变。
需要的反向磁场越强，材料就越不容易退磁。
真实材料里的情况还要复杂一些。
磁晶各向异性、晶粒尺寸、晶界结构、局部退磁场和温度，都会影响最终的矫顽力。
钕铁硼、钐钴这类硬磁材料能够长期保持磁性，除了较高的剩磁，也依赖较强的磁晶各向异性和较高的矫顽力。
它们能够长期维持磁化状态，并不需要外界持续给这种状态“供电”。
07 “永磁”不等于永远不变
永磁体的稳定性有明确的使用条件。
对常见烧结钕铁硼来说，温度升高通常会使矫顽力下降，热扰动也更容易促使磁化状态发生变化。
足够强的反向磁场，也可能造成不可逆退磁。
磁路设计不合理时，磁铁可能长期处在较强的退磁场中，同样会增加性能损失的风险。
腐蚀带来的问题更直接。
钕铁硼基体和晶界受到破坏后，有效磁性材料会逐渐减少，最终表现为磁性能下降。
所以，“永久磁铁”中的“永久”，更接近一种工程意义上的长期稳定：
在规定的温度、磁场和环境条件下，它可以把既有磁化状态保持很长时间。
正常吸附铁件，并不会像使用电池那样一点点消耗磁性。
真正需要注意的，是温度、反向磁场、腐蚀，以及磁路工作状态。
08 那块吸了很多年的磁铁
再看开头那块吸着铁螺母的磁铁。
多年以后，它依然可能保持着几乎相同的吸力。
这些年里，没有一份“磁能燃料”在里面慢慢烧掉。
磁铁能够长期保持作用，是因为材料内部已经形成了稳定的磁化状态。
这或许也是永磁材料最值得注意的地方：一种微观尺度上的有序状态，可以在合适的材料和结构中保持很多年。
想更深入了解磁铁的性能或如何选择合适的磁铁吗？可以参考[永磁材料选择指南]
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发布时间: 26-10-07