磁铁的磁力为什么不会消失?它的能量到底来自哪里?

2024-05-04 17:42
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自发磁化是一个非常深刻的问题,即便磁学专家也不能用一句简单的话回答这个问题。不同的磁性材料,它的磁化原理可能截然不同,甚至相互矛盾。


常见的磁化模型可分为两个大类,分别基于局域自旋和巡游电子,前者对初学者相对友好,后者没有非常强的凝聚态理论的基础,基本不可能正确理解。除此之外,还有像外斯的分子场理论等。


磁学是一个已经有上千年历史的研究课题,至今仍然时做时新。因为它是一个典型的量子多体问题,不可能用任何经典的、单体的、拓扑平庸的图像解释清楚。


现在来回答题主这个问题,永磁体的磁性为什么不会在室温下消失。也就是,为什么室温热涨落不会破坏磁矩的有序排列?


许多人可能会回答,因为有自旋与自旋的铁磁性交换相互作用。对,但不充分。一维的Ising模型,哪怕加再强的交换作用,也没有自发磁化。


那么为什么二维Ising模型有了自发磁化呢?除了铁磁相互作用以外,二维与一维的**不同,就是能够形成小的环路。一维要形成环路,必须遍历整条链,二维形成环路,最少只需要4个自旋就够了。


所谓环路,就是我们通常说的磁畴。不过,很多人可能会觉得,磁畴就是多个自旋的简单加和。不是这样,磁畴是一个稳定的磁矩,这个稳定性来源于它的量子化,也就是多个自旋形成环路以后两两互相抵销,-1的平方变成了+1,所以形成了新的好量子数。


这是只考虑自旋的情况,若再考虑轨道,情况就更为复杂,很难有一个普适的模型讲清楚轨道磁矩的问题。


磁能的来源是外加磁场,HdM,H是外加的磁场强度,M是磁化强度。当然还应该乘上磁导率。通常计算磁化能,对磁滞回线积个分就可以了。


新出厂的永磁体都是用电磁铁去磁化,能量当然是来自交流电的电能。地球上挖出来的永磁体一般是靠地磁场磁化,能量来自地球本身。好像也有一些磁性的陨石,是在别的星球磁化好了再来到的地球。


平常我们用钕铁硼的永磁体去磁化小铁片啥的,能量当然就是由钕铁硼提供。只不过普通软铁磁需要的磁化能太小,和钕铁硼远不在一个数量级上,一般也不会去讨论这个能量损失问题。工业上的永磁体使用时间长了肯定会逐渐退磁。


其实,关于如何利用磁能,这是过去二十多年凝聚态物理的一个非常重要的课题,自旋电子学就是这样一个方向。想像当中,把不同的磁性材料用作电极,在外磁场作用下,就能产生只带自旋不带电荷的自旋流,这样磁能就能可控地流动起来,就像电流那样。可惜,真正的自旋流至今仍难以实现。这里面涉及到非常多的理论难题需要去解决


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