把一块磁铁吸在钢板上，再在上面吸一堆铁螺母。
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。
✦ 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。
✦ 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。
✦ 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。
✦ 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？
✦ 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。
✦ 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”。
✦ “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。
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。
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