【科普】丨磁动机——科学的终极挑战还是永恒的幻想？揭秘人类追求不死能源的梦魇

达芬奇研究各种永动机的手稿

（图片来源：youtube）

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永动机是一类想象中的不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。

历史上曾出现不少热衷于研制各种类型永动机的群体，其中包括达芬奇、焦耳等知名科学家，以及一些希望以永动机出名和获利的狂热者。

在热力学体系建立后，人们通过严谨的逻辑证明了永动机是违反热力学基本原理的设想，从此之后就少有永动机的研究者了。

不过从一个侧面也可以认为：人类对永动机的热情以及制造永动机的种种实践，推动了热力学体系的建立和机械制造技术的进步。

例如瑟尔机：

科学领域对永动机研究的态度1775年法国科学院通过决议，宣布永不接受永动机，美国专利及商标局严禁将专利证书授予永动机类申请，1954年 《科学通报》 创刊号上，中国科学院就宣布了“永动机”是不能成立的，希望发明家把他们的精力转移到切合实际的方面去。

What Is SEG? | Research Information | SEG Magnetics, Inc

进入新世纪，很多空想者都声称制造出了永动机，但是迄今为止，没有一部永动机被实际制造出来，也没有任何一个永动机的设计方案能经受住科学的检验。

以上内容虽然否定了永动机的可能理论，但不排除将永久磁铁实验排布而构成的磁动机。如果将永久磁铁经过恰当的实验排布后，能使得机器转轴在磁铁的两级排斥或者吸引的作用下运动起来（磁力做功），是完全可能构成磁动机的。

磁力做功会逐渐消磁，永磁铁产生的磁场会逐渐减弱，特别是斥力型的磁动机。就如拿一个强磁去排斥一个弱磁体，弱磁体的磁性会反转到和强磁相应（被磁化），磁体做功时互相之间磁性会慢慢影响，磁性必然会消耗。

目前我国关于磁动机的专利只有该专利通过，该产品为一种磁场加强的动力延续装置，并不是我们传统意义下的磁动机。

尽管如此,目前还没有成功实现理想、高效稳定的磁动机。已提出并申请专利的磁动机设计大多存在以下问题:

• 能量损失较大,整体效率低下,难以持续运转。

• 设计复杂,制造和维护成本高。

• 运动不稳定,容易停滞。

• 输出功率有限,难以应用于大功率场合。

根据以上的内容我们可以知道磁动机之所以能动其实也是依靠磁能，那磁能的概念是什么呢？

磁场本身不是能量，而是能量储存的一种方式。磁铁或电磁铁产生的静磁场，类似于弹簧的弹性势能或重物的重力势能。

它们只有在磁场变化时才能转化为其他形式的能量，单纯的静磁场无法持续驱动运动。

两个磁铁排斥，理论上来说被排斥的那个将会一直运动下去，最后达到了永动的效果。

没错，的确是永远运动了，但此“永动”却非彼“永动”！因为它只是做匀速直线运动，它的能量其实就那么一点。

磁铁吸过来的时候磁场是做功的，但你离开的时候就要抵抗这个磁场做功。

在动态磁场中,感应电动势和感应电流会在导体中产生,但它们总是反对磁通量的变化(楞次定律)。

永磁体看似拥有取之不尽的磁能,但这只是一种宏观效应。微观上,永磁体中的磁畴已经被锁定在稳定的取向上。

如果我们从永磁体中持续提取能量,磁畴会逐渐松动和塌陷,磁体最终会退磁。因此,永磁体不是永动机的能量源。

这意味着，任何试图利用感应电流推动运动的装置都会面临来自感应电流的反向阻尼力矩，从而无法持续运动，这也是为什么发电机需要持续的机械能输入。

接下来我们看看，永磁体是怎么退磁的呢？

磁滞损耗退磁：当永磁体经历交变磁场时，磁滞损耗会导致磁体温度升高，从而导致退磁。这种退磁方式的效率较低,通常在10%以下。

涡流损耗退磁：交变磁场还会在导电的永磁体中感应出涡流，产生焦耳热，引起退磁。涡流损耗退磁的效率也较低,一般不超过20%。

反向磁场退磁：将永磁体置于与其磁化方向相反的外磁场中，可以强制磁畴翻转，实现退磁。这种方法的退磁效率较高，可以达到70%以上，但需要较强的外磁场。

加热退磁：将永磁体加热到其居里温度以上，磁性会完全消失。这种方法的退磁效率接近100%，但可能导致磁体永久性损坏。

机械退磁：强烈的机械振动或冲击可以使磁畴重新取向，导致退磁。机械退磁的效率因磁体材料和冲击强度而异，一般在20%至60%之间。

需要注意的是，永磁体的退磁是一个渐进的过程。在实际应用中，我们通常设法避免退磁，而不是刻意追求高效退磁。

例如，在感应发电机中，我们选用高矫顽力的永磁材料，并避免使其暴露在过强的反向磁场或高温中，以延长其使用寿命。

部分人试图用重力作为驱动力，但是却没有考虑重力对于小磁铁的影响，重力作用下小磁铁的位置不会呈现对称状态。通过计算系统的力矩表明，M = 0，这个转轮停止在某个位置，不会一直运动。

根据热力学第一定律 Q = △E + A，系统吸收的热量一部分转化为系统的内能，一部分转化为系统对外做功。

整个假想运动过程中，磁铁排斥推动压缩弹簧会耗能，弹簧回复会释能，系统的重心没有变化，重力 不 做 功，总 体 过 程 无 能 量 变 化△E = 0，不对外吸收热量 Q，则(A = 0)不能对外做功。所以这个装置无法实现永动并且对外做功。

铁分为永久性磁铁和非永久性磁铁，永久性磁铁并不会永远有磁性，外界因素会改变它的磁性，例如高温、撞击、强磁场和周围交流电产生的磁场都会使得磁性体消磁。

因此无论哪种类型的磁铁都不能做到永久性提供磁性，磁铁磁性的持续作用，导致磁性减退，等到磁力不足以推动弹簧，这个装置也就停止运动了。