一、物質(zhì)磁性的起源
如果磁是電磁以太渦旋,一個(gè)磁鐵,沒看到任何電磁以太的渦旋,為什么會(huì)有磁性?我們的回答是：物質(zhì)的磁性起源于原子中電子的運(yùn)動(dòng),電子的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁以太的渦旋.
早在1820年,丹麥科學(xué)家奧斯特就發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng),第一次揭示了磁與電存在著聯(lián)系,從而把電學(xué)和磁學(xué)聯(lián)系起來.
為了解釋永磁和磁化現(xiàn)象,安培提出了分子電流假說.安培認(rèn)為,任何物質(zhì)的分子中都存在著環(huán)形電流,稱為分子電流,而分子電流相當(dāng)一個(gè)基元磁體.當(dāng)物質(zhì)在宏觀上不存在磁性時(shí),這些分子電流做的取向是無規(guī)則的,它們對(duì)外界所產(chǎn)生的磁效應(yīng)互相抵消,故使整個(gè)物體不顯磁性.在外磁場作用下,等效于基元磁體的各個(gè)分子電流將傾向于沿外磁場方向取向,而使物體顯示磁性.
磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有本質(zhì)的聯(lián)系.物質(zhì)的磁性和電子的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系.烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念,是把電子看成一個(gè)帶電的小球,他們認(rèn)為,與地球繞太陽的運(yùn)動(dòng)相似,電子一方面繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn),相應(yīng)有軌道角動(dòng)量和軌道磁矩,另一方面又繞本身軸線自轉(zhuǎn),具有自旋角動(dòng)量和相應(yīng)的自旋磁矩.施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的磁矩正是這自旋磁矩.（現(xiàn)在人們認(rèn)為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)是不正確的.）
電子繞原子核作圓軌道運(yùn)轉(zhuǎn)和繞本身的自旋運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生電磁以太的渦旋而形成磁性,人們常用磁矩來描述磁性.因此電子具有磁矩,電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成.在晶體中,電子的軌道磁矩受晶格的作用,其方向是變化的,不能形成一個(gè)聯(lián)合磁矩,對(duì)外沒有磁性作用.因此,物質(zhì)的磁性不是由電子的軌道磁矩引起,而是主要由自旋磁矩引起.每個(gè)電子自旋磁矩的近似值等于一個(gè)波爾磁子 . 是原子磁矩的單位, .因?yàn)樵雍吮入娮又?000倍左右,其運(yùn)動(dòng)速度僅為電子速度的幾千分之一,故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾,可以忽略不計(jì).
孤立原子的磁矩決定于原子的結(jié)構(gòu).原子中如果有未被填滿的電子殼層,其電子的自旋磁矩未被抵消,原子就具有“永久磁矩”.例如,鐵原子的原子序數(shù)為26,共有26個(gè)電子,在5個(gè)軌道中除了有一條軌道必須填入2個(gè)電子（自旋反平行）外,其余4個(gè)軌道均只有一個(gè)電子,且這些電子的自旋方向平行,由此總的電子自旋磁矩為4 .
二、 物質(zhì)磁性的分類
1、 抗磁性
當(dāng)磁化強(qiáng)度M為負(fù)時(shí),固體表現(xiàn)為抗磁性.Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質(zhì).在外磁場中,這類磁化了的介質(zhì)內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于真空中的磁感應(yīng)強(qiáng)度M.抗磁性物質(zhì)的原子（離子）的磁矩應(yīng)為零,即不存在永久磁矩.當(dāng)抗磁性物質(zhì)放入外磁場中,外磁場使電子軌道改變,感生一個(gè)與外磁場方向相反的磁矩,表現(xiàn)為抗磁性.所以抗磁性來源于原子中電子軌道狀態(tài)的變化.抗磁性物質(zhì)的抗磁性一般很微弱,磁化率H一般約為-10-5,為負(fù)值.
2、 順磁性
順磁性物質(zhì)的主要特征是,不論外加磁場是否存在,原子內(nèi)部存在永久磁矩.但在無外加磁場時(shí),由于順磁物質(zhì)的原子做無規(guī)則的熱振動(dòng),宏觀看來,沒有磁性；在外加磁場作用下,每個(gè)原子磁矩比較規(guī)則地取向,物質(zhì)顯示極弱的磁性.磁化強(qiáng)度與外磁場方向一致,
為正,而且嚴(yán)格地與外磁場H成正比.
順磁性物質(zhì)的磁性除了與H有關(guān)外,還依賴于溫度.其磁化率H與絕對(duì)溫度T成反比.
式中,C稱為居里常數(shù),取決于順磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度和磁矩大小.
順磁性物質(zhì)的磁化率一般也很小,室溫下H約為10-5.一般含有奇數(shù)個(gè)電子的原子或分子,電子未填滿殼層的原子或離子,如過渡元素、稀土元素、鋼系元素,還有鋁鉑等金屬,都屬于順磁物質(zhì).
3、 鐵磁性
對(duì)諸如Fe、Co、Ni等物質(zhì),在室溫下磁化率可達(dá)10-3數(shù)量級(jí),稱這類物質(zhì)的磁性為鐵磁性.
鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場內(nèi),也可得到極高的磁化強(qiáng)度,而且當(dāng)外磁場移去后,仍可保留極強(qiáng)的磁性.其磁化率為正值,但當(dāng)外場增大時(shí),由于磁化強(qiáng)度迅速達(dá)到飽和,其H變小.
鐵磁性物質(zhì)具有很強(qiáng)的磁性,主要起因于它們具有很強(qiáng)的內(nèi)部交換場.鐵磁物質(zhì)的交換能為正值,而且較大,使得相鄰原子的磁矩平行取向（相應(yīng)于穩(wěn)定狀態(tài)）,在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域——磁疇.每個(gè)磁疇大約有1015個(gè)原子.這些原子的磁矩沿同一方向排列,假設(shè)晶體內(nèi)部存在很強(qiáng)的稱為“分子場”的內(nèi)場,“分子場”足以使每個(gè)磁疇自動(dòng)磁化達(dá)飽和狀態(tài).這種自生的磁化強(qiáng)度叫自發(fā)磁化強(qiáng)度.由于它的存在,鐵磁物質(zhì)能在弱磁場下強(qiáng)列地磁化.因此自發(fā)磁化是鐵磁物質(zhì)的基本特征,也是鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的區(qū)別所在.
鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來,超過這一溫度,由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動(dòng)破壞電子自旋磁矩的平行取向,因而自發(fā)磁化強(qiáng)度變?yōu)?,鐵磁性消失.這一溫度稱為居里點(diǎn) .在居里點(diǎn)以上,材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性,其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里——外斯定律,
式中C為居里常數(shù).
4、 反鐵磁性
反鐵磁性是指由于電子自旋反向平行排列.在同一子晶格中有自發(fā)磁化強(qiáng)度,電子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中,電子磁矩反向排列.兩個(gè)子晶格中自發(fā)磁化強(qiáng)度大小相同,方向相反,整個(gè)晶體 .反鐵磁性物質(zhì)大都是非金屬化合物,如MnO.
不論在什么溫度下,都不能觀察到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁化現(xiàn)象,因此其宏觀特性是順磁性的,M與H處于同一方向,磁化率 為正值.溫度很高時(shí), 極??；溫度降低, 逐漸增大.在一定溫度 時(shí), 達(dá)最大值 .稱 為反鐵磁性物質(zhì)的居里點(diǎn)或尼爾點(diǎn).對(duì)尼爾點(diǎn)存在 的解釋是：在極低溫度下,由于相鄰原子的自旋完全反向,其磁矩幾乎完全抵消,故磁化率 幾乎接近于0.當(dāng)溫度上升時(shí),使自旋反向的作用減弱, 增加.當(dāng)溫度升至尼爾點(diǎn)以上時(shí),熱騷動(dòng)的影響較大,此時(shí)反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為.