一、物質磁性的起源
如果磁是電磁以太渦旋,一個磁鐵,沒看到任何電磁以太的渦旋,為什么會有磁性?我們的回答是：物質的磁性起源于原子中電子的運動,電子的運動會產(chǎn)生一個電磁以太的渦旋.
早在1820年,丹麥科學家奧斯特就發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應,第一次揭示了磁與電存在著聯(lián)系,從而把電學和磁學聯(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.安培認為,任何物質的分子中都存在著環(huán)形電流,稱為分子電流,而分子電流相當一個基元磁體.當物質在宏觀上不存在磁性時,這些分子電流做的取向是無規(guī)則的,它們對外界所產(chǎn)生的磁效應互相抵消,故使整個物體不顯磁性.在外磁場作用下,等效于基元磁體的各個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)象有本質的聯(lián)系.物質的磁性和電子的運動結構有著密切的關系.烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念,是把電子看成一個帶電的小球,他們認為,與地球繞太陽的運動相似,電子一方面繞原子核運轉,相應有軌道角動量和軌道磁矩,另一方面又繞本身軸線自轉,具有自旋角動量和相應的自旋磁矩.施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩.（現(xiàn)在人們認為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉動是不正確的.）
電子繞原子核作圓軌道運轉和繞本身的自旋運動都會產(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,不能形成一個聯(lián)合磁矩,對外沒有磁性作用.因此,物質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.每個電子自旋磁矩的近似值等于一個波爾磁子 . 是原子磁矩的單位, .因為原子核比電子重2000倍左右,其運動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.
孤立原子的磁矩決定于原子的結構.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個電子,在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個電子（自旋反平行）外,其余4個軌道均只有一個電子,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、 物質磁性的分類
1、 抗磁性
當磁化強度M為負時,固體表現(xiàn)為抗磁性.Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質.在外磁場中,這類磁化了的介質內部的磁感應強度小于真空中的磁感應強度M.抗磁性物質的原子（離子）的磁矩應為零,即不存在永久磁矩.當抗磁性物質放入外磁場中,外磁場使電子軌道改變,感生一個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.抗磁性物質的抗磁性一般很微弱,磁化率H一般約為-10-5,為負值.
2、 順磁性
順磁性物質的主要特征是,不論外加磁場是否存在,原子內部存在永久磁矩.但在無外加磁場時,由于順磁物質的原子做無規(guī)則的熱振動,宏觀看來,沒有磁性；在外加磁場作用下,每個原子磁矩比較規(guī)則地取向,物質顯示極弱的磁性.磁化強度與外磁場方向一致,
為正,而且嚴格地與外磁場H成正比.
順磁性物質的磁性除了與H有關外,還依賴于溫度.其磁化率H與絕對溫度T成反比.
式中,C稱為居里常數(shù),取決于順磁物質的磁化強度和磁矩大小.
順磁性物質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.
3、 鐵磁性
對諸如Fe、Co、Ni等物質,在室溫下磁化率可達10-3數(shù)量級,稱這類物質的磁性為鐵磁性.
鐵磁性物質即使在較弱的磁場內,也可得到極高的磁化強度,而且當外磁場移去后,仍可保留極強的磁性.其磁化率為正值,但當外場增大時,由于磁化強度迅速達到飽和,其H變小.
鐵磁性物質具有很強的磁性,主要起因于它們具有很強的內部交換場.鐵磁物質的交換能為正值,而且較大,使得相鄰原子的磁矩平行取向（相應于穩(wěn)定狀態(tài)）,在物質內部形成許多小區(qū)域——磁疇.每個磁疇大約有1015個原子.這些原子的磁矩沿同一方向排列,假設晶體內部存在很強的稱為“分子場”的內場,“分子場”足以使每個磁疇自動磁化達飽和狀態(tài).這種自生的磁化強度叫自發(fā)磁化強度.由于它的存在,鐵磁物質能在弱磁場下強列地磁化.因此自發(fā)磁化是鐵磁物質的基本特征,也是鐵磁物質和順磁物質的區(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,由于物質內部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向,因而自發(fā)磁化強度變?yōu)?,鐵磁性消失.這一溫度稱為居里點 .在居里點以上,材料表現(xiàn)為強順磁性,其磁化率與溫度的關系服從居里——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.兩個子晶格中自發(fā)磁化強度大小相同,方向相反,整個晶體 .反鐵磁性物質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, 極?。粶囟冉档? 逐漸增大.在一定溫度 時, 達最大值 .稱 為反鐵磁性物質的居里點或尼爾點.對尼爾點存在 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.當溫度上升時,使自旋反向的作用減弱, 增加.當溫度升至尼爾點以上時,熱騷動的影響較大,此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為.
三、電子軌道磁矩與軌道角動量的關系
設軌道半徑為r (圓軌道)、電子速率為v
則軌道電流I：
電子的軌道磁矩
對處于氫原子基態(tài)的電子,
電子的軌道角動量(圓軌道)
L = mvr
式中m 為電子質量
由于電子帶負電,電子軌道磁矩與軌道角動量的關系是：
(此式雖由圓軌道得出,但與量子力學的結論相同)
在這里要特別強調指出的是：電子軌道磁矩與軌道角動量成正比.
四、電子自旋磁矩與自旋角動量的關系
實驗證明：電子有自旋(內稟)運動,相應有自旋磁矩大小為
自旋磁矩和自旋角動量 S 的關系：
在這里又要特別強調指出的是：電子自旋磁矩又與自旋角動量成正比.磁矩與角動量成正比不是偶然的.因為電子的角動量越大,它所帶動的電磁以太渦旋的角動量也越大,磁矩當然也就越大了.這也就從另一個側面印證了磁是以太的渦旋.