磁铁为什么会有磁性

磁铁为什么会有磁性

磁铁会有磁性的原理：
磁铁吸铁由磁铁的特性决定的 如果按原子电流解释就是电流产生的磁场磁化别的物体 磁化物体产生电场 电场互相作用产生力的作用 。
物质大都是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又是由原子核和电子组成的。在原子内部，电子不停地自转，并绕原子核旋转。电子的这两种运动都会产生磁性。但是在大多数物质中，电子运动的方向各不相同、杂乱无章，磁效应相互抵消。因此，大多数物质在正常情况下，并不呈现磁性。

铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质有所不同，它内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，这种自发磁化区就叫磁畴。铁磁类物质磁化后，内部的磁畴整整齐齐、方向一致地排列起来，使磁性加强，就构成磁铁了。磁铁的吸铁过程就是对铁块的磁化过程，磁化了的铁块和磁铁不同极性间产生吸引力，铁块就牢牢地与磁铁“粘”在一起了。我们就说磁铁有磁性了。

一、物质磁性的起源 如果磁是电磁以太涡旋，一个磁铁，没看到任何电磁以太的涡旋，为什么会有磁性？我们的回答是：物质的磁性起源于原子中电子的运动，电子的运动会产生一个电磁以太的涡旋。 早在1820年，丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应，第一次揭示了磁与电存在着联系，从而把电学和磁学联系起来。 为了解释永磁和磁化现象，安培提出了分子电流假说。安培认为，任何物质的分子中都存在着环形电流，称为分子电流，而分子电流相当一个基元磁体。当物质在宏观上不存在磁性时，这些分子电流做的取向是无规则的，它们对外界所产生的磁效应互相抵消，故使整个物体不显磁性。在外磁场作用下，等效于基元磁体的各个分子电流将倾向于沿外磁场方向取向，而使物体显示磁性。 磁现象和电现象有本质的联系。物质的磁性和电子的运动结构有着密切的关系。乌伦贝克与哥德斯密特最先提出的电子自旋概念，是把电子看成一个带电的小球，他们认为，与地球绕太阳的运动相似，电子一方面绕原子核运转，相应有轨道角动量和轨道磁矩，另一方面又绕本身轴线自转，具有自旋角动量和相应的自旋磁矩。施特恩-盖拉赫从银原子射线实验中所测得的磁矩正是这自旋磁矩。（现在人们认为把电子自旋看成是小球绕本身轴线的转动是不正确的。） 电子绕原子核作圆轨道运转和绕本身的自旋运动都会产生电磁以太的涡旋而形成磁性，人们常用磁矩来描述磁性。因此电子具有磁矩，电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。在晶体中，电子的轨道磁矩受晶格的作用，其方向是变化的，不能形成一个联合磁矩，对外没有磁性作用。因此，物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子 。 是原子磁矩的单位， 。因为原子核比电子重2000倍左右，其运动速度仅为电子速度的几千分之一，故原子核的磁矩仅为电子的千分之几，可以忽略不计。 孤立原子的磁矩决定于原子的结构。原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。例如，铁原子的原子序数为26，共有26个电子，在5个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子（自旋反平行）外，其余4个轨道均只有一个电子，且这些电子的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁矩为4 。 二、 物质磁性的分类 1、 抗磁性 当磁化强度M为负时，固体表现为抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金属具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了的介质内部的磁感应强度小于真空中的磁感应强度M。抗磁性物质的原子（离子）的磁矩应为零，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生一个与外磁场方向相反的磁矩，表现为抗磁性。所以抗磁性来源于原子中电子轨道状态的变化。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率H一般约为-10-5，为负值。 2、 顺磁性 顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度与外磁场方向一致， 为正，而且严格地与外磁场H成正比。 顺磁性物质的磁性除了与H有关外，还依赖于温度。其磁化率H与绝对温度T成反比。 式中,C称为居里常数，取决于顺磁物质的磁化强度和磁矩大小。 顺磁性物质的磁化率一般也很小，室温下H约为10-5。一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、钢系元素，还有铝铂等金属，都属于顺磁物质。 3、 铁磁性 对诸如Fe、Co、Ni等物质，在室温下磁化率可达10-3数量级，称这类物质的磁性为铁磁性。 铁磁性物质即使在较弱的磁场内，也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。其磁化率为正值，但当外场增大时，由于磁化强度迅速达到饱和，其H变小。 铁磁性物质具有很强的磁性，主要起因于它们具有很强的内部交换场。铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向（相应于稳定状态），在物质内部形成许多小区域——磁畴。每个磁畴大约有1015个原子。这些原子的磁矩沿同一方向排列，假设晶体内部存在很强的称为“分子场”的内场，“分子场”足以使每个磁畴自动磁化达饱和状态。这种自生的磁化强度叫自发磁化强度。由于它的存在，铁磁物质能在弱磁场下强列地磁化。因此自发磁化是铁磁物质的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过这一温度，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失。这一温度称为居里点 。在居里点以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里——外斯定律， 式中C为居里常数。 4、 反铁磁性 反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体 。反铁磁性物质大都是非金属化合物，如MnO。 不论在什么温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象，因此其宏观特性是顺磁性的，M与H处于同一方向，磁化率 为正值。温度很高时， 极小；温度降低， 逐渐增大。在一定温度 时， 达最大值 。称 为反铁磁性物质的居里点或尼尔点。对尼尔点存在 的解释是：在极低温度下，由于相邻原子的自旋完全反向，其磁矩几乎完全抵消，故磁化率 几乎接近于0。当温度上升时，使自旋反向的作用减弱， 增加。当温度升至尼尔点以上时，热骚动的影响较大，此时反铁磁体与顺磁体有相同的磁化行为。 三、电子轨道磁矩与轨道角动量的关系 设轨道半径为r (圆轨道)、电子速率为v 则轨道电流I： 电子的轨道磁矩 对处于氢原子基态的电子， 电子的轨道角动量(圆轨道) L = mvr 式中m 为电子质量 由于电子带负电，电子轨道磁矩与轨道角动量的关系是： (此式虽由圆轨道得出，但与量子力学的结论相同) 在这里要特别强调指出的是：电子轨道磁矩与轨道角动量成正比。 四、电子自旋磁矩与自旋角动量的关系 实验证明：电子有自旋(内禀)运动，相应有自旋磁矩大小为 自旋磁矩和自旋角动量 S 的关系： 在这里又要特别强调指出的是：电子自旋磁矩又与自旋角动量成正比。磁矩与角动量成正比不是偶然的。因为电子的角动量越大，它所带动的电磁以太涡旋的角动量也越大，磁矩当然也就越大了。这也就从另一个侧面印证了磁是以太的涡旋。

磁性是物质的基本属性之一，所有的物质都是磁介质。 分为三种： 1。顺磁性物质，这种物质在磁场作用下产生与外磁场相同的附加磁场，大部分物质都属于此类， 2。抗磁性物质，这种物质在磁场作用下产生与外磁场相反的附加磁场，象铜和惰性气体等。 3，铁磁性物质，这种物质在磁场作用下产生与外磁场相同的强烈的附加磁场，例如，铁钴镍等。     根据安培最先提出的假说，在顺磁质的分子中存在着永久的具有一定磁矩的分子电流．在没有外磁场时，由于分子的热运动，这些分子电流的取向是不规则的，因此它们所产生的磁场平均起来等于零，对外不显示磁性．当有外磁场存在时，这些分子电流受到外场的取向作用，它们的磁矩格转向外磁场的方向，产生沿外磁场方向的附加磁场．这就是顺磁质磁化的原因．     组成反磁质的分子，在没有外磁场时，分子内的结构使得它们的分子电流等于零．当外磁场被引入时，正象闭合圆导线中引入磁场时要产生感应电流一样，在这些反磁质的分子中也特产生感应电流．因为分子中没有电阻，与在超导体中一样，电流一经产生将永远环流不息，直到外磁场撤老时引起反向感应电流与它抵消为止．     在外磁场的作用下，所有磁介质都要产生感应的分子电流，即反磁性是一切物质所共有的，但是在顺磁质的分子中，分子电流的磁矩要比感应电流的隘矩大得多，因此物质的反磁性被掩盖了，只出现顺磁性．     而铁磁性的成因问题，有过一个磁畴假说: 很多物质的单个原子的磁矩是在一个数量级上的，所以并不是原子的磁矩受到磁场的影响而造成了铁磁体与其他磁介质的差别。而是因为铁磁体的原子更容易在外磁场作用下排列起来。     为什么铁磁体中原子磁矩这样容易排列起来呢？这是因为在铁磁体中存在着由于原子间强烈的交互作用(称为交换力)而产生的分子场．分子场的作用和磁场一样，使得原子的滋矩发生取向排列，分子场的大小，较普通的磁场强得多，例如，铁在室温下，就有95％以上的原于磁矩由于分子场的作用而取向排列了起来．但是铁磁体在未经磁化前并不表现出磁性，这是因为每一铁磁体实际上分成许多小区域，我们称这样的小区域为磁畴．分子场使每一磁畴中各个原于的磁矩排列在同一方向，但各个磁畴的磁矩方向彼此不同，因此在没有外磁场时，虽然各个磁畴内原于磁短已经差不多全部排列起来了，铁隘体的总磁短仍为零，整个铁磁体不呈现出磁性．加上外磁场后，各个磁踌的磁矩方向转向外磁场的方向，铁磁体的总磁矩便不为零．鉴于各个滋畴中的原于磁矩在没有外磁场时就已取向了，所以铁滋体在不大的外磁场中也表现出强磁性来。     当温度高过一个值后（居里点），磁畴瓦解，失去铁磁体性质，与普通顺磁性物质相同。 磁铁的周围存在着磁场。在磁场中，有些原来没有磁性的物质能变成有磁性的物质，这叫磁化。如铁在磁场中能被磁化成一个“新磁铁”。磁铁是有极性的，而且同性磁极相斥，异性磁极相吸。由于铁被磁化时，“新磁铁”的n极与原来磁铁的s极相对，所以磁铁能吸铁。