磁铁为什么会有磁性 磁性的本质

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。

磁畴

        磁畴(Magnetic Domain)理论是用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。

所谓磁畴，是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同，如图所示。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。在中学物理教科书中，目前课程改革试验区（山东、江苏、海南、宁夏、广东等）使用的人教版《普通高中课程标准实验教科书.物理》采用了磁畴理论，而现在大部分地区使用的人教版教材《全日制普通高级中学教科书.物理》中在解释磁化原理是用的是安培的分子电流假说。

　　在铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的“交换耦合”作用,在无外磁场的情况下，它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来而形成自发磁化小区域，称为磁畴。在未经磁化的铁磁质中，虽然每一磁畴内部都有确定的自发磁化方向，有很大的磁性，但大量磁畴的磁化方向各不相同因而整个铁磁质不显磁性。如图所示。
　　当铁磁质处于外磁场中时，那些自发磁化方向和外磁场方向成小角度的磁畴其体积随着外加磁场的增大而扩大并使磁畴的磁化方向进一步转向外磁场方向。另一些自发磁化方向和外磁场方向成大角度的磁畴其体积则逐渐缩小，这时铁磁质对外呈现宏观磁性。当外磁场增大时，上述效应相应增大，直到所有磁畴都沿外磁场排列达到饱和。由于在每个磁畴中个单元磁矩已排列整齐，因此具有很强
　　性质：在居里温度以下，铁磁或亚铁磁材料内部存在很多各自具有自发磁矩，且磁矩成对的小区域。他们排列的方向紊乱，如不加磁场进行磁化，从整体上看，磁矩为零。这些小区域即称为磁畴。磁畴之间的界面称为磁畴壁(magnetic domain wall)。当有外磁场作用时，磁畴内一些磁矩转向外磁场方向，使得与外磁场方向接近一致的总磁矩得到增加，这类磁畴得到成长，而其他磁畴变小，结果是磁化强度增高。随着外磁场强度的进一步增高，磁化强度增大，但即使磁畴内的磁矩取向一致，成了单一磁畴区，其磁化方向与外磁场方向也不完全一致。只有当外磁场强度增加到一定程度时，所有磁畴中磁矩的磁化方向才能全部与外磁场方向取向完全一致。此时，铁磁体就达到磁饱和状态，即成饱和磁化。一旦达到饱和磁化后，即使磁场减小到零，磁矩也不会回到零，残留下一些磁化效应。这种残留磁化值称为残余磁感应强度(以符号Br表示)。饱和磁化值称为饱和磁感应强度(Bs)。若加上反向磁场，使剩余磁感应强度回到零，则此时的磁场强度称为矫顽磁场强度或矫顽力(Hc)。
　　从物质的原子结构观点来看，磁铁质内电子间因自旋引起的相互作用是非常强烈的，在这种作用下，铁磁质内部形成了一些微小的自发磁化区域，叫做磁畴。每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列的很整齐，因此它具有很强的磁性。磁畴的体积约为10^(-12)m^3~10^(-9)m^3，内含约10^17~10^20 个原子。在没有外磁场时，铁磁质内各个磁畴的排列方向是无序的，所以铁磁质对外不显磁性。当磁铁质处于外磁铁场中时，各个磁畴的磁矩在外磁场的作用下都趋向于沿外磁场中的磁化程度非常大，它所建立的附加磁场强度B'比外磁场的磁场强度B。在数值上一般要大几十倍到数千倍，甚至达数万倍。
　　从实验中得知，铁磁质的磁化和温度有关。随着温度的升高，它的磁化能力逐渐减小，当温度升高到某一温度时，铁磁性就完全消失，铁磁质退化成顺磁质。这个温度叫做居里温度或叫居里点。这是因为铁磁质中自发磁化区域因剧烈的分子热运动而糟破坏，磁畴也就瓦解了，铁磁质的铁磁性消失，过渡到顺磁质，从实验知道，铁的居里温度是1043K，78%坡莫合金的居里温度是873K，45%坡莫合金的居里温度是673K。

磁畴 magnetic domain

   在居里温度以下，在大块铁磁性或亚铁磁性（见铁氧体）单晶体（或多晶体中的晶粒）中，形成很多小区域，每个区域内的原子磁矩沿特定的方向排列，呈现均匀的自发磁化。但是在不同的区域内，磁矩的方向不同，使得晶体总的磁化强度为零。这种自发磁化的小区域称为磁畴。图1[Si－Fe单晶（001）面的磁畴结构] 是用粉纹法在Si-Fe单晶的(001)面上观察到的磁畴结构。

起因　磁畴的成因，是为了降低由于自发磁化所产生的静磁能。图2a[说明磁畴形成的示意图] 示意地表示整个铁磁体均匀磁化而不分畴的情形。在这种情况下，正负磁荷分别集中在两端，所产生的磁场(称为退磁场)分布在整个铁磁体附近的空间内，因而有较高的静磁能。图2b[说明磁畴形成的示意图] 表示分割成苦干个磁化相反的小区域。这时，退磁场主要局限在铁磁体两端附近，从而使静磁能降低。计算表明，如果分为 个区域,能量约可以降至 1/ (如图2c[说明磁畴形成的示意图] 所示)。

　畴壁　单纯从静磁能看，自发磁化趋向于分割成为磁化方向不同的磁畴，分割愈细,静磁能愈低。但是,形成磁畴也是要付出代价的。相邻磁畴之间，破坏了两边磁矩的平行排列，使交换能(见交换作用)增加。为减少交换能的增加，相邻磁畴之间的原子磁矩，不是骤然转向的，而是经过一个磁矩方向逐渐变化的过渡区域。这种过渡的区域叫做畴壁,如图3[畴壁中磁矩分布示意图] 所示。在畴壁内，原子磁矩不是平行排列的，同时也偏离了易磁化方向（见磁各向异性），所以在过渡区域内增加了交换能和各向异性能，这就是建立畴壁所需的畴壁能。磁畴分割得愈细，所需畴壁数目愈多，总的畴壁能愈高。由于这个缘故，磁畴的分割并不会无限地进行下去，而是进行到再分割所增加的畴壁能超过静磁能的减少时为止。此时体系的总自由能最低。一般地说，大块铁磁物体分成磁畴的原因是短程强交换作用和长程静磁相互作用共同作用的结果。根据相邻磁畴磁化方向的不同,可把畴壁区分为180°壁（如图2b[说明磁畴形成的示意图] ）和90°壁(如图2c[说明磁畴形成的示意图] )。畴壁具有一定的厚度 ，如铁晶体的畴壁约含1000个原子层。畴壁厚度取决于交换能和各向异性能的比值，某些稀土金属间化合物在低温下可形成一至几个原子层的窄畴壁。磁畴宽度一般介于10 ～10 厘米。

    
　计算方法　究竟形成怎样的磁畴结构，即磁畴的大小、形状、分布及各磁畴中的磁矩方向，取决于铁磁体的内禀磁性［如交换作用、饱和磁化强度、磁晶各向异性(见磁各向异性)、磁致伸缩］和晶体的不完整性（如杂质、缺陷、内应力等），同时也与样品的形状、大小以及外加应力或磁场等因素有关。在热力学平衡时，铁磁体中自发磁化的分布应使其总自由能达到极小值，因此，原则上铁磁体中自发磁化的分布（即磁畴结构）应满足下列方程式：
[109-01]   式中 为交换能   磁晶各向异性能   磁弹性能   退磁场能 F 以及外磁场中的势能   但是严格解决上述变分问题，在物理上和数学上都遇到很大困难。一般是采取半经验方法，先根据实验或几种能量的定性分析，提出合理的模型,然后再根据上式原理计算,得出定量的结果。虽然这种方法不够严格，但若干理论所预言的磁畴结构已在实验上得到证实。不仅在铁磁体、亚铁磁体内存在磁畴，而且在反铁磁体内也观察到了磁畴结构。磁性材料的技术磁化过程就是在外磁场作用下磁畴的运动变化过程，所以磁畴结构直接影响物体的磁化行为。此外，某些特殊结构的磁畴（如磁泡）具有特殊的应用价值。
　最后需要指出，当铁磁体的尺寸很小时（如微粒或薄膜），即使在外磁场为零时，铁磁体也不分割成磁畴，而沿某一方向自发磁化，即单畴体。也就是说，根据材料的磁性，存在一个临界尺寸，当物体体积小于临界尺寸时，就不再形成磁畴结构。
　　　　　　　　　　　　　　杨正　杨应昌

凡夫所见的只是个意识中的虚拟世界

　　我们的眼睛看见了什么？颜色。颜色是客观存在吗？不是。颜色是光线刺激作用于人的视觉器官而产生的主观感觉。这是教科书上的话。实际上，颜色是意识依据视觉器官所报告的神经信号用自己的语言——颜色描绘出来的主观映象，而并非是一种实际存在。眼睛接受的是什么？光线，光线是长短不同的电磁波，电磁波是没有颜色的。物体表面也是没有颜色的，它反射什么光线，取决于物体表面的结构形状。颜色是什么时候、在什么地方产生的呢？光信号转换成视觉神经冲动，通过视觉神经传输到大脑皮层，刺激起意识活动的时候，在意识的活动中才产生了颜色的感觉，所以颜色只存在于意识的活动之中。

　　再抄一段教科书：意识是人脑对外部客观存在对象的主观反映，其内容是客观的；但这种反映不是客观对象直接进入人脑，只是客观对象在人脑中的观念映象，是一种由感觉、知觉、表象、概念、推理、判断等组成的精神活动，是一种想像空间，是一个虚拟世界，而不是实际的存在。

　　我们来认真想一下：我们的意识在视觉器官的帮助下究竟看见了外边的什么？实际上没有看见意识之外的任何东西。不是看见光线了吗？可光线转成神经信号了呀，这个信号被意识翻译成了颜色，所以我们的眼睛最终看到的是颜色，而颜色是意识的翻译视觉神经信号的语言，并不是意识之外的东西。

　　有人说，照相机不是能照上颜色了吗？这不是客观存在吗？照片上并没有颜色，底片只是记录了光线引起的一些反应，照片也不会自己产生颜色，只有当有人看这张照片时，他的眼睛搜集到照片反射的光线，光线变成视觉神经信号，信号传给意识，意识在翻译这个信号的时候才表述成了颜色。

　　所以历来人们都认为自己看到了外面的东西，这是个天大的误会，就像池中月不是天上月一样，眼中人也不是面前人，我们看到的世界，实际上并不是外在的实际存在的那个世界，而是我们的意识用三色笔描绘出来的一幅立体图景。也就是说，我们并没有看到眼前的任何东西，我们看到的完全是自己的意识根据神经信号翻译出来的一幅主观映象，它完全处于意识的想像空间之内，它完全是一个模拟真实世界的虚拟世界，它是一幅世界的三维地图，与意识之外实际存在的世界根本不是一回事。

　　这幅世界地图与实际存在的世界是大致重合的，我们完全是依据这幅地图在实际存在的世界里进行各种活动，虽然我们看不到实际存在的世界，但有这幅用意识的三色视觉语言描画的地图作参考，我们就可以活动了。虽然色彩简单了点儿，描绘也很笨拙，但还是比狗啊牛啊的强多了，它们的视觉语言是黑白色的，好像惨兮兮的，可我们要跟天人相比的话，怕又要轮到我们不好意思了。

　　依此类推，我们的意识在听觉器官的帮助下究竟听到了外边的什么？实际上没有听到意识之外的任何东西。不是听到声音了吗？外边根本就没有声音，外边只有空气的振动，当空气的振动引起耳鼓振动时，这种振动被转换成了听觉神经信号，这个信号传给大脑皮质，刺激意识开始活动，意识把听觉神经信号翻译成了声音，所以声音也是在意识开始活动时在意识中产生的，它是意识依据听觉神经所报告的信号用自己的语言——声音描述出来的主观感觉，并不是一种客观的存在。

　　有人说，录音机不是录上声音了吗？录音机并没有录上声音，磁带上只是记录了空气振动的幅度和频率，必须在重放这个录音带、并且有人听的时候，喇叭振动的空气振动了耳鼓……直到刺激意识开始活动的时候，才由意识把听觉神经信号翻译成了声音。

　　再如我们熟睡的时候，周围照样有空气振动，空气的振动照样能够引起耳鼓的振动，听觉神经信号照样会传输到大脑皮层，可我们却听不到声音，或者叫做听而不闻，为什么呢？因为意识休息了，翻译不说话，这个世界上就根本没有声音。同样，这时候的眼睛虽然闭着，也还是可以接受到光线刺激的，更何况有的人熟睡时眼睛还是半睁半闭的，可熟睡中的我们却感受不到这些光线，视而不见，为什么呢？因为意识休息了，翻译罢工了，这个世界上就彻底没有了颜色。

　　我们的意识在嗅觉器官的帮助下究竟闻到了外边的什么？实际上没有闻到意识之外的任何东西。不是闻到气味了吗？外边根本就没有什么香臭之类的气味，气味是意识依据嗅觉神经所报告的信号用自己的语言——气味描述出来的主观感觉，也并不是客观的存在。动物在闻到感觉舒服的气味时，就称之为香气，反之就叫做臭气，所以必须有意识去辨别的时候才有我们感觉到的所谓气味，如果没有意识去辨别就不可能存在什么香臭的感觉。比如一堆屎，没有有情去闻它，它本身有什么香臭之分呢？有情一来，人说是臭，可猪啊狗呀苍蝇屎克郎们都说香，谁说得对？谁说得都对，完全是主观感觉嘛。如果民主投票的话，还不一定叫什么气呢，可能只苍蝇一族就远远超过全世界的人数了，你上哪儿找客观存在的气味去？

　　我们的意识在味觉器官的帮助下究竟尝到了外边的什么？实际上没有尝到意识之外的任何东西。不是尝到味道了吗？外边根本就没有味道，味道只不过是意识依据味觉神经所报告的信号用自己的语言——味道描述出来的主观感觉，没人去尝，辣椒自己会感觉到辣吗？黄连自己会有苦的感觉吗？所以酸甜苦辣都是意识的主观感觉，而不是一种客观存在。

　　我们的意识在触觉器官的帮助下究竟触到了外边的什么？实际上没有触到意识之外的任何东西。不是触到了凉热、软硬、轻重等等的触觉吗？实际上触觉只是意识依据触觉神经所报告的信号用自己的语言——触觉描述出来的各种主观感觉，而并非是客观存在——实际存在的世界本身是没有冷热、软硬等触觉的。比如在动物园里，人觉得天气很冷，企鹅却觉得太热了，您说客观存在的是冷呢，还是热呢？

　　意识不只有产生感觉、知觉和表象等的这些具象思维的精神活动，还有更高级点儿的形成概念、进行推理和判断等的抽象思维活动，这些也都是在意识想像的虚拟世界里进行的，并不是客观的实际存在。这样看来，我们人的意识的所有活动，都是精神活动，都不是客观的实际存在。所以我们凡夫见闻觉知的一切，都是在意识活动的范围之内，都是在意识的想像空间里，都是在意识的虚拟世界中，都不是客观的实际存在。

　　人们既然使用意识认识一切，就只有听命于意识的摆布，只能听到意识的语言，我们所知道的一切，都是经由意识用自己的语言翻译过来的，我们的一切知识，都是意识告诉我们的，它说我们看到了意识之外客观存在的世界，我们就毫无道理地把自己主观感觉的世界当作是主观之外的客观世界；它说我们听到了独立于意识而客观存在的声音，我们就愚蠢地相信这个世界到处都充满着声音；它说我们闻到了不依赖于意识而客观存在的气味，我们也都不加思索地相信……而实际上，多少世来，多少劫来，我们都被它骗了，我们为它吃了多少苦，受了多少罪，本来都是意识作的怪，它却推脱说那都是与意识无关的客观环境造成的，我有什么办法？罪魁祸首成了无辜的好人，却让人们去找一个根本不存在的客观世界算帐。我们为什么无始以来一直在生死轮回的牢笼里不能逃脱，因为我们一直抓不到把我们关进坚牢的元凶，这个案子为什么破不了呢？原来真正的元凶就是一直指挥我们抓捕元凶的意识本人。

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