磁源

物理现象

追根究柢，磁有两种源头：电流是一群移动的电荷。电流或移动的电荷，会在周围产生磁场。很多种粒子具有内秉的磁矩──自旋磁矩。这些磁矩，会在四周产生磁场。

简介

追根究柢，磁有两种源头：

对于磁性物质，磁极化的主要源头是以原子核为中心的电子轨域运动，和电子的内秉磁矩（请参阅条目电子磁偶极矩）。与这些源头相比，核子的核子磁矩显得很微弱，强度是电子磁矩的几千分之一。当做一般运算时，可以忽略核子磁矩。但是，核子磁矩在某些领域很有用途，例如，核磁共振、核磁共振成像。

通常而言，在物质内部超多数量的电子，它们各自的磁矩（轨域磁矩和内禀磁矩）会互相抵销。这是因为两种机制：一种机制是遵守泡利不相容原理的后果，匹配成对的电子都具有彼此方向相反的内秉磁矩；另一种机制是电子趋向于填满次壳层，达成净轨域运动为零。对于这两种机制，电子排列会使得每一个电子的磁矩被完全抵销。当然，不是每一种物质都具有这么理想的属性，但甚至当电子组态仍有尚未配对的电子或尚未填满的次壳层，通常，在物质内部的各个电子，会贡献出随机方向的磁矩，结果是这些物质不具有磁性。

但是，有时候，或许是自发性效应，或许是由于外磁场的施加，物质内的电子磁矩会整齐地排列起来。由于这动作，很可能会造成强烈的净磁矩与净磁场。

由于前面表述的原因，物质的磁行为与其结构有关，特别是其电子组态。在高温状况，随机的热运动会使得电子磁矩的整齐排列更加困难。

分类

恒磁磁源

常见的永磁体如：铁氧体磁铁，钕铁硼磁体，地球磁场，太阳磁场，在相当长的时间内不发生变化，我们可以称为恒磁磁源。

恒磁磁源做功一般我们只能利用它的磁力势能。磁力势能做功表现为磁源对导磁体的引力，磁源与磁源的引力斥力及扭力（如指南针的指向扭力）；磁力常数是个对数（即：S极和N极产生的磁通闭合回路），因磁路长度有限，因此磁程也有限，所以磁力常数不同于万有引力常数。

交流磁源

交流电流产生的磁通，交变电场产生的交流磁场属于交流磁源，是近代人类的辉煌成果，也是人类利用最多的能源，如：电动机，变压器，电磁波都属交流磁源的利用。

磁学

磁学和电学有着直接的联系，合并称为电磁学。电磁学是研究电与磁彼此之间相互关系的一门学科。静磁学是电磁学的一个分支，研究稳定磁场下的性质。微磁学是研究介观尺度下铁磁体的磁化过程。磁化学是研究化学物质与电磁场的关系。

物质的磁性

抗磁性

抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向，因此，会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是，对于具有顺磁性的物质，顺磁性通常比较显著，遮掩了抗磁性。只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如，惰性气体元素和抗腐蚀金属元素（金、银、铜等等）都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时，抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除，则抗磁性也会遁隐形迹。

在具有抗磁性的物质里，所有电子都已成对，内秉电子磁矩不能集成宏观效应。抗磁性的机制是电子轨域运动，用经典物理理论解释如下：

由于外磁场的作用，环绕着原子核的电子，其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动，从而产生额外电流与伴随的额外磁矩。这额外磁矩与外磁场呈相反方向，抗拒外磁场的作用。由这机制所带来的磁化率与温度无关，以方程表达为

其中，是磁常数，是原子数量密度，是原子序，是磁场，是电子质量，是轨道半径。是的量子力学平均值。

特别注意，这解释只能用来启发思考。正确的解释需要依赖量子力学。

顺磁性

碱金属元素和除了铁、钴、镍以外的过渡元素都具有顺磁性。在顺磁性物质内部，由于原子轨域或分子轨域只含有奇数个电子，会存在有很多未配对电子。遵守泡利不相容原理，任何配对电子的自旋，其磁矩的方向都必需彼此相反。未配对电子可以自由地将磁矩指向任意方向。当施加外磁场时，这些未配对电子的磁矩趋于与外磁场呈相同方向，从而使磁场更加强烈。假设外磁场被撤除，则顺磁性也会消失无踪。

一般而言，除了金属物质以外，顺磁性与温度相关。由于热骚动（thermal agitation）造成的碰撞会影响磁矩整齐排列，温度越高，顺磁性越微弱；温度越低，顺磁性越强烈。

在低磁场，足够高温的状况，根据居里定律，磁化率与绝对温度T的关系式为

其中，C是依不同物质而定的居里常数。

磁畴

在铁磁性物质内部，由于原子的磁矩不等于零，每一个原子的表现就好似微小的永久磁铁。假设聚集于一个小区域的原子，其磁矩都均匀地同向平行排列，则称这小区域为磁畴或外斯畴（Weiss domain）。使用磁力显微镜（magnetic force microscope），可以观测到磁畴。

磁畴的存在是能量极小化的后果。这是物理大师列夫·朗道和叶津·李佛西兹（Evgeny Lifshitz）提出的点子。假设一个铁磁性长方体是单独磁畴，则会有很多正磁荷与负磁荷分别形成于长方块的顶面与底面，从而拥有较强烈的磁能。假设铁磁性长方块分为两个磁畴，其中一个磁畴的磁矩朝上，另一个朝下，则会有正磁荷与负磁荷分别形成于顶面的左右边，又有负磁荷与正磁荷相反地分别形成于底面的左右边，所以，磁能较微弱，大约为一半。假设铁磁性长方块是由多个磁畴组成，则由于磁荷不会形成于顶面与底面，只会形成于斜虚界面，所有的磁场都包含于长方块内部，磁能更微弱。这种组态称为“闭磁畴”（closure domain），是最小能量态。

将铁磁性物质置入外磁场，则磁畴壁会开始移动，假若磁畴的磁矩方向与外磁场方向近似相同，则磁畴会扩大；反之，则会缩小。这时，假若关闭磁场，则磁畴可能不会回到原先的未磁化状态。铁磁性物质已被磁化，形成永久磁铁。

假设磁化足够强烈，所有会扩大的磁畴吞并了其它磁畴，结果只剩下单独一个磁畴，则此物质已经达到磁饱和。再增强外磁场，也无法更进一步使物质磁化。

假设外磁场为零，现将已被磁化的铁磁性物质加热至居里温度，则物质内部的分子会被大幅度热骚动，磁畴会开始分裂，每个磁畴变得越来越小，其磁矩也呈随机方向，失去任何可侦测的磁性。假设将物质冷却，则磁畴结构会自发地回复，就好像液体凝固成固态晶体一样。

亚铁磁性

像铁磁性物质一样，当磁场不存在时，亚铁磁性物质仍旧会保持磁化不变；又像反铁磁性物质一样，相邻的电子自旋指向相反方向。这两种性质并不互相矛盾，在亚铁磁性物质内部，分别属于不同次晶格的不同原子，其磁矩的方向相反，数值大小不相等，所以，物质的净磁矩不等于0，磁化强度不等于零，具有较微弱的铁磁性。

由于亚铁磁性物质是绝缘体。处于高频率时变磁场的亚铁磁性物质，由于感应出的涡电流很少，可以允许微波穿过，所以，可以做为像隔离器、循环器、回旋器等等微波器件的材料。

由于组成亚铁磁性物质的成分必需分别具有至少两种不同的磁矩，只有化合物或合金才会表现出亚铁磁性。常见的亚铁磁性物质有磁铁矿（Fe3O4）、铁氧体（ferrite）等等。

超顺磁性

当铁磁体或亚铁磁体的尺寸足够小的时候，由于热骚动影响，这些奈米粒子会随机地改变方向。假设没有外磁场，则通常它们不会表现出磁性。但是，假设施加外磁场，则它们会被磁化，就像顺磁性一样，而且磁化率超大于顺磁体的磁化率。

磁现象

参见

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