懂磁帝系列文章已经写了三十多篇，我们不仅介绍了磁学的基本概念和知识，也讲解了关于烧结钕铁硼材料的生产与性能，但一直还没有追根溯源，讲讲物质磁性的来源，这一期就让我们就探访一下磁世界的起点吧~磁场的产生可以分为两大方面：一种是以运动电流为基础（电磁感应），另一种是以构成物质基本粒子的自旋为基础。第一种是我们比较熟悉的电流的磁效应，导线通电后自由电子定向移动产生磁场。第二种是物质本身产生的磁场，是我们要今天主要介绍的内容。世间万物都有磁性，小到我们身边的桌、椅，大到宇宙中的行星、太阳无一不具有磁性，不论他们处于什么状态（晶态、非晶态、液态与气态），处于高温或低温，处于高压或低压，均具有磁性，所不同的是有些物质磁性强，有些物质磁性弱，但可以说没有磁性的物质是不存在的。物质根据其在外磁场中表现出的特性可分为五类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质，亚铁磁性物质，反铁磁性物质。那是什么原因导致物质都有磁性？又是什么原因导致不同物质具有以上不同的特性呢？这要从构成物质的基础——原子说起。物质由原子构成，而原子是由原子核和电子组成的。在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子因自旋具有自旋磁矩，原子的磁矩主要来源于电子的轨道磁矩和自旋磁矩，这是一切物质磁性的来源。（原子核的磁矩仅是电子磁矩的1/.5，因此原子核磁矩一般被忽略）单一孤立原子的磁矩磁矩是一个有方向的矢量。原子中电子的自旋方式分为上下两种，在大多数物质中，具有向上自旋和向下自旋的电子数目一样多，他们产生的磁矩会相互抵消，整个原子对外没有磁性。只有少数物质原子内部的电子在不同自旋方向上的数量不一样，这样，在自旋相反的电子磁矩相互抵消后，还剩余一部分电子的自旋磁矩内有被抵消，整个原子具有总的磁矩。单一原子的磁矩取决于原子结构，即电子的排布和数量，元素周期表中所有元素的原子都有自己的磁矩。晶体中原子的磁矩上面我们讨论的是单一原子的磁矩，但在固体晶体或非晶体中，原子处在晶体结点上，这些原子会受到临近原子的核电场和电子静电场的影响，因此晶体中原子的磁矩与单一孤立原子是不同的。例如铁、钴、镍，它们被称为3d过渡族金属，在晶体中部分原子的电子会变成相邻原子的公有化电子，原子的电子结构发生了变化，部分轨道磁矩会被冻结，此时对晶体中原子磁矩做出贡献的只剩下自旋磁矩，这样晶体中原子的磁矩就和理论值有了差异。宏观物质的磁矩通过前面的内容我们已经知道了宇宙万物都是有磁性的，磁性主要是起源于原子磁性。由于不同原子的磁矩不同，导致宏观物质间原子磁矩间相互作用，原子磁矩在室温状态下的排列不同，我们按照宏观物质的磁性能特征将他们分为顺磁性物质、抗磁性物质、铁磁性物质、亚铁磁性物质和反铁磁性物质，这些特征包括以下3个。1、磁化强度M物质的宏观磁性是由构成它的原子或分子磁矩所贡献的，我们将单位体积内材料的总磁矩称为该材料的磁化强度，用M表示，单位为A/m。设某一物质的体积为V，它有n个原子，每一个原子的磁矩为μJ，那么M=μJ1+μJ2+……+μJn,也就是M=ΣμJ/v。2、磁化强度的磁化曲线（M~H曲线）当外磁场为零的时候，原子磁矩可能是混乱排列的，但当我们施加一个不为零的外磁场时，在外磁场的作用下，每一个原子磁矩都可转向外磁场的方向，此时物质的磁化强度M发生了变化。磁化强度M随外磁场H的变化而变化的关系曲线称为磁化曲线，简写成M~H磁化曲线。不同物质的磁化曲线也是不同的。3、磁化率χ在M~H磁化曲线上，任意一点的M与H的比值我们称为磁化率，用χ表示。χ=M/H,其中M的单位为A/m,H的单位也是A/m，所以是相对磁化率，是没有单位的。我们用上述原子磁矩的大小和排列方式、M~H磁化曲线的形态，以及磁化率等参量来描述物质的磁性，并对物质进行分类。顺磁性物质是一种把它们移近磁场时可依磁场方向发生磁化，但很微弱，要用精密仪器才能测出的物质；如果把外加磁场移走，内部的磁场也会归零，导致其没有磁性。如铝、氧气等。顺磁性物质每一个原子都有磁矩，这使得顺磁性物质具有固有原子磁矩；顺磁性物质相邻原子间不存在相互作用，因此在室温下，原子磁矩是混乱排列的，原子磁矩μJ在任何方向的投影值都是零。当有外磁场H作用时，这类物质的原子磁矩只能沿外磁场方向转一个非常小的角度，其磁化强度随外磁场的增加而缓慢增加。它的磁化率χ0，数值一般为10-5~10-3。为了使顺磁性物质的原子磁矩完全按照外磁场方向排列，根据粗略估计，这需要外磁场强度为~A/m,这是目前人造磁场难以实现的。抗磁性物质是磁化率为负值的物质，也就是说磁化后磁场方向与外磁场方向相反。所有的有机化合物都有抗磁性，石墨、铅、水等都是抗磁性物质。抗磁性物质的原子轨道磁矩和自旋磁矩在磁场中的投影都为零，也就是说抗磁性物质没有净原子磁矩，但在外磁场的作用下，电子轨道会产生一个感生的附加磁矩，并且这个感生磁矩与外磁场的方向相反，因此出现负磁性。抗磁性物质的磁化强度方向是负的，与外磁场相反，其绝对值随外磁场的增加而线性提高。铁磁性物质是一种在外部磁场的作用下被磁化后，即使外部磁场消失，依然能保持其磁化的状态具有磁性的物质，到目前为止人们已经发现的金属元素共有83中，其中有4种在室温以上是铁磁性元素，它们是铁、钴、镍和钆；在极低温度下，还有5种元素可以转变为铁磁性元素，它们是铽、镝、钬、铒和铥。铁磁性物质中原子具有固有的原子磁矩，部分电子会公有化，相邻原子自旋磁矩彼此同方向平行排列（又称为自发磁化）。铁磁性物质的M~H磁化曲线是非线性的，同时磁化率χ是随磁场的变化而变化的，铁磁性物质磁化率χ很大，最高可达~。反铁磁性物质不会产生磁场，这种物质比较不常见，新的反铁磁性物质还在不断被发现。大多数反铁磁性物质只存在于低温状况，假设温度超过一定值，通常会变为具有顺磁性。例如，铬、锰等都具有反铁磁性。反铁磁性物质中原子也具有固有的原子磁矩，部分电子会公有化，但相邻原子磁矩反向排列（又称为反铁磁有序）。铁磁性物质的M~H磁化曲线是线性的，磁化率χ0,其数值约为10-4~10-5，很小，是一个常数，也就是说反铁磁性物质在外磁场中磁化时，其原子磁矩随外磁场变化很小，与顺磁性物质相同，属于弱磁性。反铁磁磁性物质的磁化率χ随温度的变化而变化的，如下图，Tn被称为尼尔温度。亚铁磁性物质宏观磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率低一些（磁化率χ为~），典型的亚铁磁性物质如铁氧体，它们与铁磁性物质的最显著区别在于内部磁结构（磁矩排列）的不同。亚铁磁物质的原子磁矩不为零，相邻原子磁矩间彼此存在间接交换作用，或RKKY交换作用，使相邻亚点阵的原子磁矩反向平行排列，但它们相邻亚点阵的原子磁矩大小不同（见图上），这种现象也称为亚铁磁有序或亚铁磁自发磁化。亚铁磁物质的M~H磁化曲线是非线性的，与铁磁性物质相似，只是磁化率略低，但仍属于强磁性。以上我们从微观层面了解了物质磁性的来源以及磁矩的物理意义，下一期懂磁帝将从宏观层面介绍磁性材料的磁矩，包括磁矩与磁通、剩磁等的关系，磁矩如何测量和计算等~注：本文部分内容引用《烧结钕铁硼-稀土永磁材料与技术》周寿增,董清飞,高学绪著