磁

磁或者磁性（）是一种物理现象，主要表现为物体通过磁场相互吸引或排斥。磁学（magnetics）则是研究磁现象的物理学分支。

磁性在广义上，是物质和磁场相互作用的性质；在狭义上，则是物質针对磁場作用作出响应的性质。物质的磁性决定于自身原子磁矩的大小及排列方向。依照溫度、壓力等參數的不同，物質會顯示出不同的磁性。

作为磁场响应的磁性一般表现为順磁性物質或铁磁性物質，如铁钉會趨向於朝著磁場較強的區域移動，即被磁場吸引；反磁性物質則會趨向於朝著磁場較弱的區域移動，即被磁場排斥；還有一些物質（如自旋玻璃、反鐵磁性等）會與磁場有更複雜的關係。
表现出磁性的物质通称为磁体，原来不具有磁性的物质获得磁性的过程称为磁化，反之称为退磁。磁体會產生磁場，但本质上磁场是由电荷运动通过电磁感应产生，如磁铁内部未配對电子的自旋，会产生磁场，当这些磁场的方向一致时，宏观上就表现为磁性。

磁学和电学有着直接的联系，合并称为电磁学。电磁学是研究電与磁彼此之間相互關係的一門學科。静磁学是磁学的一个分支，研究稳定磁場下的性质。微磁學是研究介觀尺度下鐵磁體的磁化過程。磁化学是研究化學物質與電磁场的關係。

歷史
公元前六世紀希臘哲學家泰勒斯是最早描述磁石的磁性的幾位學者之一。古希臘人認為，泰勒斯最先發現磁石吸引鐵物質與其它磁石的性質。磁的英文術語「」傳說是因最早在希臘發現磁石的地方麥格尼西亞（）而命名。

在中國，磁性最早出現於公元前4世紀編寫的書《鬼谷子》：「其察言也，不失若磁石之取鍼，舌之取燔骨」。察析這人的言詞話語，就好像用磁石吸取鐵針，又好像用舌尖探取炙肉中的骨頭，絕對不能有所差失。公元一世紀，即東汉時期，王充在《論衡》中記載：「頓牟掇芥，磁石引針」，頓牟即琥珀，摩擦後的琥珀能吸引草芥，而磁石能吸引鐵針。

公元1086-1093年，北宋科學家沈括在《夢溪筆談》裏描述了指南針的製作與使用方法。由於這方法引入了天文學的真北的概念，航行的準確度得以大大改善。

公元1119年，北宋朱彧在《萍洲可谈》裏記述：「舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针」。這是航海史最早的關於使用指南針航海的紀錄。

美國天文學者約翰·卡森（John Carlson）在中美洲奧爾梅克文明發現的赤鐵礦古物，卡森認為，早於公元前1000年，奧爾梅克人有可能已經發明與使用地磁磁石羅盤。卡森推測奧爾梅克可能使用這類古物於占星或推卜用途，或找到寺廟、住家或墳墓的取向。

在歐洲，1187年，最先寫出羅盤的製作與導航用途。1269年，法國學者寫成《磁石書》（）。這是第一本尚存的描述磁石性質的著作。德馬立克仔細標明了鐵針在塊型磁石附近各個位置的取向，從這些記號，又描繪出很多條磁場線。他發現這些磁場線相會於磁石的相反兩端位置，就好像地球的經線相會於南極與北極。因此，他稱這兩位置為「磁極」。1282年，葉門物理學者論述磁石與乾羅盤的性質。

1600年，英國醫生威廉·吉爾伯特發表了著作《論磁石》（）。在這篇著作裏，他設計出一種模型，稱為「小地球」。他用這模型來描述他的種種實驗。從這些實驗，他推論地球具有磁性，因此，指南針的磁北極會指向北方（在此之前，很多學者認為是北極星或位於北極的一個巨大磁島吸引著磁北極）。

1820年，由於哥本哈根大學物理教授漢斯·奧斯特的貢獻，物理學者開始瞭解電與磁之間的關係。奧斯特發現載流導線的電流會施加作用力於磁針，使磁針偏轉指向。這跨時代的實驗知名為「奧斯特實驗」。稍後，在這新聞抵達法國科學院僅僅一周之後，安德烈-瑪麗·安培成功地做實驗顯示，假若所載電流的流向相同，則兩條平行的載流導線會互相吸引；否則，假若流向相反，則會互相排斥。緊接著，法國物理學家讓-巴蒂斯特·必歐和菲利克斯·沙伐於10月共同發表了必歐-沙伐定律；這定律能夠正確地計算出在載流導線四周的磁場。

1825年，安培又發表了安培定律。這定律也能夠描述載流導線產生的磁場。更重要的，這定律幫助建立整個電磁理論的基礎。於1831年，麥可·法拉第發現，時變磁場會生成電場。這實驗結果展示出電與磁之間更密切的關係。他又發明了发电机和电动机。

從1861年到1865之間，詹姆斯·馬克士威將先前這些雜亂無章的方程式加以整合，給出了馬克士威方程組。至此，馬克士威統一了電學、磁學、光學理論。

1888年，美國機械工程師於雜誌《電世界》（）上發表文章，首次闡述了磁性記錄儀器。不久之後，於1898年，第一個磁性記錄儀器真正誕生——這是現代硬碟和其他種磁存儲技術的鼻祖。

1895年，皮埃爾·居里在他的博士論文裡發表了關於磁性物質的研究。他發現了溫度對於順磁性的效應，今稱為居里定律。他又發現鐵磁性物質的相變會顯示出臨界溫度，即鐵磁性物質失去其鐵磁性的溫度，今稱為居里溫度。

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦在他的論文裡表明，電場和磁場是處於不同參考系的觀察者所觀察到的同樣現象。詳盡細節，請參閱條目移動中的磁鐵與導體問題。

从20世纪至今，磁存储技术迅速发展，巨磁阻现象和垂直写入技术仍是目前磁学领域的最尖端课题。

磁源
追根究柢，磁有兩種源頭：
#電流是一群移動的電荷。電流或移動的電荷，會在周圍產生磁場。
#很多種粒子具有內秉的磁矩──自旋磁矩。這些磁矩，會在四週產生磁場。

對於磁性物質，磁極化的主要源頭是以原子核為中心的電子軌域運動，和電子的內秉磁矩（請參閱條目電子磁偶極矩）。與這些源頭相比，核子的顯得很微弱，強度是電子磁矩的幾千分之一。當做一般運算時，可以忽略核子磁矩。但是，核子磁矩在某些領域很有用途，例如，核磁共振、核磁共振成像。

通常而言，在物質內部超多數量的電子，它們各自的磁矩（軌域磁矩和內禀磁矩）會互相抵銷。這是因為兩種機制：一種機制是遵守包立不相容原理的後果，匹配成對的電子都具有彼此方向相反的內秉磁矩；另一種機制是電子趨向於填滿次殼層，達成淨軌域運動為零。對於這兩種機制，電子排列會使得每一個電子的磁矩被完全抵銷。當然，不是每一種物質都具有這麼理想的屬性，但甚至當電子組態仍有尚未配對的電子或尚未填滿的次殼層，通常，在物質內部的各個電子，會貢獻出隨機方向的磁矩，結果是這些物質不具有磁性。

但是，有時候，或許是自發性效應，或許是由於外磁場的施加，物質內的電子磁矩會整齊地排列起來。由於這動作，很可能會造成強烈的淨磁矩與淨磁場。

由於前面表述的原因，物質的磁行為與其結構有關，特別是其電子組態。在高溫狀況，隨機的熱運動會使得電子磁矩的整齊排列更加困難。

物質的磁性
抗磁性
抗磁性是物質抗拒外磁場的趨向，因此，會被磁場排斥。所有物質都具有抗磁性。可是，對於具有順磁性的物質，順磁性通常比較顯著，遮掩了抗磁性。只有純抗磁性物質才能明顯地被觀測到抗磁性。例如，惰性氣體元素和貴金屬元素（金、銀、銅等等）都具有顯著的抗磁性。
:由於外磁場的作用，環繞著原子核的電子，其軌域運動產生的磁矩會做拉莫爾進動，從而產生額外電流與伴隨的額外磁矩。這額外磁矩與外磁場呈相反方向，抗拒外磁場的作用。由這機制所帶來的磁化率與溫度無關，以方程式表達為
::\chi=-\ \frac{\mu_0 NZe^2}{6m}\langle r^2\rangle ；

:其中，\mu_0 是磁常數，N 是原子數量密度，Z 是原子序，B 是磁場，m 是電子質量，r 是軌道半徑。\langle r^2\rangle 是 r^2 的量子力學平均值。

特別注意，這解釋只能用來啟發思考。正確的解釋需要依賴量子力學。

順磁性
，磁化率 \chi 與絕對溫度 T 的關係式為

*假設外磁場垂直於自旋，則垂直磁化率近似為常數 \chi_{\perp}\approx C/T_N 。
*假設外磁場平行於自旋，則在絕對溫度0K時，平行磁化率為零；在從0K到奈爾溫度 T_N 之間，平行磁化率會從 \chi_{\parallel}(0)=0 平滑地單調遞增至 \chi_{\parallel}(T_N)=C/T_N 。

亞鐵磁性
像鐵磁性物質一樣，當磁場不存在時，亞鐵磁性物質仍舊會保持磁化不變；又像反鐵磁性物質一樣，相鄰的電子自旋指向相反方向。這兩種性質並不互相矛盾，在亞鐵磁性物質內部，分別屬於不同次晶格的不同原子，其磁矩的方向相反，數值大小不相等，所以，物質的淨磁矩不等於0，磁化強度不等於零，具有較微弱的鐵磁性。

由於亞鐵磁性物質是絕緣體。處於高頻率時變磁場的亞鐵磁性物質，由於感應出的渦電流很少，可以允許微波穿過，所以，可以做為像、、等等微波器件的材料。

由於組成亞鐵磁性物質的成分必需分別具有至少兩種不同的磁矩，只有化合物或合金才會表現出亞鐵磁性。常見的亞鐵磁性物質有磁鐵礦（Fe3O4）、鐵氧體（ferrite）等等

超順磁性
當鐵磁體或亞鐵磁體的尺寸足夠小的時候，由於熱騷動影響，這些奈米粒子會隨機地改變方向。假設沒有外磁場，則通常它們不會表現出磁性。但是，假設施加外磁場，則它們會被磁化，就像順磁性一樣，而且磁化率超大於順磁體的磁化率。

磁现象
*磁滞现象简称磁滞，是指由于磁性体在磁化过程中存在的不可逆性，使磁性体中的磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化的物理现象。
*电磁感应现象是指导体在磁场中运动，或導體处在變化的磁场中，會產生電動勢的物理现象。

磁鐵
磁鐵能夠產生磁場，吸引鐵磁性物質如鐵、鎳、鈷等金屬。磁體上磁性最強的部分叫磁極。將條形磁鐵的中點用細線懸掛起來，靜止的時候，它的兩端會各指向地球南方和北方，指向北方的一端稱為指北極或N極，指向南方的一端為指南極或S極。如果將地球想成一塊大磁鐵，則目前地球的地磁北極是指南極，地磁南極則是指北極。磁鐵與磁鐵之間，同極相排斥、異極相吸引。所以，指南極與指南極相排斥，指北極與指北極相排斥，而指南極與指北極則相吸引。

磁鐵可分為「永久磁鐵」與「非永久磁鐵」。永久磁鐵可以是天然產物，又稱天然磁石，也可以由人工製造（最強的磁鐵是釹磁鐵）。非永久性磁鐵，例如電磁鐵，只有在某些條件下才會出現磁性。

電磁鐵
]]
1820年，丹麥物理學家漢斯·奧斯特發現載流導線會產生磁場。而當直流电通過螺線管（线圈）时，會在螺線管之內製成均勻磁場。如果在螺線管的中心置入鐵磁性物質（铁芯），被磁化后的鐵磁性物質會大大增強磁場。因此，电磁铁一般由環繞鐵芯的線圈構成，電磁鐵所產生的磁場與電流大小、線圈圈數及中心的鐵磁體有關。由於線圈的材料具有電阻，這限制了電磁鐵所能產生的磁場大小，但隨著超導體的發現與應用，將有機會超越現有的限制。

電磁鐵屬非永久磁鐵，可以通过控制电流將其磁性啟動或是消除。不过，由于H場和B場是非線性關係，所以电磁铁断电后仍具有剩磁。电磁铁的应用非常普遍，例如：大型起重機利用電磁鐵將廢棄車輛抬起，自勵式發電機利用剩磁能夠自行啟動等。

永久磁鐵
立方體。]]
永磁鐵能夠長期保持其磁性，可分為天然的磁石（磁铁矿）和人造磁鐵（鋁鎳鈷合金等）。永久磁鐵必須具有寬廣高長的磁滯迴線。這樣，當外磁場為零時，仍舊能夠具有比較強烈的磁化強度；假若要將磁化強度變為零，需要施加比較強烈的外磁場。永磁体按照材料可分為鐵氧體、鋁鎳鈷合金和稀土磁鐵。

磁单极子
如果我们将带有磁性的金属棒截断为二，新得到的两根磁棒则会“自动地”产生新的磁场，重新编排磁场的北极、南极，原先的北极南极两极在截断磁棒后会转换成四极各磁棒一南一北。如果继续截下去，磁场也同时会继续改变磁场的分布，每段磁棒总是会有相应的南北两极。而磁单极子，如果真的存在的话，则是完全不同的物体。它是一个完全独立的南极，完全没有跟任何北极链接，或者反之亦然。尽管对磁单极子的系统研究从1931年就开始了，但到目前为止，还没有被观察到，而且非常可能并不存在。
然而，有些理论物理学模型则预言了磁单极子的存在。保罗·狄拉克在1931年断言，因为电场与磁场表现出某種对称性，就像在量子理论预言的正电荷或者负电荷并不需要相反的电荷存在，独立的南极或者北极应该也能被观测到。應用量子理论，狄拉克预言，如果磁单极子如果存在，就可以解释电荷的量子化—就是为何可以观察到基本粒子带电量是电子帶电量的倍数。

一些大统一理论也预言了磁单极子的存在：不同於基本粒子，磁单极子是孤波（局域能量包）。使用这些模型去估计大爆炸中产生的磁单极子的数目，得到的最初結果与对宇宙的观察结果相矛盾—磁单极子是如此的多而巨大，它們甚至可以阻止宇宙的膨胀。然而宇宙暴脹理论（也是这个理论被提出的原因之一）成功地解决了这问题。这个理论建立了一个模型，使得磁单极子在宇宙中存在，但数量极少的能夠与实际观测相符合。

磁学单位
参见
*電磁學

註釋
参考资料