|
安培的“分子电流”假说认为材料内部是有一个个小分子组成，每个分子都有一圈环形电流，电流感应出了一个小的磁矩，如果这些分子的磁矩取向一致的话，就可以形成一个强大的磁矩，整体体现出很强的磁性。这种用“分子电流”秩序构造出整体磁性似乎非常合理，也很容易被人接受，但实际上材料内部不止步于分子层次，而是更基本的原子，而原子的内部，是原子核和核外电子。在这种情形下，“分子电流”是根本不存在的。
要想认识磁性的起源，我们必须先了解微观粒子的自旋。自旋是量子力学中特有的概念，它指的是微观粒子与生俱来就带有一个量子化的角动量，属于粒子的内禀属性。就像所有的粒子都具有一定量的电荷一样，所有的粒子都具有自旋的属性，而且自旋数并不一定是整数。自旋为半奇数的粒子称为费米子，自旋为0或整数的粒子称为玻色子。正负电子、质子和中子的自旋都为1/2；而光子的自旋为零，属于玻色子。自旋可以等效地认为是一个具有N极和S极的最小磁单元。自旋的存在，使得微观粒子在运动过程中不仅仅由于其轨道角动量会产生轨道磁矩，而它们的自旋角动量也同时会产生自旋磁矩，粒子的总磁矩是轨道和自旋两部分贡献的整体效应。对于原子核来说，中子和质子的自旋以及轨道角动量将整体贡献出一个核磁矩，原子核磁矩的存在，是核磁共振现象的基础。对于核外电子来说，诸多电子的轨道磁矩和自旋磁矩也将组合在一起体现整体的磁矩。电子的磁矩一般要比核磁矩大得多，因此对于原子整体而言，将主要体现出电子造成的磁矩。而这些带固定磁矩的原子的微观有序排列就将形成材料整体有一个较大的磁矩，即从宏观上来看，材料显现出了磁性。
一般来说，原子的核磁矩要远小于电子的整体磁矩，而电子的磁矩又主要是自旋磁矩的贡献，故原子的总磁矩主要来自于不同自旋方向的电子数差异形成的总自旋磁矩。对于固体材料而言，里面的原子或离子是呈周期性排列的，它们的磁矩也会出现一定规律的排列方式。不同磁矩大小和排列方式构成了固体中千变万化的磁性。如果有序排列的原子磁矩大小相同并且方向相同，那么材料整体将体现铁磁性；如果原子磁矩大小相同，但是相邻的磁矩方向相反，那么材料整体将体现反铁磁性；如果相邻原子的磁矩方向相反，但大小不同，那么材料整体就将呈现亚铁性；如果原子磁矩的排列是杂乱无章的，那么材料整体就是顺磁性。对于固体的这几类磁性来说，磁性从强到弱依次是：铁磁、亚铁磁、顺磁、反铁磁。在实际材料中是原子组成的三维点阵，原子磁矩的排列是非常复杂的，可能有各种磁性排列方式的组合，也可能是更加复杂多变的磁性排列。但不管怎么变化，所有的材料都有磁性，只是因为其内部原子磁矩排列方式不同而导致宏观的磁性强弱不同。
对于铁磁材料和反铁磁材料，其铁磁性和反铁磁性并不是稳定不变的，一般还和材料的温度有关。对于铁磁材料，在一定温度以上将因原子的热振动过于剧烈而打乱原来一致排列的磁矩，材料会从铁磁体过渡到顺磁体，对应的温度点叫做居里点。对于反铁磁材料也存在一个温度点叫做奈尔温度，在这个温度以上有规则排列反铁磁序将转变为无规则随机排列的顺磁序。铁的居里点在一千摄氏度以上，因此被磁化成铁磁体的钢片能够保持磁性不变，但是一旦将其加热到红热状态就可以发生退磁效应，使其失去磁性。 
|
