一、物質磁性的起源

如果磁體的磁是電磁以太渦旋，一個磁鐵，沒看到任何電磁以太的渦旋，為什么會有磁性？我們的回答是：物質的磁性起源于原子中電子的運動，電子的運動會產生一個電磁以太的渦旋。

早在1820年，丹麥科學家奧斯特就發現了電流的磁效應，第一次揭示了磁與電存在著聯系，從而把電學和磁學聯系起來。

為了解釋永磁和磁化現象，安培提出了分子電流假說。安培認為，任何物質的分子中都存在著環形電流，稱為分子電流，而分子電流相當一個基元磁體。當物質在宏觀上不存在磁性時，這些分子電流做的取向是無規則的，它們對外界所產生的磁效應互相抵消，故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下，等效于基元磁體的各個分子電流將傾向于沿外磁場方向取向，而使物體顯示磁性。

磁現象和電現象有本質的聯系。物質的磁性和電子的運動結構有著密切的關系。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念，是把電子看成一個帶電的小球，他們認為，與地球繞太陽的運動相似，電子一方面繞原子核運轉，相應有軌道角動量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉，具有自旋角動量和相應的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩。（現在人們認為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉動是不正確的。）

電子繞原子核作圓軌道運轉和繞本身的自旋運動都會產生電磁以太的渦旋而形成磁性，人們常用磁矩來描述磁性。因此電子具有磁矩，電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中，電子的軌道磁矩受晶格的作用，其方向是變化的，不能形成一個聯合磁矩，對外沒有磁性作用。因此，物質的磁性不是由電子的軌道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每個電子自旋磁矩的近似值等于一個波爾磁子 。 是原子磁矩的單位， 。因為原子核比電子重2000倍左右，其運動速度僅為電子速度的幾千分之一，故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾，可以忽略不計。

孤立原子的磁矩決定于原子的結構。原子中如果有未被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。例如，鐵原子的原子序數為26，共有26個電子，在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個電子（自旋反平行）外，其余4個軌道均只有一個電子，且這些電子的自旋方向平行，由此總的電子自旋磁矩為4 。

二、 物質磁性的分類

1、 抗磁性

當磁化強度M為負時，固體表現為抗磁性。Bi、Cu、Ag、Au等金屬具有這種性質。在外磁場中，這類磁化了的介質內部的磁感應強度小于真空中的磁感應強度M。抗磁性物質的原子（離子）的磁矩應為零，即不存在永久磁矩。當抗磁性物質放入外磁場中，外磁場使電子軌道改變，感生一個與外磁場方向相反的磁矩，表現為抗磁性。所以抗磁性來源于原子中電子軌道狀態的變化。抗磁性物質的抗磁性一般很微弱，磁化率H一般約為-10-5，為負值。

2、 順磁性

順磁性物質的主要特征是，不論外加磁場是否存在，原子內部存在永久磁矩。但在無外加磁場時，由于順磁物質的原子做無規則的熱振動，宏觀看來，沒有磁性；在外加磁場作用下，每個原子磁矩比較規則地取向，物質顯示極弱的磁性。磁化強度與外磁場方向一致，

為正，而且嚴格地與外磁場H成正比。

順磁性物質的磁性除了與H有關外，還依賴于溫度。其磁化率H與絕對溫度T成反比。

式中,C稱為居里常數，取決于順磁物質的磁化強度和磁矩大小。

順磁性物質的磁化率一般也很小，室溫下H約為10-5。一般含有奇數個電子的原子或分子，電子未填滿殼層的原子或離子，如過渡元素、稀土元素、鋼系元素，還有鋁鉑等金屬，都屬于順磁物質。

3、 鐵磁性

對諸如Fe、Co、Ni等物質，在室溫下磁化率可達10-3數量級，稱這類物質的磁性為鐵磁性。

鐵磁性物質即使在較弱的磁場內，也可得到極高的磁化強度，而且當外磁場移去后，仍可保留極強的磁性。其磁化率為正值，但當外場增大時，由于磁化強度迅速達到飽和，其H變小。

鐵磁性物質具有很強的磁性，主要起因于它們具有很強的內部交換場。鐵磁物質的交換能為正值，而且較大，使得相鄰原子的磁矩平行取向（相應于穩定狀態），在物質內部形成許多小區域——磁疇。每個磁疇大約有1015個原子。這些原子的磁矩沿同一方向排列，假設晶體內部存在很強的稱為“分子場”的內場，“分子場”足以使每個磁疇自動磁化達飽和狀態。這種自生的磁化強度叫自發磁化強度。由于它的存在，鐵磁物質能在弱磁場下強列地磁化。因此自發磁化是鐵磁物質的基本特征，也是鐵磁物質和順磁物質的區別所在。

鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現出來，超過這一溫度，由于物質內部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向，因而自發磁化強度變為0，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點 。在居里點以上，材料表現為強順磁性，其磁化率與溫度的關系服從居里——外斯定律，

式中C為居里常數。

4、 反鐵磁性

反鐵磁性是指由于電子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自發磁化強度，電子磁矩是同向排列的；在不同子晶格中，電子磁矩反向排列。兩個子晶格中自發磁化強度大小相同，方向相反，整個晶體 。反鐵磁性物質大都是非金屬化合物，如MnO。

不論在什么溫度下，都不能觀察到反鐵磁性物質的任何自發磁化現象，因此其宏觀特性是順磁性的，M與H處于同一方向，磁化率 為正值。溫度很高時， 極小；溫度降低， 逐漸增大。在一定溫度 時， 達最大值 。稱 為反鐵磁性物質的居里點或尼爾點。對尼爾點存在 的解釋是：在極低溫度下，由于相鄰原子的自旋完全反向，其磁矩幾乎完全抵消，故磁化率 幾乎接近于0。當溫度上升時，使自旋反向的作用減弱， 增加。當溫度升至尼爾點以上時，熱騷動的影響較大，此時反鐵磁體與順磁體有相同的磁化行為。

三、電子軌道磁矩與軌道角動量的關系

設軌道半徑為r (圓軌道)、電子速率為v

則軌道電流I：

電子的軌道磁矩

對處于氫原子基態的電子，

電子的軌道角動量(圓軌道)

L = mvr

式中m 為電子質量

由于電子帶負電，電子軌道磁矩與軌道角動量的關系是：

(此式雖由圓軌道得出，但與量子力學的結論相同)

在這里要特別強調指出的是：電子軌道磁矩與軌道角動量成正比。

四、電子自旋磁矩與自旋角動量的關系

實驗證明：電子有自旋(內稟)運動，相應有自旋磁矩大小為

自旋磁矩和自旋角動量 S 的關系：

在這里又要特別強調指出的是：電子自旋磁矩又與自旋角動量成正比。磁矩與角動量成正比不是偶然的。因為電子的角動量越大，它所帶動的電磁以太渦旋的角動量也越大，磁矩當然也就越大了。這也就從另一個側面印證了磁是以太的渦旋。