磁學

磁學和電學有著直接的聯繫。經典磁學認為如同電荷一樣，自然界中存在著獨立的磁荷。相同的磁荷互相排斥，不同的磁荷互相吸引。而現代磁學則認為環形電流元是磁極產生的根本原因，相同的磁極互相排斥，不同的磁極互相吸引。獨立的磁荷是不存在的。由於電子圍繞原子核的運動，所有的物質都具有某種特別的磁學效應。但是在自然界，鐵，鎳，鈷等材料表現了很強的磁特性，所以磁學又被稱為鐵磁學。

我國是對磁現象認識最早的國家之一，公元前4世紀左右成書的《管子》中就有“上有慈石者，其下有銅金”的記載，這是關於磁的最早記載。類似的記載，在其後的《呂氏春秋》中也可以找到：“慈石召鐵，或引之也”。東漢高誘在《呂氏春秋注》中談到：“石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。在東漢以前的古籍中，一直將磁寫作慈。相映成趣的是磁石在許多國家的語言中都含有慈愛之意。

我國古代典籍中也記載了一些磁石吸鐵和同性相斥的應用事例。例如《史記·封禪書》說漢武帝命方士欒大用磁石做成的棋子“自相觸擊”；而《椎南萬畢術》（西漢劉安）還有“取雞血與針磨搗之，以和磁石，用塗棋頭，曝干之，置局上則相拒不休”的詳細記載。南北朝（512～518年）的《水經注》（酈道元）和另一本《三輔黃圖》都有秦始皇用磁石建造阿房宮北闕門，“有隱甲懷刃入門”者就會被查出的記載。《晉書·馬隆傳》的故事可供參考：相傳3世紀時智勇雙全的馬隆在一次戰役中，命士兵將大批磁石堆壘在一條狹窄的小路上。身穿鐵甲的敵軍個個都被磁石吸住，而馬隆的兵將身穿犀甲，行動如常。敵軍以為馬隆的兵是神兵，故而大敗（“夾道累磁石，賊負鐵鏜，行不得前，隆卒悉被犀甲，無所溜礙”）。古代，還常常將磁石用於醫療。《史記》中有用“五石散”內服治病的記載，磁石就是五石之一。晉代有用磁石吸出體內鐵針的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳內，口含鐵塊，因而治癒耳聾。

磁石只能吸鐵，而不能吸金、銀、銅等其它金屬，也早為我國古人所知。《淮南子》中有“慈石能吸鐵，及其於銅則不通矣”，“慈石之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣”。

在我國很早就發現了磁石的指向性，並制出了指向儀器司南。《鬼谷子》中有“鄭子取玉，必載司南，為其不惑也”的記載。稍後的《韓非子》中有“故先王立司南，以端朝夕”的記載。東漢王充在《論衡》中記有“司南之杓（勺子），投之於地（中央光滑的地盤），其柢（勺的長柄）指南”。不言而喻，司南的指向性較差。北宋時曾公亮與丁度（990～1053）編撰的《武經總要》（1044年）在前集卷十五北宋曾公亮主編的《武經總要》中記載的指南魚就是如此。其法是把薄鐵片剪成魚形，燒紅后把尾部蘸入水中，使魚尾指向正北方位，並且稍微向下傾斜，然後取出，魚形薄鐵片就被磁化，讓它浮在水面，就成為可以指向的指南魚。

這種利用地磁場進行磁化的方法，是一個非常了不起的發現和發明，包含有豐富的科學道理。近代科學表明，磁鐵的磁性是由磁疇的規則排列形成的，非磁鐵由於磁疇排列雜亂無章而不具磁性。魚形薄鐵片燒紅以後，內部磁疇活動加劇，沿南北方向放置，可以在強大的地磁場作用下，使磁疇順著地磁場的方向排列。蘸入水中，則可以使磁疇的規則排列比較快地固定下來。至於魚尾稍微向下傾斜，是由於地球磁場的磁傾角作用，可以增大磁化的程度，這也反映了當時中國已經發現了地球的磁傾角。歐洲人用同樣的方法進行人工磁化，比中國晚了四百多年，磁偏角的發現是哥倫布在航海探險中於1492年發現的，而磁傾角的發現則還要更晚一些時候。

我國古籍中，關於指南針的最早記載，主要的有如下幾條：

《塋原總錄》卷一說：客主的取，宜匡四正以無差，當取丙午針。於其正處，中而格之，取方直之正也。

意思是說，要定東西南北四正的方向，必須取丙午向的針，然後在丙、午的位置，“中而格之”，找出正南的方向。亦即讓針指丙午中間的方向，則午向就是正南方向。《塋原總錄》是一部相墓書，撰於宋仁宗慶曆元年（1041年）。作者楊維德是當時的天文學家、星占學家和堪輿學家，大中祥符三年（1010年）左右任司天監保章正，專司占候變異。這條記載中所說的針，雖沒有明確指出是什麼針，但從字裡行間可以斷定是磁針無疑，說明當時已把磁針與羅經盤配套，作為定向的儀器，並且已發現了地球的磁偏角，定為正南偏東7.5度。

《夢溪筆談》卷二十四說：方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也。水浮多盪搖，指爪及碗唇上皆可為之，運轉尤速，但堅滑易墜，不若縷懸為最善。其法取新纊中獨繭縷，以芥子許蠟，綴於針腰，無風處懸之，則針常指南。其中有磨而指北者。予家指南、北者皆有之。

《夢溪筆談》是北宋沈括所著，撰於公元1088—1095年間。這條記載明確指出指南針是方家（堪輿家）首先發明和使用的，用的是“磁石磨針鋒”的人工磁化方法製成，並且記述了水浮、置指甲上、置碗唇上和懸絲等四種指南針的裝置方法，以及各種方法的長處和缺陷，使人們對當時的指南針有較清晰的認識。文中所說的指南針“常微偏東”，說明沈括也已注意到磁偏角。

從上述材料中，我們可以看到，指南針在十一世紀時已是常用的定向儀器，有多種裝置方法，並已由指南針發現了地球的磁偏角，從而也表明指南針至少已經行用了一段時期。由此可以推斷，指南針至遲發明於十一世紀初期。如果把指南針的發明時代上溯到十世紀時的唐末或五代，也是不無根據的。如王伋（王趙卿，約十世紀末）曾留有“虛危之間針路明”的詩句；(10)佚名的《九天玄女青囊海角經》（約900年）中說：“今之象占，以正針天盤，格龍以縫針地盤”(11)等。這裡所說的“針路”、“正針”、“縫針”等，極可能就是用指南針與羅經盤配套定向的術語。

南宋時，陳元靚在《事林廣記》中記述了將指南龜支在釘尖上。由水浮改為支撐，對於指南儀器這是在結構上的一次較大改進，為將指南針用於航海提供了方便條件。

指南針用於航海的記錄，最早見於宋代朱彧（yù）的《萍洲可談》：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針”。以後，關於指南針的記載極豐。到了明代，遂有鄭和下西洋，遠洋航行到非洲東海岸之壯舉。西方“關於指南針航海的記載，是在1207年英國納肯（A.Neckam，1157～1217）的《論器具》中。

法國物理學家庫侖(Coulomb)於1785年確立了靜電荷間相互作用力的規律——庫侖定律之後，又對磁極進行了類似的實驗后證明：同樣的定律也適用於磁極之間的相互作用。這就是經典磁學理論。

在磁場的經典理論中，一個最基本的公式就是一個單獨的沒有任何尺寸大小的磁極在磁場中所受到的作用力的公式。但是和電場理論中的電荷的概念不一樣，電場中的獨立的正負電荷可以單獨存在，而單獨的正負磁極實際上是不存在的，磁極從來都是成對出現的。正負磁極一般稱為磁北極和磁南極。為了避免這種理論上的困難，經典磁場理論認為一個非常細長的磁鐵中的一個磁極則可以被近似地看著是一個單獨的磁極。根據這樣一個假設，從而可以得出一個單獨的磁極在磁場中所受到的力和磁極本身的強度成正比，和磁極所在地點的磁場強度成正比的關係式。

經典磁場理論中，絕大多數的公式都是正確的，並且也一直沿用至今，但是在整個理論中最根本的問題是它採用了一個實際上並不存在的所謂單獨的磁極的假設。這就是經典磁學理論中的所謂庫倫方法的一個致命弱點。

丹麥物理學家奧斯特在1820年發現，一條通過電流的導線會使其近處靜懸著的磁針偏轉，顯示出電流在其周圍的空間產生了磁場，這是證明電和磁現象密切結合的第一個實驗結果。緊接著，法國物理學家安培等的實驗和理論分析，闡明了載著電流的線圈所產生的磁場，以及電流線圈間相互作用著的磁力。通過應用電流元產生磁場的方法，磁場理論中的很多概念和電場理論中的很多概念十分相近。

安培同時提出，鐵之所以顯現強磁性是因為組成鐵塊的分子內存在著永恆的電流環，這種電流沒有像導體中電流所受到的那種阻力，並且電流環可因外來磁場的作用而自由地改變方向。這種電流在後來的文獻中被稱為“安培電流”或分子電流。

在電場和磁場的理論中，洛倫茲(Lorentz)公式具有非常重要的意義，這個公式給出了一個運動中的電荷在電場和磁場中所受到的力的大小和方向。

磁場和電場有很多的相似點，但是它們有著根本的差別。

現代磁學理論中的主要概念包括：磁場強度，磁感應強度，磁通量，磁化強度，磁矩，磁化率係數，磁勢，磁阻，磁導等等。

除了古時已知道的磁鐵礦和鐵外，人們在兩千多年中還沒有發現其他具有強磁性的物質。發現鈷(1733)和鎳(1754)后不久就知道它們也像鐵那樣具有強磁性。至於一般的物質在較強磁場作用下能否多少表現一點磁性，則直到法拉第在老年時期才有系統的觀察。英國工程師斯特金於1824年創製了電磁體，故那時實驗室可有較強的磁場設備，但法拉第在需要高度穩定的磁場時仍用了大的永磁體。

法拉第測量了樣品在不均勻磁場中被磁化時所受到的力，這個方法後來有了不少改進，至今仍廣泛用於觀測弱磁物質的磁化率，也用於觀測鐵等強磁物質的飽和磁化強度。

法拉第發現，一般的物質在較強磁場作用下都顯示一定程度的磁性，只是除了極少數像鐵那樣的強磁性物質外，一般物質的磁化率的絕對值都是很小的。它們又可分為兩類：一類物質的磁化率是負的，稱之為抗磁性物質。這些物質在磁場中獲得的磁矩方向與磁場方向相反，故在不均勻磁場中被推向磁場減弱的方向，即被磁場排斥；另一類物質的磁化率是正的，在不均勻磁場中被推向磁場增強的方向，即被磁場吸引，法拉第稱它們為順磁性物質。像鐵那樣強的磁性顯然是特殊的，應另屬一類，後來稱為鐵磁性。這樣，在法拉第以後的近百年中，物質的磁性分三大類。

1895年，法國物理學家居里發表了他對三類物質的磁性的大量實驗結果，他認為：抗磁體的磁化率不依賴於磁場強度且一般不依賴於溫度；順磁體的磁化率不依賴於磁場強度而與絕對溫度成反比(這被稱為居里定律)；鐵在某一溫度(后被稱為居里點)以上失去其強磁性。

19世紀30年代初，法國物理學家奈耳從理論上預言了反鐵磁性，並在若干化合物的宏觀磁性方面獲得了實驗證據。1948年他又對若干鐵和其他金屬的混合氧化物的磁性與鐵磁性的區別作了詳細的闡釋，並稱這類磁性為亞鐵磁性。於是就有了五大類磁性。從20世紀末至今又有些學者提出了幾種磁性的新名稱，但這些都屬於鐵磁性的分支。

法國物理學家朗之萬於1905年提出了抗磁性和順磁性的經典理論，但十多年後范列文證明，朗之萬理論中的某些假設不合於經典統計力學原理，及至原子結構的量子論模型興起后，朗氏的假設又成為可允許的。今天對這兩種磁化率的粗淺理論公式已經過量子力學的改正，但還保留著朗之萬理論的基本形式。

一個永磁體與另一個永磁體能夠不接觸而互相施加力，人們曾經稱這樣的現象為超距作用。近代的物理學家為了解釋電荷之間的和永磁體之間的相互作用力引入了“場”的概念：在一個永磁體周圍的空間中存在著一個磁場，使處於這空間中任何位置的另一個永磁體受到磁場所施加力的作用，同時第二個永磁體所產生的磁場也對第一個永磁體施加著反作用力。因為力是矢量，所以磁場是矢量場。許多實驗事實都證明，磁場是真實的存在。

一塊鐵被一個永磁體吸一段時間以後，就被永磁體附近的較強的磁場所“磁化”，也成為一個永磁體了，有時也稱磁化一個物體的作用力為“磁化力”。一般的鐵塊在從磁場較強的地方移到磁場很弱的地方就失掉其磁化了的狀態稱為“去磁”或“退磁”。容易磁化、也容易去磁的材料通稱為軟磁材料，成分近於純鐵的低碳鋼就是一個例子；難於磁化、也不易去磁的材料通稱為硬磁或永磁體材料，淬火了的、含碳和錳各約1%的鐵就是最低級的硬磁材料。兩個永磁體之間的相互作用也就是它們的磁極之間通過磁場的相互作用。

每一個永磁體都有兩個性質不同的磁極，通常利用永磁體能指示南北方向，稱指北的一極為N極，指南的一極為S極；同名極相斥，異名極相吸。

歷史上曾把永磁體與帶電物體相類比而設想磁極是由“磁荷”的分佈形成的。不過，這完全是一種類比，實質上磁荷並不存在，而是作為一個等效物而引入的。磁極總是以異名的一對出現在同一磁體上，兩個極從來不能分離而獨立存在。把一條永磁棍截成兩段，就會得到兩個短一些的永磁棍，各段新形成的一端上出現一個與該段原有磁極異名的新磁極。

細而長的永磁棍的磁極與粗而短的永磁棍的相比，細永磁棍的磁場較為集中在棍端很小的區域內。對於距一個極足夠遠的點，該極近似於一個“點磁荷”。如果磁棍很長，兩個極相距很遠，則與被觀察著的極比較，另一極所貢獻的磁場可以被視為一小修正項。因此，用細長的永磁棍作樣品，就可以對不同磁棍上的兩個極的相互作用力進行精密的定量觀測。

用細絲懸著的小永磁棍實質上是一個指南針。在四周沒有磁性物體和電流的影響時，指南針的靜止方位接近平行地理子午線，故有“指南”之稱。地球兩個磁極的中心各位於地理的南、北兩極的附近。在靜止位置，指南針北端的磁極稱為“指北極”，簡稱“北極”，南端的為“指南極”，簡稱“南極”。按這定名法，在地理北極附近的地磁極是磁南極，而在地理南極附近的地磁極是磁北極。

磁針可以用於測定磁通量密度。在一磁場中，磁針在其平衡方向左右的小幅擺動(振蕩)的周期是與磁通量的二次方根成反比的，故比較磁針分別在兩個磁場中振蕩的周期或頻率即可求得兩磁通量值之比。如磁針的磁矩和轉動慣量是已知的，則可以一次測定磁通量的絕對值。

抗磁性的基本來源是電磁感應。電磁感應是法拉第的重大發現：圍繞著隨時間變化著的磁通量，有感應電動勢(或即電場)產生，故能在導線電路中產生電流或在大塊導體中產生渦流。這裡感應電流所產生的磁場對感應起它們的磁場變化起著反抗作用，這就是楞次定律。

尋常導體中因有電阻，在穩恆磁場的建立過程中感應產生的電流很快被消耗掉，它們只有在瞬時，電磁感應對原子或分子內運動著的電子也有類似的作用。可見，一切物質都有一定的抗磁性，只因它很微弱，易被其他磁性所掩蔽。

顯示抗磁性的物質的原子、離子或分子中的電子在基態都是成對的配合了的，它們的自旋磁矩和軌道磁矩各互相抵消。

超導電性材料在外磁場中被冷至其臨界溫度以下時，體內即產生電流，把體內磁通量全部排至體外，這就是邁斯納效應。所以超導體也被稱為完全的抗磁體。

順磁性可粗分為強、弱和很弱三種，三者各有不同的來源。過渡金屬，即周期表中鐵、鈀、稀土鉑、鈾等元素的化合物(主要是鹽類)的晶體或溶液大多表現強順磁性，其明顯的特點是磁化率較強地依賴於溫度。

鐵磁性物質的最明顯的特點是易於磁化，它的磁化率比強順磁物質要高几個數量級，並隨磁場強度而變。磁化強度有飽和現象，即在一定溫度下達到某強度時有不再隨磁場的增強而增的趨勢。

鐵磁材料在不很強的磁場範圍的磁性觀測一般不用法拉第、居里等方法而用感應法。現代化的振動樣品磁強計等在原理上也屬於感應法。

溫度對鐵磁性的影響很大。鐵的強磁性隨溫度上升而減弱，這一轉變溫度時消失。這轉變溫度後來被稱為居里溫度或居里點。純鐵的居里點為1043K。