磁铁原理是什么（磁铁的物理原理）

生活中，磁铁一定是大家所熟知的一个东西，她具有磁性，在各种各样的领域发挥着自己的作用。不过观众老爷们有没有想过：磁铁为什么具有磁性？

图1 磁铁的磁力线

通常来说，铁等物质中有自由电子，这些自由电子在外界没有电压作用下，会自由自在地跑来跑去，使原子间能够传递作用力，这样经过一段时间的累计，部分区域内的每个原子都会被自己的同胞所“同化”——他们的朝向会变得一致，每个原子微观的小磁场拼一起就是宏观的大磁场，这样一来，物质就获得了磁性。

图2 大磁铁内部每个小区域的磁性，此时可以称之为“磁畴”

为什么每个原子都有一个小磁场呢？这件事就是大名鼎鼎的“原子磁矩”概念，由H.S.Allen在1915年提出。他认为：每个原子内部的质子与电子都是带电的，这些带电的无物质转动起来就相当于一个线圈，使原子产生一个磁场，而转动的原子核产生的磁场太弱，无法与电子产生的磁场抗衡，原子就形成了单向的磁矩。

图3 卢瑟福原子模型：原子核是原子中心处质量集中的区域，电子围绕着原子核转

可惜，虽然这种说法听着挺有道理，但受限于时代，这个理论是基于卢瑟福的原子模型。卢瑟福的原子模型有个致命的缺点：原子里的电子会在库仑力的作用下绕核运动，但是一个受变力的电子会发射电磁波，会损失自身的能量，动能降低、势能补上，就会离原子核越来越近，最终不可避免的撞上原子核。而事实是，电子的轨道非常的稳定。于是，各路大神纷纷给出自己的解释，比如量子力学的三大领军人之一——玻尔这位顶级大佬，他也曾提出过一个理论。不过目前没有“bug”、最为完备的理论还要等到薛定谔的波动力学大厦拔地而起的那年才初露锋芒。

图4 薛定谔讲演录 北大出版社出版

薛定谔认为：根据德布罗意的“物质=波”理论，电子也可以当作一个波包来处理。电子会根据一定概率随机出现在轨道附近，这个概率会满足一个函数，我们可以叫她“波函数”，而若是把电子随机出现的位置标记下来（显然这是不可能的），那么那些点会表现的像一朵环绕在原子核周围的云，这也被称为“电子云”。

图5 电子云大致形状

薛定谔根据他的波动理论对那些“bug”进行处理：1.电子之所以会老老实实地待在轨道上，是因为如果轨道的长度除以电子的波长是个整数，电子的波函数可以“首尾相接”，那么电子处于稳态，若不是整数，就会随时损失能量而趋于稳态，也就是往轨道上聚。2.电子会随机出现在原子核的周围，并不是单纯地围绕着原子核做类似行星绕恒星的运动，这样电子就不用担心随随便便损失能量而跌入原子核了。

可能细心的读者已经发现了：按你这么说，那些bug固然解决了，原子的磁矩又该从哪来呢？不用担心，现代的物理理论找到了电子这种基本粒子的一个新的特性：自旋。

图6 电子的自旋磁矩

我们原子的磁矩，其实就是各个电子“自旋”产生的“自旋磁矩”。顾名思义，自旋就是自己搁那转，一个带电物体自己搁那转，就会产生磁场，那便是电子的“自旋磁矩”。

“自旋”是电子的一个独立的数据，这种数据被科学家叫做“自由度”，跟电荷对于电子的地位是一样的，是电子的一个性质。换而言之，没有这种性质反而不是我们口中的电子。这种性质意味着某种“转动不变性”，也对应着“粒子在交换下保持不变”这种特点。不仅仅是电子，大多数基本粒子都有自旋，有能力的读者可以自行了解，这里就不再赘述。

图7 两个粒子在2π的角度变化下保持不变

至此，有些读者可能都会表示很不满：自旋的本质是什么呢？一个粒子怎么会平白无故地转起圈呢？甚至怀疑自旋是否存在，是否只是为了解释现实世界强行杜撰出来的一个概念。对此，正如前文电荷的概念一般，当我们设立了“自旋”这么一个性质之后，物质运动的一切规律仿佛变得清晰了起来。包含自旋的公式在有条不紊的运行着，诠释着这个世界中旧观念所不能诠释的问题，这种新秩序是如此的美妙、自洽，以至于我们完全可以认为这是一个真实存在的东西。我们为什么要退而求其次地抛掉这个概念呢？狄拉克作为通过狄拉克方程清晰地指出为什么电子自旋为1/2的人，他最有权力回答上面的问题：“这么漂亮的东西不可能是错的。”

怎么样？各位看到这里，想必都理解了为什么磁铁会有磁性了吧。看懂的就给编者点一个免费的赞吧~