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探讨磁性

磁是哪里来的？

2018/04/05   维加斯新闻报
晏成和

    磁性是自然界最奇特的物质特性，展现了大自然的神奇魅力，令人兴奋、令人痴迷。磁性材料俗名叫做吸铁石，其最明显的特征是能够吸引钢铁等二价可磁化物质；有N、S极的磁极、悬浮的小磁鍼能够明确的指向地球的南极。好多青少年都是在小小的磁铁的吸引下，走进了科学殿堂。

    磁性材料一般是由二价的铁、钴、镍等过度金属元素及其合金构成，二价金属材料能够被磁化，能够产生磁性。

    磁性是怎样形成的？这是一个困扰人类千年的问题。50年前，解释磁性用的是磁畴理论；近代物理磁学认为，磁性是来自于物质内电子的自旋磁矩。电子自旋，已经是微观中的微观；磁畴则是几百个大分子的集合体。两个理论的磁载体尺度相差了百万倍，中间跨越了核外电子运动的巨大空间。

    百年来，因为电子云理论、量子理论的禁锢，占原子体积99.99%的核外电子运动区域成为科研禁地，不准研讨电子运动的线路、速率，磁学研究当然也惟命是从，于是就不谈电子运动，回避实验事实。绕开了自然真实，就只能与荒唐、虚假为伴，也就造成了磁学理论奇怪的巨大跨度。

    宏观的磁性，透露了物质微观世界的秘密，为了对磁性有更深入的了解，我们继续观摩物理玩家的几个有趣的磁性实验，看一看常规物质在强磁场中发生的奇妙的特性（图一）。

    左手拿的是一个纯铜的圆筒，右手拿的强磁性的圆柱体磁铁。把这个磁铁圆柱体投入圆筒中，让它自由落体运动。你会发现，磁铁降落缓慢，在圆筒内受到较大的阻尼。这个实验材料也可以反过来：用强磁性的磁铁制成圆筒、拿一个纯铜的小圆柱体，效果是一样的。

    世界物理玩家安德列•盖姆（AndreGeim）曾经玩过几个著名的磁性实验，代表作就是那个“飞翔的青蛙”实验。（安德列•盖姆的玩实验的视频，我见过几次，没有收藏，哪位大侠有、请提供，甚谢！）

    安德列•盖姆的玩具很简单，就是一个磁力超强的圆筒，然后把青蛙、水、纯铜分别通过强磁性圆筒，这些物质的下降速度都变得缓慢，青蛙甚至像是能够悬浮在圆筒之中，似乎地球的引力消失。现代物理学没能解读在强磁性圆筒中这些物质的下降速度变得缓慢的原理，只是用了个新名词“反磁性”，却不能说明其来历和原因。

    以上物理玩家的玩意中，首先有磁力超强的圆筒，然后是没有磁性的青蛙、纯铜等等各种物质。要解读铜、青蛙等物质在磁场中特异的现象，先必须了解：1、磁性的来历，2、物质的构成。

    在古代人们只知道磁性来自磁铁，直到人们发现了直流电。在1820年，奥斯特发现了直流电对导线外小磁鍼的作用，近200年来，这个实验一直占据着我们的物理课堂，这是个几十亿人见证的实验。

    该实验显示：直流电导通，导线附近的小磁鍼立即偏转，电流与磁鍼方向密切相关，人人都知道实验结论：电流（电子的直流）会在导线的周围产生磁场（见图二）。

    这个实验明白无误地告诉我们，电子的运动伴生著磁场，大自然的磁性来自电子的运动。实验中电子的流动、磁性呈现显然与磁畴无关，磁畴理论早该寿终正寝。直流电是电子的流动，直观地呈现磁场。

    同时，运用直流电通过线圈，可以制成有较强磁力的电磁铁。医院里的核磁共振，也是在强大电流作用下形成的强磁场。

    近代物理面对如此明显的事实还要回避电子的运动、搞出个电子自旋理论，可见现代物理人被洗脑、受束缚之深。放弃眼前的实在，在虚幻、臆想的自旋中寻找磁性是缘木求鱼、庸人自扰。

    实验中，导线内的电子运动伴生磁场，那原子的核外电子也在高速运转，电子的核外运转会不会产生磁场？回答是肯定的。

    到此，有人会问：100多种元素都有核外电子运转，那么所有的元素就应该都有磁场，（这个推论是正确的！）为什么我们只是见到铁、钴、镍等材料具有磁性，所有的元素都有的磁场在哪里，你见过吗？问得好！这正是当代磁学研究者的困惑，也是我们必须面对的问题。

    为此，我们有必要来看看物质是怎样构成的。
    我在物质的构成《化学键一个世纪的迷茫（二）》晶体形成的物理原因谈到：质子的引力也吸引相邻原子不稳定的外层电子，形成结构元。原子有几个价电子，就能够构建几个结构元。因此4-7价的每个原子周围都环绕同价数的结构元，由此构建了价和晶体（共价键）结构（图三左）。电子的运转确实是伴生著磁性，但是价和电子所处的方位各异，运转伴生的磁场方向紊乱，所以价和晶体不能显示宏观磁性。


    金属体只有1-3个价电子，只能形成1-2个结构元，（3价金属只有1个结构元，另题讨论）如何构建晶体？正好是由于结构元的价和电子运转所伴生著N、S磁场，磁场力将结构元相互吸引，靠电磁力维系构成了金属体的结构，如图三右。在强力作用下结构元可以移位元，移动后电磁力可以重新吸引结合。由此也就构成了金属的塑性和延展性。电磁力能够使不同的金属的结构元相互吸引，于是能够构成合金。

    金属材料是由电磁力、由无数个结构元吸引而成。在宏观，金属材料的力学性能一般都是各向同性，表明这些结构元各向均布，即金属内电磁力各个方向都有，所以不能显示宏观磁性。那么，磁性材料的明显的宏观的磁性是哪里来的？

    大自然有100多种元素，能够被磁化、能够显示磁性的只有铁、钴、镍及几种稀土。这些材料的共同特征都是二价过度元素，这是大自然向我们提供的内部资料，蕴含产生磁性的内因，是磁性材料的身份证，也是科学探案的关键线索。可气的是牛掰的磁学研究者连线索都不要，只字不提这“二价”，完全不理会这个二价——二个价电子的关键作用。而是盲人瞎马，胡冲乱撞、胡编乱造，其“理论”肯定是离题万里、那些复杂的数学计算也只是自欺欺人。

    那么，这些二价材料的磁性是怎么来的？其中有什么物理原因。

    “二价”告诉我们，原子有两个价电子，这是产生磁性的必要条件；过度元素告诉我们，次外层的电子组合是产生磁性的充分条件。

    两个价电子能够构成两个或多个连环的结构元(图四)。其中的一个结构元必须与另一连环的某结构元相互平行，如图四左、右图的两个A结构元移动到近距离，价和电子运转所产生的磁力已经构成了金属的晶体结构。而连环中另一结构元B在构成晶体结构中不起什么作用，尾随在A的一边，可以随外（磁场）力摆动。

    本来连环中的所有结构元完全一样，只是所处的位置不同，我们把形成结构的A叫做主结构元（简称：主结），把可以摆动的B叫做尾结构元（简称：尾结）。一般主结各向均布、构成金属晶体；尾结方向随机，这时的二价金属不显磁性。

    当这样的二价金属在受到外磁场的作用时，其部分可以摆动的尾结顺应外磁场、把自身摆动调整到与外磁场力相适应的方向，形成平行同向的价和电子运转，构成同向的价磁力。于是这样的二价金属能够被外磁场吸引；当外磁场撤去以后，这些尾结的价和电子保持其运动惯性和方位，构成了物体的磁性，也就是该二价金属材料被磁化。也就是尾结方位的调整使物体产生了磁性。
    用二价材料的尾结随外磁场运动，还可以解读了一些磁学的专属特性：

    因为可以摆动的尾结全部都顺应外磁场、把自身摆动调整到与外磁场力相适应的某一个方向，形成了磁性物体其他方向特性与磁场方向的特性不同，形成了磁体的磁性各向异性。

    金属材料在强力作用下结构元可以移位元，移动后电磁力可以重新吸引结合。由此也就构成了金属的塑性和延展性。电磁力能够使不同的金属的结构元相互吸引，于是才能够构成合金。
    （物理学至今尚不能解读金属的延展性）
    液态物质于是由结构元组成，不过其结构不像价和晶体那样稳固；也不像金属晶体有稳定的电磁力，而是结构元成链、成环，时合、时分，内聚力很小。
    （关于液态物质的性质和相变，请看拙博《物质的相变》[5]）

    不管物质是固态、液态或气态，结构元都有一个共同的特性——维护自身的结构。当物质受到外界的物理（力、热、光、电、磁）侵扰时，总是调动自身能力抵御。受到力、热，则共用价电子加快速率；遇到光、电、磁则调整用价电子的运转方位以利于与外界侵扰抗衡。

    到此，我们可以回到图一，当把这个强磁铁投入纯铜的圆筒中，强磁力影响到纯铜结构元电的磁力，纯铜结构元的电子调整方位，抵御外磁场的侵扰，这就形成了抵御磁场的阻力，大量阻力的集合，强磁铁的自由落体速度缓慢。

    再来看看安德列•盖姆的青蛙。当青蛙通过强磁性圆筒，青蛙的细胞组织-碳氢化合物和液态物质构成的结构元受到外部强磁场的侵扰，于是所有结构元的电子调整方位，抵御磁场侵扰，这就形成了抵御外磁场的阻力，大量阻力的集合，让强青蛙的自由落体的速度缓慢，又因为青蛙自身品质不大，而表面积相对很大，抵御磁场的阻力更大，因此自由落体的速度更加缓慢，近乎于悬浮在圆筒之中。

    物质在强磁场中自由落体的速度缓慢，不是因为自旋是几分之几，而是因为物质的结构元受到外部强磁场的侵扰时，所有结构元的价电子易于调整方位，抵御磁场侵扰，这就形成了抵御外磁场的阻力。所以物质的结构元的位置相对灵活、价和电子调整比较容易的液体、生物体、金属在强磁场中自由落体的速度缓慢。

    而价和晶体的结构元位置固定且相互牵制，受到外部强磁场的侵扰，结构元的价电子难以调整方位。所以难以形成抵御外磁场的阻力（下落较快）。

    我们可以借用安德列•盖姆的强磁性圆筒做实验。让冻硬的冰块和相同品质的水分别自由落体通过磁圆筒，你会发现，冰块下落较快、水下落相对较慢。原因是冰的结构元位置固定且相互牵制。

    核磁共振是利用身体中的固体、液体和软组织在强磁场中结构元的调整方位各异，于是分别显示了各自的介面和形状。

    当外界温度升高，价和电子速率加快、线路变化。价和电子线路晃动导致伴生的磁力晃动，物体的磁性就减弱。当温度升高到居里点时（铁770℃）。原先平行同向的价和电子脱离平面线路，使得价磁力方向紊乱，磁性材料的磁性也就消失。温度降低了，磁性显然不可能恢复。


    磁性材料按磁化后能够保留的磁性叫做剩磁，例如纯的铁，硬度不大，价和电子速率不是很高，尾结活动比较自由，遇到外磁场能够迅速地摆动位置、价和电子调整方向，比较容易被磁化；外磁场撤离后，自由的尾结大部分迅速地恢复到之前的任意方位、方向，材料的磁性所剩无几，这样剩磁较小的材料叫做软磁性材料。

    因为软磁性材料的磁性来得快、去得快，在外磁场作用下尾结可以发生摆动，摆动可以改变磁性材料某方向的尺寸，这就导致了磁体的磁致伸缩。若外磁场力反复施加就形成了磁弹性。

    磁化后不容易去磁的物质叫硬磁性材料。例如：钢，钢是铁和碳组成的合金，随着铁中含碳量的增减，其机械性能亦发生明显的变化。这是因碳原子直径较小，电子速率很高，高速价和运转时，伴生著较大的价磁力，又因碳原子有４个价电子，淬火时价和运转时形成许多铁——碳结构元，导致钢中的结构元增加；价电子速率增加。铁元素的尾结虽然存在，但是在多结构元、高速率电子及其场的环境之中。

    遇到外磁场，处在内在强场的尾结不能够轻易摆动、价和电子也不易调整方向，材料难以被磁化。这样的钢材叫做硬磁性材料——难以磁化怎么还叫硬磁性材料？是因为磁化后不容易去磁，在材料凝固之时、内强场尚未建立，让其在强磁场之中，尾结此时可以摆动位置、价和电子调整方向，材料被磁化。温度降低，各个结构元位置固定，内在强场形成，尾结的方位固定，外磁场撤离后，尾结电子保持运转，磁性就“剩”在了物体内，形成了硬磁性材料。

    现代制作的稀土永磁合金，磁性已有极大的提高，其原理与钢材磁性相似。
除了磁性材料，地球能够产生自己的磁场，说明地球上有富余的游离态的电子，电子附在地球，与地球一起旋转于是就造就了地球的磁性——南北极。
                 2018/3/30