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探討磁性

磁是哪裡來的？

2018/04/05   維加斯新聞報
晏成和

    磁性是自然界最奇特的物質特性，展現了大自然的神奇魅力，令人興奮、令人癡迷。磁性材料俗名叫做吸鐵石，其最明顯的特徵是能夠吸引鋼鐵等二價可磁化物質；有N、S極的磁極、懸浮的小磁鍼能夠明確的指向地球的南極。好多青少年都是在小小的磁鐵的吸引下，走進了科學殿堂。

    磁性材料一般是由二價的鐵、鈷、鎳等過度金屬元素及其合金構成，二價金屬材料能夠被磁化，能夠產生磁性。

    磁性是怎樣形成的？這是一個困擾人類千年的問題。50年前，解釋磁性用的是磁疇理論；近代物理磁學認為，磁性是來自於物質內電子的自旋磁矩。電子自旋，已經是微觀中的微觀；磁疇則是幾百個大分子的集合體。兩個理論的磁載體尺度相差了百萬倍，中間跨越了核外電子運動的巨大空間。

    百年來，因為電子雲理論、量子理論的禁錮，占原子體積99.99%的核外電子運動區域成為科研禁地，不准研討電子運動的線路、速率，磁學研究當然也惟命是從，於是就不談電子運動，回避實驗事實。繞開了自然真實，就只能與荒唐、虛假為伴，也就造成了磁學理論奇怪的巨大跨度。

    宏觀的磁性，透露了物質微觀世界的秘密，為了對磁性有更深入的瞭解，我們繼續觀摩物理玩家的幾個有趣的磁性實驗，看一看常規物質在強磁場中發生的奇妙的特性（圖一）。

    左手拿的是一個純銅的圓筒，右手拿的強磁性的圓柱體磁鐵。把這個磁鐵圓柱體投入圓筒中，讓它自由落體運動。你會發現，磁鐵降落緩慢，在圓筒內受到較大的阻尼。這個實驗材料也可以反過來：用強磁性的磁鐵製成圓筒、拿一個純銅的小圓柱體，效果是一樣的。

    世界物理玩家安德列•蓋姆（AndreGeim）曾經玩過幾個著名的磁性實驗，代表作就是那個“飛翔的青蛙”實驗。（安德列•蓋姆的玩實驗的視頻，我見過幾次，沒有收藏，哪位大俠有、請提供，甚謝！）

    安德列•蓋姆的玩具很簡單，就是一個磁力超強的圓筒，然後把青蛙、水、純銅分別通過強磁性圓筒，這些物質的下降速度都變得緩慢，青蛙甚至像是能夠懸浮在圓筒之中，似乎地球的引力消失。現代物理學沒能解讀在強磁性圓筒中這些物質的下降速度變得緩慢的原理，只是用了個新名詞“反磁性”，卻不能說明其來歷和原因。

    以上物理玩家的玩意中，首先有磁力超強的圓筒，然後是沒有磁性的青蛙、純銅等等各種物質。要解讀銅、青蛙等物質在磁場中特異的現象，先必須瞭解：1、磁性的來歷，2、物質的構成。

    在古代人們只知道磁性來自磁鐵，直到人們發現了直流電。在1820年，奧斯特發現了直流電對導線外小磁鍼的作用，近200年來，這個實驗一直佔據著我們的物理課堂，這是個幾十億人見證的實驗。

    該實驗顯示：直流電導通，導線附近的小磁鍼立即偏轉，電流與磁鍼方向密切相關，人人都知道實驗結論：電流（電子的直流）會在導線的周圍產生磁場（見圖二）。

    這個實驗明白無誤地告訴我們，電子的運動伴生著磁場，大自然的磁性來自電子的運動。實驗中電子的流動、磁性呈現顯然與磁疇無關，磁疇理論早該壽終正寢。直流電是電子的流動，直觀地呈現磁場。

    同時，運用直流電通過線圈，可以製成有較強磁力的電磁鐵。醫院裡的核磁共振，也是在強大電流作用下形成的強磁場。

    近代物理面對如此明顯的事實還要回避電子的運動、搞出個電子自旋理論，可見現代物理人被洗腦、受束縛之深。放棄眼前的實在，在虛幻、臆想的自旋中尋找磁性是緣木求魚、庸人自擾。

    實驗中，導線內的電子運動伴生磁場，那原子的核外電子也在高速運轉，電子的核外運轉會不會產生磁場？回答是肯定的。

    到此，有人會問：100多種元素都有核外電子運轉，那麼所有的元素就應該都有磁場，（這個推論是正確的！）為什麼我們只是見到鐵、鈷、鎳等材料具有磁性，所有的元素都有的磁場在哪裡，你見過嗎？問得好！這正是當代磁學研究者的困惑，也是我們必須面對的問題。

    為此，我們有必要來看看物質是怎樣構成的。
    我在物質的構成《化學鍵一個世紀的迷茫（二）》晶體形成的物理原因談到：質子的引力也吸引相鄰原子不穩定的外層電子，形成結構元。原子有幾個價電子，就能夠構建幾個結構元。因此4-7價的每個原子周圍都環繞同價數的結構元，由此構建了價和晶體（共價鍵）結構（圖三左）。電子的運轉確實是伴生著磁性，但是價和電子所處的方位各異，運轉伴生的磁場方向紊亂，所以價和晶體不能顯示宏觀磁性。


    金屬體只有1-3個價電子，只能形成1-2個結構元，（3價金屬只有1個結構元，另題討論）如何構建晶體？正好是由於結構元的價和電子運轉所伴生著N、S磁場，磁場力將結構元相互吸引，靠電磁力維繫構成了金屬體的結構，如圖三右。在強力作用下結構元可以移位元，移動後電磁力可以重新吸引結合。由此也就構成了金屬的塑性和延展性。電磁力能夠使不同的金屬的結構元相互吸引，於是能夠構成合金。

    金屬材料是由電磁力、由無數個結構元吸引而成。在宏觀，金屬材料的力學性能一般都是各向同性，表明這些結構元各向均布，即金屬內電磁力各個方向都有，所以不能顯示宏觀磁性。那麼，磁性材料的明顯的宏觀的磁性是哪裡來的？

    大自然有100多種元素，能夠被磁化、能夠顯示磁性的只有鐵、鈷、鎳及幾種稀土。這些材料的共同特徵都是二價過度元素，這是大自然向我們提供的內部資料，蘊含產生磁性的內因，是磁性材料的身份證，也是科學探案的關鍵線索。可氣的是牛掰的磁學研究者連線索都不要，隻字不提這“二價”，完全不理會這個二價——二個價電子的關鍵作用。而是盲人瞎馬，胡沖亂撞、胡編亂造，其“理論”肯定是離題萬里、那些複雜的數學計算也只是自欺欺人。

    那麼，這些二價材料的磁性是怎麼來的？其中有什麼物理原因。

    “二價”告訴我們，原子有兩個價電子，這是產生磁性的必要條件；過度元素告訴我們，次外層的電子組合是產生磁性的充分條件。

    兩個價電子能夠構成兩個或多個連環的結構元(圖四)。其中的一個結構元必須與另一連環的某結構元相互平行，如圖四左、右圖的兩個A結構元移動到近距離，價和電子運轉所產生的磁力已經構成了金屬的晶體結構。而連環中另一結構元B在構成晶體結構中不起什麼作用，尾隨在A的一邊，可以隨外（磁場）力擺動。

    本來連環中的所有結構元完全一樣，只是所處的位置不同，我們把形成結構的A叫做主結構元（簡稱：主結），把可以擺動的B叫做尾結構元（簡稱：尾結）。一般主結各向均布、構成金屬晶體；尾結方向隨機，這時的二價金屬不顯磁性。

    當這樣的二價金屬在受到外磁場的作用時，其部分可以擺動的尾結順應外磁場、把自身擺動調整到與外磁場力相適應的方向，形成平行同向的價和電子運轉，構成同向的價磁力。於是這樣的二價金屬能夠被外磁場吸引；當外磁場撤去以後，這些尾結的價和電子保持其運動慣性和方位，構成了物體的磁性，也就是該二價金屬材料被磁化。也就是尾結方位的調整使物體產生了磁性。
    用二價材料的尾結隨外磁場運動，還可以解讀了一些磁學的專屬特性：

    因為可以擺動的尾結全部都順應外磁場、把自身擺動調整到與外磁場力相適應的某一個方向，形成了磁性物體其他方向特性與磁場方向的特性不同，形成了磁體的磁性各向異性。

    金屬材料在強力作用下結構元可以移位元，移動後電磁力可以重新吸引結合。由此也就構成了金屬的塑性和延展性。電磁力能夠使不同的金屬的結構元相互吸引，於是才能夠構成合金。
    （物理學至今尚不能解讀金屬的延展性）
    液態物質於是由結構元組成，不過其結構不像價和晶體那樣穩固；也不像金屬晶體有穩定的電磁力，而是結構元成鏈、成環，時合、時分，內聚力很小。
    （關於液態物質的性質和相變，請看拙博《物質的相變》[5]）

    不管物質是固態、液態或氣態，結構元都有一個共同的特性——維護自身的結構。當物質受到外界的物理（力、熱、光、電、磁）侵擾時，總是調動自身能力抵禦。受到力、熱，則共用價電子加快速率；遇到光、電、磁則調整用價電子的運轉方位以利於與外界侵擾抗衡。

    到此，我們可以回到圖一，當把這個強磁鐵投入純銅的圓筒中，強磁力影響到純銅結構元電的磁力，純銅結構元的電子調整方位，抵禦外磁場的侵擾，這就形成了抵禦磁場的阻力，大量阻力的集合，強磁鐵的自由落體速度緩慢。

    再來看看安德列•蓋姆的青蛙。當青蛙通過強磁性圓筒，青蛙的細胞組織-碳氫化合物和液態物質構成的結構元受到外部強磁場的侵擾，於是所有結構元的電子調整方位，抵禦磁場侵擾，這就形成了抵禦外磁場的阻力，大量阻力的集合，讓強青蛙的自由落體的速度緩慢，又因為青蛙自身品質不大，而表面積相對很大，抵禦磁場的阻力更大，因此自由落體的速度更加緩慢，近乎於懸浮在圓筒之中。

    物質在強磁場中自由落體的速度緩慢，不是因為自旋是幾分之幾，而是因為物質的結構元受到外部強磁場的侵擾時，所有結構元的價電子易於調整方位，抵禦磁場侵擾，這就形成了抵禦外磁場的阻力。所以物質的結構元的位置相對靈活、價和電子調整比較容易的液體、生物體、金屬在強磁場中自由落體的速度緩慢。

    而價和晶體的結構元位置固定且相互牽制，受到外部強磁場的侵擾，結構元的價電子難以調整方位。所以難以形成抵禦外磁場的阻力（下落較快）。

    我們可以借用安德列•蓋姆的強磁性圓筒做實驗。讓凍硬的冰塊和相同品質的水分別自由落體通過磁圓筒，你會發現，冰塊下落較快、水下落相對較慢。原因是冰的結構元位置固定且相互牽制。

    核磁共振是利用身體中的固體、液體和軟組織在強磁場中結構元的調整方位各異，於是分別顯示了各自的介面和形狀。

    當外界溫度升高，價和電子速率加快、線路變化。價和電子線路晃動導致伴生的磁力晃動，物體的磁性就減弱。當溫度升高到居裡點時（鐵770℃）。原先平行同向的價和電子脫離平面線路，使得價磁力方向紊亂，磁性材料的磁性也就消失。溫度降低了，磁性顯然不可能恢復。


    磁性材料按磁化後能夠保留的磁性叫做剩磁，例如純的鐵，硬度不大，價和電子速率不是很高，尾結活動比較自由，遇到外磁場能夠迅速地擺動位置、價和電子調整方向，比較容易被磁化；外磁場撤離後，自由的尾結大部分迅速地恢復到之前的任意方位、方向，材料的磁性所剩無幾，這樣剩磁較小的材料叫做軟磁性材料。

    因為軟磁性材料的磁性來得快、去得快，在外磁場作用下尾結可以發生擺動，擺動可以改變磁性材料某方向的尺寸，這就導致了磁體的磁致伸縮。若外磁場力反復施加就形成了磁彈性。

    磁化後不容易去磁的物質叫硬磁性材料。例如：鋼，鋼是鐵和碳組成的合金，隨著鐵中含碳量的增減，其機械性能亦發生明顯的變化。這是因碳原子直徑較小，電子速率很高，高速價和運轉時，伴生著較大的價磁力，又因碳原子有４個價電子，淬火時價和運轉時形成許多鐵——碳結構元，導致鋼中的結構元增加；價電子速率增加。鐵元素的尾結雖然存在，但是在多結構元、高速率電子及其場的環境之中。

    遇到外磁場，處在內在強場的尾結不能夠輕易擺動、價和電子也不易調整方向，材料難以被磁化。這樣的鋼材叫做硬磁性材料——難以磁化怎麼還叫硬磁性材料？是因為磁化後不容易去磁，在材料凝固之時、內強場尚未建立，讓其在強磁場之中，尾結此時可以擺動位置、價和電子調整方向，材料被磁化。溫度降低，各個結構元位置固定，內在強場形成，尾結的方位固定，外磁場撤離後，尾結電子保持運轉，磁性就“剩”在了物體內，形成了硬磁性材料。

    現代製作的稀土永磁合金，磁性已有極大的提高，其原理與鋼材磁性相似。
除了磁性材料，地球能夠產生自己的磁場，說明地球上有富餘的游離態的電子，電子附在地球，與地球一起旋轉於是就造就了地球的磁性——南北極。
                 2018/3/30