什么是磁鐵？

磁鐵是具有鐵磁或亞鐵磁特性的永磁體的通俗術語。 至于什么是鐵磁性和亞鐵磁性，由于本文是科普文章，所以無需贅述。 大家只需要知道，這是對材料磁性的一種分類，具有鐵磁性（如鐵）或亞鐵磁性的材料與其他材料（如木材、銅等）是不同的。 這里我們重點討論一下鐵磁性物質(zhì)為什么具有“磁性”。

鐵磁性原理可以通過量子力學中的自旋原理和泡利不相容原理成功預測。 我在這里嘗試用通俗易懂的語言來表達。 如果讀者想了解更多，請查閱相關文獻。

由于晶體中電子的自旋磁鐵相吸相斥原理，形成了磁場。 在大多數(shù)材料中，由于磁場方向相互抵消，因此不會形成宏觀表現(xiàn)。 然而，在鐵磁材料中，由于一種稱為交換相互作用（ ）的特殊量子效應，附近電子的自旋往往指向同一方向，并且由于泡利不相容原理，在材料中無數(shù)小區(qū)域中的磁矩將具有相同的方向，這個小區(qū)域稱為磁疇。 然而，磁矩在長距離上仍然不一致，宏觀物質(zhì)仍然是非磁性或微磁性的。

講了這么久，還是沒有講到磁鐵的磁性是從哪里來的。 由于鐵磁材料的特殊性質(zhì)，受到外磁場激勵后會產(chǎn)生磁化和磁滯現(xiàn)象。 當外磁場達到0時，仍然存在剩磁感應，就產(chǎn)生了永磁體。

磁化發(fā)生時磁疇的變化

磁化后磁矩趨于一個方向

為什么異性相吸又相斥？

這里我們首先介紹磁偶極子的概念。

磁偶極子是類比電偶極子建立的物理模型。 兩點磁荷值相等、符號不同的系統(tǒng)稱為磁偶極子。 然而，由于尚未發(fā)現(xiàn)磁單極子單獨存在，因此磁偶極子的物理模型不是兩個磁單極子，而是閉環(huán)電流（無論形狀如何）。 磁偶極子模型可以很好地描述小規(guī)模閉路元件產(chǎn)生的磁場分布。

現(xiàn)在介紹一下磁偶極矩的定義：

磁偶極矩 ( ) 是從負磁荷指向正磁荷的矢量方向。 相當于“電偶極矩”。 歷史上，人們首先認為天然磁體（或人造磁體）是由無數(shù)小磁偶極子組成的。 每個小磁偶極子都由等量的彼此非常接近的正磁荷和負磁荷組成。

（磁矩的來源一般有兩種磁鐵相吸相斥原理，一種是由前面提到的電子和質(zhì)子的自旋產(chǎn)生的，另一種是由電荷的運動產(chǎn)生的。）對于任何環(huán)路，假設有一個恒定的電流I，那么它的磁矩偶極矩 μ 為：

\mu=I\int_{S}\,{\rm d}a ;

其中 S 是積分曲面，{\rm d}a 是微小面積單元。

好的，現(xiàn)在我們可以用磁偶極子所經(jīng)歷的磁矩來描述磁性。

均勻磁場中方形載流環(huán)的側視圖

如圖所示，假設承載電流I的方形線圈處于外部磁場B=B_0\hat{z}中。 方形環(huán)的邊長為a，平行于\hat{y}的兩條邊垂直于外部磁場，另外兩條邊與磁場的夾角為-\phi+\pi/2。

垂直于外磁場兩側的磁矩為

\tau=(\sin\phi)\hat{y} \\=Ia^2B_0\sin\phi\hat{y}

另外兩側的磁矩相互抵消。

注意環(huán)路的磁偶極矩為\mu=Ia^2\hat{\mu}； 所以環(huán)路的磁矩為\tau=\mu\times B。

由上可見，由于\mu方向不同，磁力具有相互排斥、不同吸引的特點。 當磁偶極矩的方向與磁場不同時，磁矩的大小也不同。

磁鐵為什么能吸引鐵？

如果你明白了上面的內(nèi)容，這個問題的答案就自然而然了。 由于永磁體具有磁場，鐵磁鐵塊受激而產(chǎn)生磁化現(xiàn)象從而產(chǎn)生磁場。 磁場使磁鐵和鐵塊的微?。傧耄┐排紭O子產(chǎn)生磁矩，進而發(fā)生吸引現(xiàn)象。