懂磁帝系列文章已經寫了三十多篇，我們不僅介紹了磁學的基本概念和知識，也講解了關於燒結釹鐵硼材料的生產與性能，但一直還沒有追根溯源，講講物質磁性的來源，這一期就讓我們就探訪一下磁世界的起點吧~
磁場的產生可以分為兩大方面：一種是以運動電流為基礎（電磁感應），另一種是以構成物質基本粒子的自旋為基礎。第一種是我們比較熟悉的電流的磁效應，導線通電後自由電子定向移動產生磁場。第二種是物質本身產生的磁場，是我們要今天主要介紹的內容。
世間萬物都有磁性，小到我們身邊的桌、椅，大到宇宙中的行星、太陽無一不具有磁性，不論他們處於什麼狀態（晶態、非晶態、液態與氣態），處於高溫或低溫，處於高壓或低壓，均具有磁性，所不同的是有些物質磁性強，有些物質磁性弱，但可以說沒有磁性的物質是不存在的。
物質根據其在外磁場中表現出的特性可分為五類：順磁性物質，抗磁性物質，鐵磁性物質，亞鐵磁性物質，反鐵磁性物質。那是什麼原因導致物質都有磁性？又是什麼原因導致不同物質具有以上不同的特性呢？這要從構成物質的基礎——原子說起。
物質由原子構成，而原子是由原子核和電子組成的。在原子中，電子因繞原子核運動而具有軌道磁矩；電子因自旋具有自旋磁矩，原子的磁矩主要來源於電子的軌道磁矩和自旋磁矩，這是一切物質磁性的來源。（原子核的磁矩僅是電子磁矩的1/1836.5，因此原子核磁矩一般被忽略）
單一孤立原子的磁矩
磁矩是一個有方向的矢量。原子中電子的自旋方式分為上下兩種，在大多數物質中，具有向上自旋和向下自旋的電子數目一樣多，他們產生的磁矩會相互抵消，整個原子對外沒有磁性。只有少數物質原子內部的電子在不同自旋方向上的數量不一樣，這樣，在自旋相反的電子磁矩相互抵消後，還剩餘一部分電子的自旋磁矩內有被抵消，整個原子具有總的磁矩。單一原子的磁矩取決於原子結構，即電子的排布和數量，元素周期表中所有元素的原子都有自己的磁矩。
晶體中原子的磁矩
上面我們討論的是單一原子的磁矩，但在固體晶體或非晶體中，原子處在晶體結點上，這些原子會受到臨近原子的核電場和電子靜電場的影響，因此晶體中原子的磁矩與單一孤立原子是不同的。例如鐵、鈷、鎳，它們被稱為3d過渡族金屬，在晶體中部分原子的電子會變成相鄰原子的公有化電子，原子的電子結構發生了變化，部分軌道磁矩會被凍結，此時對晶體中原子磁矩做出貢獻的只剩下自旋磁矩，這樣晶體中原子的磁矩就和理論值有了差異。
宏觀物質的磁矩
通過前面的內容我們已經知道了宇宙萬物都是有磁性的，磁性主要是起源於原子磁性。由於不同原子的磁矩不同，導致宏觀物質間原子磁矩間相互作用，原子磁矩在室溫狀態下的排列不同，我們按照宏觀物質的磁性能特徵將他們分為順磁性物質、抗磁性物質、鐵磁性物質、亞鐵磁性物質和反鐵磁性物質，這些特徵包括以下3個。
1、磁化強度M
物質的宏觀磁性是由構成它的原子或分子磁矩所貢獻的，我們將單位體積內材料的總磁矩稱為該材料的磁化強度，用M表示，單位為A/m。
設某一物質的體積為V，它有n個原子，每一個原子的磁矩為μJ，那麼M=μJ1+μJ2+……+μJn , 也就是M= ΣμJ/v。
2、磁化強度的磁化曲線（M~H曲線）
當外磁場為零的時候，原子磁矩可能是混亂排列的，但當我們施加一個不為零的外磁場時，在外磁場的作用下，每一個原子磁矩都可轉向外磁場的方向，此時物質的磁化強度M發生了變化。磁化強度M隨外磁場H的變化而變化的關係曲線稱為磁化曲線，簡寫成M~H磁化曲線。不同物質的磁化曲線也是不同的。
3、磁化率χ
在M~H磁化曲線上，任意一點的M與H的比值我們稱為磁化率，用χ表示。χ=M/H ,其中M的單位為A/m, H的單位也是A/m，所以是相對磁化率，是沒有單位的。
我們用上述原子磁矩的大小和排列方式、M~H磁化曲線的形態，以及磁化率等參量來描述物質的磁性，並對物質進行分類。
順磁性物質
是一種把它們移近磁場時可依磁場方向發生磁化，但很微弱，要用精密儀器才能測出的物質；如果把外加磁場移走，內部的磁場也會歸零，導致其沒有磁性。如鋁、氧氣等。
順磁性物質每一個原子都有磁矩，這使得順磁性物質具有固有原子磁矩；順磁性物質相鄰原子間不存在相互作用，因此在室溫下，原子磁矩是混亂排列的，原子磁矩μJ在任何方向的投影值都是零。當有外磁場H作用時，這類物質的原子磁矩只能沿外磁場方向轉一個非常小的角度，其磁化強度隨外磁場的增加而緩慢增加。它的磁化率χ>0，數值一般為10-5~10-3。
為了使順磁性物質的原子磁矩完全按照外磁場方向排列，根據粗略估計，這需要外磁場強度為109~1010 A/m, 這是目前人造磁場難以實現的。
抗磁性物質
是磁化率為負值的物質，也就是說磁化後磁場方向與外磁場方向相反。所有的有機化合物都有抗磁性，石墨、鉛、水等都是抗磁性物質。
抗磁性物質的原子軌道磁矩和自旋磁矩在磁場中的投影都為零，也就是說抗磁性物質沒有淨原子磁矩，但在外磁場的作用下，電子軌道會產生一個感生的附加磁矩，並且這個感生磁矩與外磁場的方向相反，因此出現負磁性。抗磁性物質的磁化強度方向是負的，與外磁場相反，其絕對值隨外磁場的增加而線性提高。
鐵磁性物質
是一種在外部磁場的作用下被磁化後，即使外部磁場消失，依然能保持其磁化的狀態具有磁性的物質，到目前為止人們已經發現的金屬元素共有83中，其中有4種在室溫以上是鐵磁性元素，它們是鐵、鈷、鎳和釓；在極低溫度下，還有5種元素可以轉變為鐵磁性元素，它們是鋱、鏑、鈥、鉺和銩。
鐵磁性物質中原子具有固有的原子磁矩，部分電子會公有化，相鄰原子自旋磁矩彼此同方向平行排列（又稱為自發磁化）。鐵磁性物質的M~H磁化曲線是非線性的，同時磁化率χ是隨磁場的變化而變化的，鐵磁性物質磁化率χ很大，最高可達105~107。
反鐵磁性物質
不會產生磁場，這種物質比較不常見，新的反鐵磁性物質還在不斷被發現。大多數反鐵磁性物質只存在於低溫狀況，假設溫度超過一定值，通常會變為具有順磁性。例如，鉻、錳等都具有反鐵磁性。
反鐵磁性物質中原子也具有固有的原子磁矩，部分電子會公有化，但相鄰原子磁矩反向排列（又稱為反鐵磁有序）。鐵磁性物質的M~H磁化曲線是線性的，磁化率χ>0,其數值約為10-4~10-5，很小，是一個常數，也就是說反鐵磁性物質在外磁場中磁化時，其原子磁矩隨外磁場變化很小，與順磁性物質相同，屬於弱磁性。反鐵磁磁性物質的磁化率χ隨溫度的變化而變化的，如下圖，Tn被稱為尼爾溫度。
亞鐵磁性物質
宏觀磁性與鐵磁性相同，僅僅是磁化率低一些（磁化率χ為102~105），典型的亞鐵磁性物質如鐵氧體，它們與鐵磁性物質的最顯著區別在於內部磁結構（磁矩排列）的不同。
亞鐵磁物質的原子磁矩不為零，相鄰原子磁矩間彼此存在間接交換作用，或RKKY交換作用，使相鄰亞點陣的原子磁矩反向平行排列，但它們相鄰亞點陣的原子磁矩大小不同（見圖上），這種現象也稱為亞鐵磁有序或亞鐵磁自發磁化。亞鐵磁物質的M~H磁化曲線是非線性的，與鐵磁性物質相似，只是磁化率略低，但仍屬於強磁性。
以上我們從微觀層面了解了物質磁性的來源以及磁矩的物理意義，下一期懂磁帝將從宏觀層面介紹磁性材料的磁矩，包括磁矩與磁通、剩磁等的關係，磁矩如何測量和計算等~
註：本文部分內容引用《燒結釹鐵硼-稀土永磁材料與技術》周壽增,董清飛,高學緒著