為什么只有磁鐵而沒有磁銅或磁鋁？那你得懂電磁學、量子力學

同學們，我們再把兩個雞蛋靠近放在一起，它們會自動吸引靠近而不分開嗎？

都不會！

當你拿出的是兩塊磁鐵，見證奇跡的時刻就不請自來了！無論多少次，它們都會自動靠近并吸引到一起。

磁鐵的相互吸引示意圖

這到底是為什么呢？

電磁同源——麥克斯韋

我們先回答上面的問題，很簡單，在磁性物體的四周，存在著肉眼難以看見的磁場。兩塊磁鐵靠近后，能夠互相吸引靠近，正是因為磁場的作用，使得物質可以奇跡般的長距離相互吸引。

那么真正的問題來了，磁場是從哪里來的呢？這個問題可不簡單！

科學史上，有著流傳已久的這么一個排名“一牛二愛三麥”。

其中，牛頓和愛因斯坦的大名，同學們聽到基本就得跪了；而這個“三麥”，他就是同樣鼎鼎大名的麥克斯韋。

麥克斯韋

麥克斯韋同學，全名是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。他是英國物理學家以及數學家，同時也是經典電動力學的創始人，統計物理學的奠基人。正是麥克斯韋以一人之力，把電和磁一舉拿下，梳理得妥妥帖帖，完成了經典物理的第一次大統一。1873年出版的《論電和磁》，被世人尊為繼牛頓《自然哲學的數學原理》之后的一部最重要的物理學經典。

簡單的說，沒有麥克斯韋，就沒有電磁學，也就沒有現代電工學，然后也就不太可能有現代文明，至于你現在這樣悠閑的用手機看這篇文字，當然也不太可能了。

同學們膜拜完先賢后，暫時把崇敬的心情整理一下，我們繼續科普。

有電就會有磁，如果沒有，請加大電流

麥克斯韋最大的貢獻就是告訴我們，磁和電的本質上是同一回事。正如愛因斯坦告訴我們，質量和能量，時間與空間之間也是一回事。這是物理學歷史上第一次統一。電和磁之間，它們能夠相互轉換；實際上，磁場本質上是由電場轉化來的。

指南針示意圖

在日常生活中，很多這種現象在帶電物體開始運動時產生。舉個簡單的例子，我們把電線聯通，閉合電路中流動的電子流，將會使靠近它的指南針自行轉動——閉合電路的磁場誕生了。同樣的，這個原理可以解釋，我們現在身處的地球，正是由于地球外地核內的電流移動，而產生了地磁場。

地磁場示意圖

所以，磁銅和磁鋁有何難求？凡是能導電的金屬，插上電源，讓其導電，就可以擁有磁性。如果磁性不夠強，請加大電流！

這就是電磁鐵的由來。

微觀粒子世界的電與磁

同學們看到這里，不禁還會提出一個疑問，磁棒或者指南針本身，在其中沒有電流通過時，僅僅是一塊金屬，但它們同樣擁有磁性；而金、銀、銅等，也是金屬啊，為什么就沒見過它們自身天然帶有磁性呢，這中間的奧秘到底是怎樣的呢？

磁鐵的磁效應

事實上，這個問題，已經超出了經典物理的范疇，我們要用到一些量子力學中的知識點了，不過同學們放心，本人承諾，絕不首先使用數學公式！

二十世紀二十年代，科學家們已經大體上知道電子和質子的存在了。從微觀上看，大量的電子在組成物質的原子以及分子周圍旋轉，任何常見物體的磁性，都受各種效應組合的影響，這些效應源于微觀粒子、原子以及原子團的集合。

首先，我們先把問題簡單化一點，先來看單個的粒子。在量子力學效應中，像電子和夸克這樣的粒子有質量和電荷等基本特性，而這些并不是磁性的來源。大多數微觀粒子，存在有一種特性——“微磁”——也可以稱之為“內稟磁矩”。

微觀電子示意圖

一般科學界認為，帶電粒子都擁有微磁性。回歸到麥克斯韋的電磁統一理論，微觀世界也遵守著這個規律。

元素周期表的秘密

在原子層面上，一個原子就是一群帶正電荷的質子，質子周圍有一群帶負電的電子繞其旋轉。電子和質子本身都具有“內稟磁矩”，也就是微磁。根據精確的測量，我們得知，質子的微磁比電子的微磁弱了近千倍，所以，原子核對于整個原子的磁性來說，幾乎沒有影響。要理清頭緒，我們要把目光聚焦到電子身上。

大部分的物質，除了極少數的例外，本身許多電子也在運動，就像電線中的電流，那這種運動就應該會產生磁場，我們稱之為“軌道”磁場。但這種磁場在原子磁場的形成中通常不起作用。

磁軌道示意圖

原因如下，量子力學可以準確而復雜的描述原子中的電子。電子聚集在原子核周圍的電子層中，任何滿電子層內的電子，通常會均等的向各個方向運動，因此它們產生的電流相互抵消。而且，在滿電子層結構中，電子將會成對出現，它們的微磁方向相反，也將相互抵消。簡單的說，滿電子層結構的原子，將不會向外表現出磁性。

在半滿的電子層里，所有電子都不配對，它們的微磁場方向相同，并相互疊加；這揭示出一個深刻的奧秘——只有具備半滿的外層電子層結構的元素，它們形成的原子才具有磁性。

我們只要拿出元素周期表，就會驚喜的發現，原來一切都是安排好的！

磁性元素周期表，藍色是反鐵磁；黃色是鐵磁；紅色是順磁；淺藍是抗磁；只有鐵磁在常溫下表現出磁性。

元素周期表主族元素和過渡元素區的邊緣附近，有全滿（或幾乎全滿）的外電子層的原子，例如非金屬元素、金、銀、銅等等，它們幾乎沒什么磁性。

各分區中部位置的原子有半滿的外層電子層，這些區域內的元素，比如鎳、鈷、鐵、錳、鉻等等。它們很可能有磁性。

所以說，物體具備天然磁性的基礎，必須具備半滿的外層電子層結構。

最后一個不能忽略的條件

有認真的同學在這時候會發現一個重大的問題，我們剛剛舉的例子當中——具備原子磁性的鉻——作為金屬鉻存在時，并沒有磁性，而且，鉻是已知的最反磁性的物質之一！

別慌，磁性作為自然界中奇跡般的存在，當然沒有那么簡單，查查元素周期表就全中了；實際上，一個原子有磁性，并不意味著，許多該種原子組成的物質也有磁性。

原子的排列是物質磁性的一個重要因素

這時候，我們又得轉到晶體層面來分析問題了。當一群磁性原子組成固體時，通常有兩種情況：

一、所有原子順順當當的，按照其磁場方向，同方向的排成一列；這時候，物質層面表現出磁性。

二、原子組合采用的是，按照磁場正負交替的順序，犬牙交錯的排成一列；這時候，磁性被相互抵消，物質層面表現出反磁性。

原子通常會選擇二者中耗能少的方式，進行最后的結晶成型。而按照這個原則，經過層層篩選，具備天然磁性的幸運兒，在自然界中真不多，只有鎳、鈷、鐵等寥寥幾種而已。

結語

磁性是基本量子特性，放大到常見物體上，每個永磁體都暗示我們，量子力學是我們宇宙的基礎。

微觀粒子示意圖

為了使物質有磁性，它必須有統一的磁域，而每個磁域由無數個磁性原子組成，磁性原子需要排成整齊的一列。而每個原子有磁性的前提是，原子有大約半滿的外電子層，從而使其固有磁場能排成一列而不相互抵消。

在自然界中，這些標準很難同時達到，這也是為什么一般只有磁鐵，而沒有磁銅或者磁鋁的原因。

但必要的時候，你可以選擇給任何一個導電體通電，來產生磁場。

如果同學們還想進一步了解，電子為何自帶電荷？以及自身微磁屬性的本質？很遺憾，量子力學在這個層面上，目前是全瞎。我當然也沒有答案了。