磁铁的磁感应分布原理（为什么只有磁铁而没有磁铜或磁铝）

同学们，如果我们把两块石头靠近放在一起，它们会自动吸引靠近而不分开吗？

同学们，我们再把两个鸡蛋靠近放在一起，它们会自动吸引靠近而不分开吗？

都不会！

当你拿出的是两块磁铁，见证奇迹的时刻就不请自来了！无论多少次，它们都会自动靠近并吸引到一起。

磁铁的相互吸引示意图

这到底是为什么呢？

电磁同源——麦克斯韦

我们先回答上面的问题，很简单，在磁性物体的四周，存在着肉眼难以看见的磁场。两块磁铁靠近后，能够互相吸引靠近，正是因为磁场的作用，使得物质可以奇迹般的长距离相互吸引。

那么真正的问题来了，磁场是从哪里来的呢？这个问题可不简单！

科学史上，有着流传已久的这么一个排名“一牛二爱三麦”。

其中，牛顿和爱因斯坦的大名，同学们听到基本就得跪了；而这个“三麦”，他就是同样鼎鼎大名的麦克斯韦。

麦克斯韦

麦克斯韦同学，全名是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。他是英国物理学家以及数学家，同时也是经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人。正是麦克斯韦以一人之力，把电和磁一举拿下，梳理得妥妥帖帖，完成了经典物理的第一次大统一。1873年出版的《论电和磁》，被世人尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。

简单的说，没有麦克斯韦，就没有电磁学，也就没有现代电工学，然后也就不太可能有现代文明，至于你现在这样悠闲的用手机看这篇文字，当然也不太可能了。

同学们膜拜完先贤后，暂时把崇敬的心情整理一下，我们继续科普。

有电就会有磁，如果没有，请加大电流

麦克斯韦最大的贡献就是告诉我们，磁和电的本质上是同一回事。正如爱因斯坦告诉我们，质量和能量，时间与空间之间也是一回事。这是物理学历史上第一次统一。电和磁之间，它们能够相互转换；实际上，磁场本质上是由电场转化来的。

指南针示意图

在日常生活中，很多这种现象在带电物体开始运动时产生。举个简单的例子，我们把电线联通，闭合电路中流动的电子流，将会使靠近它的指南针自行转动——闭合电路的磁场诞生了。同样的，这个原理可以解释，我们现在身处的地球，正是由于地球外地核内的电流移动，而产生了地磁场。

地磁场示意图

所以，磁铜和磁铝有何难求？凡是能导电的金属，插上电源，让其导电，就可以拥有磁性。如果磁性不够强，请加大电流！

这就是电磁铁的由来。

微观粒子世界的电与磁

同学们看到这里，不禁还会提出一个疑问，磁棒或者指南针本身，在其中没有电流通过时，仅仅是一块金属，但它们同样拥有磁性；而金、银、铜等，也是金属啊，为什么就没见过它们自身天然带有磁性呢，这中间的奥秘到底是怎样的呢？

磁铁的磁效应

事实上，这个问题，已经超出了经典物理的范畴，我们要用到一些量子力学中的知识点了，不过同学们放心，本人承诺，绝不首先使用数学公式！

二十世纪二十年代，科学家们已经大体上知道电子和质子的存在了。从微观上看，大量的电子在组成物质的原子以及分子周围旋转，任何常见物体的磁性，都受各种效应组合的影响，这些效应源于微观粒子、原子以及原子团的集合。

首先，我们先把问题简单化一点，先来看单个的粒子。在量子力学效应中，像电子和夸克这样的粒子有质量和电荷等基本特性，而这些并不是磁性的来源。大多数微观粒子，存在有一种特性——“微磁”——也可以称之为“内禀磁矩”。

微观电子示意图

一般科学界认为，带电粒子都拥有微磁性。回归到麦克斯韦的电磁统一理论，微观世界也遵守着这个规律。

元素周期表的秘密

在原子层面上，一个原子就是一群带正电荷的质子，质子周围有一群带负电的电子绕其旋转。电子和质子本身都具有“内禀磁矩”，也就是微磁。根据精确的测量，我们得知，质子的微磁比电子的微磁弱了近千倍，所以，原子核对于整个原子的磁性来说，几乎没有影响。要理清头绪，我们要把目光聚焦到电子身上。

大部分的物质，除了极少数的例外，本身许多电子也在运动，就像电线中的电流，那这种运动就应该会产生磁场，我们称之为“轨道”磁场。但这种磁场在原子磁场的形成中通常不起作用。

磁轨道示意图

原因如下，量子力学可以准确而复杂的描述原子中的电子。电子聚集在原子核周围的电子层中，任何满电子层内的电子，通常会均等的向各个方向运动，因此它们产生的电流相互抵消。而且，在满电子层结构中，电子将会成对出现，它们的微磁方向相反，也将相互抵消。简单的说，满电子层结构的原子，将不会向外表现出磁性。

在半满的电子层里，所有电子都不配对，它们的微磁场方向相同，并相互叠加；这揭示出一个深刻的奥秘——只有具备半满的外层电子层结构的元素，它们形成的原子才具有磁性。

我们只要拿出元素周期表，就会惊喜的发现，原来一切都是安排好的！

磁性元素周期表，蓝色是反铁磁；黄色是铁磁；红色是顺磁；浅蓝是抗磁；只有铁磁在常温下表现出磁性。

元素周期表主族元素和过渡元素区的边缘附近，有全满（或几乎全满）的外电子层的原子，例如非金属元素、金、银、铜等等，它们几乎没什么磁性。

各分区中部位置的原子有半满的外层电子层，这些区域内的元素，比如镍、钴、铁、锰、铬等等。它们很可能有磁性。

所以说，物体具备天然磁性的基础，必须具备半满的外层电子层结构。

最后一个不能忽略的条件

有认真的同学在这时候会发现一个重大的问题，我们刚刚举的例子当中——具备原子磁性的铬——作为金属铬存在时，并没有磁性，而且，铬是已知的最反磁性的物质之一！

别慌，磁性作为自然界中奇迹般的存在，当然没有那么简单，查查元素周期表就全中了；实际上，一个原子有磁性，并不意味着，许多该种原子组成的物质也有磁性。

原子的排列是物质磁性的一个重要因素

这时候，我们又得转到晶体层面来分析问题了。当一群磁性原子组成固体时，通常有两种情况：

一、所有原子顺顺当当的，按照其磁场方向，同方向的排成一列；这时候，物质层面表现出磁性。

二、原子组合采用的是，按照磁场正负交替的顺序，犬牙交错的排成一列；这时候，磁性被相互抵消，物质层面表现出反磁性。

原子通常会选择二者中耗能少的方式，进行最后的结晶成型。而按照这个原则，经过层层筛选，具备天然磁性的幸运儿，在自然界中真不多，只有镍、钴、铁等聊聊几种而已。

结语

磁性是基本量子特性，放大到常见物体上，每个永磁体都暗示我们，量子力学是我们宇宙的基础。

微观粒子示意图

为了使物质有磁性，它必须有统一的磁域，而每个磁域由无数个磁性原子组成，磁性原子需要排成整齐的一列。而每个原子有磁性的前提是，原子有大约半满的外电子层，从而使其固有磁场能排成一列而不相互抵消。

在自然界中，这些标准很难同时达到，这也是为什么一般只有磁铁，而没有磁铜或者磁铝的原因。

但必要的时候，你可以选择给任何一个导电体通电，来产生磁场。

如果同学们还想进一步了解，电子为何自带电荷？以及自身微磁属性的本质？很遗憾，量子力学在这个层面上，目前是全瞎。我当然也没有答案了。

我是猫先生，只写能让人愉快阅读的科普，你值得关注。

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