如果磁是電磁以太渦旋，一個磁鐵，沒看到任何電磁以太的渦旋，為什么會有磁性？我們的回答是：物質(zhì)的磁性起源于原子中電子的運動，電子的運動會產(chǎn)生一個電磁以太的渦旋。 

早在1820年，丹麥科學(xué)家奧斯特就發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，第一次揭示了磁與電存在著聯(lián)系，從而把電學(xué)和磁學(xué)聯(lián)系起來。 

為了解釋永磁和磁化現(xiàn)象，安培提出了分子電流假說。安培認(rèn)為，任何物質(zhì)的分子中都存在著環(huán)形電流，稱為分子電流，而分子電流相當(dāng)一個基元磁體。當(dāng)物質(zhì)在宏觀上不存在磁性時，這些分子電流做的取向是無規(guī)則的，它們對外界所產(chǎn)生的磁效應(yīng)互相抵消，故使整個物體不顯磁性。在外磁場作用下，等效于基元磁體的各個分子 電流將傾向于沿外磁場方向取向，而使物體顯示磁性。 

磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象有本質(zhì)的聯(lián)系。物質(zhì)的磁性和電子的運動結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。烏倫貝克與哥德斯密特最先提出的電子自旋概念，是把電子看成一個帶電的小球，他們認(rèn)為，與地球繞太陽的運動相似，電子一方面繞原子核運轉(zhuǎn)，相應(yīng)有軌道角動量和軌道磁矩，另一方面又繞本身軸線自轉(zhuǎn)，具有自旋角動量和相應(yīng)的自旋磁矩。施特恩-蓋拉赫從銀原子射線實驗中所測得的磁矩正是這自旋磁矩。（現(xiàn)在人們認(rèn)為把電子自旋看成是小球繞本身軸線的轉(zhuǎn)動是不正確的。） 

電子繞原子核作圓軌道運轉(zhuǎn)和繞本身的自旋運動都會產(chǎn)生電磁以太的渦旋而形成磁性，人們常用磁矩來描述磁性。因此電子具有磁矩，電子磁矩由電子的軌道磁矩和自旋磁矩組成。在晶體中，電子的軌道磁矩受晶格的作用，其方向是變化的，不能形成一個聯(lián)合磁矩，對外沒有磁性作用。因此，物質(zhì)的磁性不是由電子的軌道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起。每個電子自旋磁矩的近似值等于一個波爾磁子 。是原子磁矩的單位。因為原子核比電子重2000倍左右，其運動速度僅為電子速度的幾千分之一，故原子核的磁矩僅為電子的千分之幾，可以忽略不計。 

孤立原子的磁矩決定于原子的結(jié)構(gòu)。原子中如果有未被填滿的電子殼層，其電子的自旋磁矩未被抵消，原子就具有“永久磁矩”。例如，鐵原子的原子序數(shù)為26，共有26個電子，在5個軌道中除了有一條軌道必須填入2個電子（自旋反平行）外，其余4個軌道均只有一個電子，且這些電子的自旋方向平行，由此總的電子自旋磁 矩為4 。

鐵磁現(xiàn)象雖然發(fā)現(xiàn)很早，然而這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因和規(guī)律，還是在本世紀(jì)初才開始認(rèn)識的。1907 年法國科學(xué)家外斯系統(tǒng)地提出了鐵磁性假說，其主要內(nèi)容有：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強的“分子場”，在“分子場”的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個小區(qū)域(這種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇)，由于各個區(qū)域(磁疇)的磁化方向各不相同，其磁性彼此 相互抵消，所以大塊鐵磁體對外不顯示磁性。

外斯的假說取得了很大成功，實驗證明了它的正確性，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了現(xiàn)代的鐵磁性理論。在分子場假說的基礎(chǔ)上，發(fā)展了自發(fā)磁化 （spontaneous magnetization）理論，解釋了鐵磁性的本質(zhì)；在磁疇假說的基礎(chǔ)上發(fā)展了技術(shù)磁化理論，解釋了鐵磁體在磁場中的行為。

鐵磁性材料的磁性是自發(fā)產(chǎn)生的。所謂磁化過程(又稱感磁或充磁)只不過是把物質(zhì)本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質(zhì)提供磁性的過程。實驗證明，鐵磁質(zhì)自發(fā)磁化的根源是原子(正離子)磁矩，而且在原子磁矩中起主要作用的是電子自旋磁矩。與原子順磁性一樣，在原子的電子殼層中存在沒有被電子填滿 的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。

例如鐵的3d狀態(tài)有四個空位，鈷的3d狀態(tài)有三個空位，鎳的3d 態(tài)有二個空位。如果使充填的電子自旋磁矩按同向排列起來，將會得到較大磁矩，理論上鐵有4μB，鈷有3μB，鎳有2μB。

可是對另一些過渡族元素，如錳在3d態(tài)上有五個空位，若同向排列，則它們自旋磁矩的應(yīng)是 5μB，但它并不是鐵磁性元素。因此，在原子中存在沒有被電子填滿的狀態(tài)(d或f態(tài))是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件，但不是充分條件。故產(chǎn)生鐵磁性不僅僅在于元 素的原子磁矩是否高，而且還要考慮形成晶體時，原子之間相互鍵合的作用是否對形成鐵磁性有利。這是形成鐵磁性的第二個條件。

根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換。對于過渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與s態(tài)能量相差不大，因此它 們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。這種交換便產(chǎn)生一種交換能Eex(與交換積分有關(guān))，此交換能有可能使相鄰原子內(nèi)d層末抵消的自旋磁矩 同向排列起來。

量子力學(xué)計算表明，當(dāng)磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子交換積分為正時(A＞0)，相鄰原子磁矩將同向平行排列，從而實現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性 產(chǎn)生的原因。這種相鄰原子的電子交換效應(yīng)，其本質(zhì)仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強磁場一樣。外斯分子場就是這樣得名的。

理論計算證明，交換積分A不僅與電子運動狀態(tài)的波函數(shù)有關(guān)，而且強烈地依賴子原子核之間的距離Rab (點陣常數(shù))，如圖5-13所示。由圖可見，只有當(dāng)原子核之間的距離Rab與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大于3，交換積分才有可 能為正。鐵、鈷、鎳以及某些稀土元素滿足自發(fā)磁化的條件。鉻、錳的A是負(fù)值，不是鐵磁性金屬，但通過合金化作用，改變其點陣常數(shù)，使得Rab /r之比大于3，便可得到鐵磁性合金。

綜上所述，鐵磁性產(chǎn)生的條件：

①原子內(nèi)部要有末填滿的電子殼層；

②及Rab／r之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)自發(fā)磁化的過程和理論，可以解釋許多鐵磁特性。例如溫度對鐵磁性的影響。當(dāng)溫度升高時，原子間距加大，降低了交換作用，同時熱運動不斷破壞 原子磁矩的規(guī)則取向，故自發(fā)磁化強度Ms下降。直到溫度高于居里點，以致完全破壞了原子磁矩的規(guī)則取向，自發(fā)磁矩就不存在了，材料由鐵磁性變?yōu)轫槾判?。同樣，可以解釋磁晶各向異性、磁致伸縮等。