第一节磁学初探
在生活中，我们经常会用“和磁铁一样”去形容很有吸引力的事物。在课本中，我们也经常会看到有关于磁的诗句。其中，文天祥的“臣心一片磁针石，不指南方不肯休”，更是耳熟能详。那么，到底什么是磁，它有哪些特征呢？又是什么让人们的眼光都投向它呢？
1.天地之间——话说磁
在我们生存的这个美丽星球上，空气、水、阳光和磁，都是人类生活中不可缺少的生存条件。磁现象是伴随着宇宙的产生而客观存在的一种真实的自然现象。任何物质都或多或少地具有磁性，只不过物体之间的磁性有强有弱；任何空间都隐隐约约地存在着磁场，不同的是空间与空间之间的磁场有高低之分。磁性，作为一种特殊的物理性质普遍分布于宇宙的每一个角角落落。从遥远无垠的宇宙星际到广袤无边的天地之间，从肉眼无法看见的分子离子到细小如微的原子质子，磁在它们之间演绎着一个个“相吸相斥”的永恒主题。
我们的祖先很早以前就认识和发现了磁的特殊性质，掌握了磁技术，并进一步把这一成果应用到了社会生产之中，给当时人们的生产和生活带来了很多便利。指南针的重大发明和使用就是这一时期的杰出代表。
时光苒荏，步入现代，经济和科技空前发展，人们对磁的兴趣和热情也更加高涨，研究和认知也愈加深入，而且逐渐形成了自己的系统。随着磁的理论体系的日益完善，专门学科知识趋于成熟，于是磁学应运而生。
磁，被人们广泛应用于各个领域，全面开花，同时也取得了丰硕的骄人成果。而这一时代，电磁作为磁的“家族新贵”一时声名鹊起，风传世界，成为人们口头上津津乐道的时代流行语。
那么，磁究竟是什么？为什么人们对它如此宠爱有加，如痴如狂呢？这一切还得从磁的基本性质说起。
2.相吸相斥——磁的性质
简单地说，磁体具有吸引钢一类金属物质的特性，称为磁性；具有磁性的物体叫磁体。我们把物体上本来没有磁性，而后来产生磁性的现象叫磁化。
磁性是物质放在不均匀的磁场中受到磁力的作用而产生的。
在相同的不均匀磁场中，物质磁性的强弱是由单位质量的物质所受到的磁力方向和强度来决定的。因为任何物质都具有磁性，所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用，只不过不同的物质，其磁力的强度也不同。
物质的磁性不但是普遍存在的，而且是多种多样的。因此，物质所具有的这些磁性，也得到了广泛地研究和应用。近至我们的身体和周边的物质，远至各种星体和星际中的物质，微观世界的原子、原子核和基本粒子，宏观世界的各种材料，都具有这样或那样的磁性。磁体两端磁性强的部分被称为磁极。磁极的一端是北极（N极），另一端为南极（S极）。实验证明，磁体具有同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的特征。
磁性是物质的一种基本属性。磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等，能够直接或间接产生磁性的物质。
磁性材料是具有磁性的强磁性物质，广义还包括可应用的磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。
3.强弱分明——磁的类别
世界上的物质所具有的磁性究竟有多少种呢？一般说来，物质的磁性可以分为弱磁性和强磁性。
物质按照其内部结构和在外磁场中的性状，可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。其中，铁磁性和亚铁磁性物质属于强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质是弱磁性物质。这些都是宏观物质的原子中的电子所产生的磁性。原子中的原子核也具有磁性，称为核磁性。
但是核磁性只有电子磁性的千分之一左右或更低。因此，一般来讲，物质磁性和原子磁性都主要考虑原子中的电子磁性。原子核的磁性很低是由于原子核的质量远高于电子的质量，而且原子核磁性在一定条件下仍有着重要的应用。例如，现在医学上应用的核磁共振成像(也常称磁共振CT，CT是计算机化层析成像的英文名词的缩写)，便是氢原子核磁性的应用。
当磁体物质的磁化强度为负值时，固体表现的是抗磁性。金、银、铜等金属都具有这种性质。在外磁场中，这类磁化了的物质内部的磁感应强度，则小于真空中的磁感应强度。顺磁性物质的磁化率为正值，比反磁性大1~3个数量级。物质中具有不成对电子的离子、原子或分子时，存在电子的自旋角动量和轨道角动量，也就是存在着自旋磁矩和轨道磁矩。在外磁场作用下，原来取向杂乱的磁矩将定向，从而表现出顺磁性。
铁、钴、镍及一些稀土元素也存在着独特的磁性现象，称为铁磁性。因为铁是具有铁磁性物质中最常见也是最典型的，所以同样性质的合金常被用来制造强磁铁。在铁磁性物质材料中，当外加磁场去掉后，材料仍会剩余一些磁场。这种现象叫做“剩磁”。永磁体，就是被磁化后剩磁很大的磁体；相反，当铁磁性物质材料温度很高时，由于无规则热运动的增强，磁性就会消失。
反铁磁性是指在没有外加磁场的情况下，磁畴内邻近原子或离子的数值相等的磁矩，由于磁矩间的相互作用而处于反平行排列的状态，因而发生它们的合磁矩为零的现象。用主要磁现象为反铁磁性物质制成的材料，称为反铁磁材料。
4.千呼万唤始出来——磁性来源
物质的磁性来自构成物质的原子，原子的磁性又主要来自原子中的电子。科学研究已经发现，原子中电子的磁性有两个来源：一个来源是电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为自旋磁矩；另一个来源是原子，电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨道磁性，称为轨道磁性。
物质是由原子组成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成。原子核就像太阳，而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。另外，电子除了绕着原子核公转以外，自己还有自转（叫做自旋），与地球的情况差不多。因此，我们也可以把一个原子看做一个小小的“太阳系”。另外，如果一个原子的核外电子数量较多，那么电子会分层，而且每一层有不同数量的电子。
在原子中，核外电子是一种带电粒子，带有负电荷。因此，电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有N极和S极。也就是说，电子就好像很多小小的磁铁绕原子核在旋转。这种情况实际上就类似于电流产生磁场的情况。
那为什么只有少数物质（铁、钴、镍等）才具有磁性呢？原来，电子的自转方向总共有上下两种。
在一些物质中，向上自转和向下自转的电子数目一样多，它们产生的磁极就会相互抵消，整个原子，以至于整个物体对外表现为无磁性。
而对于大多数自转方向不同的、电子数目不同的情况来说，由于这些电子的磁矩不能相互抵消，导致整个原子具有一定的总磁矩。但是这些原子磁矩之间并没有相互作用，它们是混乱排列的，所以整个物体并没有强磁性。只有少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部的电子在不同的自转方向上，数量不一样。这样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还会剩余一部分电子的磁矩没有被抵消。因此，整个原子具有总的磁矩。同时，由于一种被称为“交换作用”的机理，这些原子磁矩之间被整齐地排列起来，整个物体也就有了磁性。当剩余的电子数量不同时，物体显示的磁性强弱也不同。例如，铁的原子中没有被抵消的电子磁极数最多，原子的总剩余磁性最强。而镍原子中自转没有被抵消的电子数量很少，所有它的磁性比较弱。
5.古今中外——磁的发展过程
我国是对磁现象最早进行文字记载的国家之一。
公元前3世纪的《吕氏春秋》中所写的“慈石召铁，或引之也”，就对磁石的吸铁现象进行了描述。另外，关于磁现象的应用，我国古代后魏的《水经注》等书中，也提到秦始皇为了防备刺客行刺，曾用磁石建造阿房宫的北阀门，以阻止身带刀剑的刺客入内。医书上还谈到利用磁石吸铁的作用，来治疗吞针。在磁现象早期的应用方面，最光辉的成就要数指南针的发明和应用，这是我国对人类作出的巨大贡献。
司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的用来指示南北方向的指南器，但其实这时候它还不叫做指南针。最早指南的磁石是一种勺状的，称为司南。司南由一把“勺子”和一个“地盘”两部分组成。它的指勺是由整块磁石制成的，磁南极那一头琢成长柄状，圆圆的底部就是它的重心，琢得非常光滑。地盘是一个铜质的方盘，中央有个光滑的圆槽，四周刻有格线和表示24个方位的文字。由于司南的底部和地盘的圆槽都很光滑，因此，司南放进了地盘就能灵活地转动。当它静止下来的时候，磁石的指极性就会使长柄总是指向南方。这种仪器就是指南针的前身，虽然它的灵敏度很低，但是它的制造却能给人以启示：有一种地磁存在，而且我们可以利用磁石来指明方向。
后来，人们在制作司南的过程中发现，天然磁石因打击受热容易失去磁性，磁性较弱。因此，司南并没有广泛流传。到宋朝时，有人又发现了人造磁铁。钢铁在磁石上磨过之后，就会带有磁性，这种磁性比较稳固，不容易丢失。在长期实践中，人们制成了新的指向仪器──指南鱼。曾公亮的《武经总要》中详细记载了指南鱼的制造过程。指南鱼的制造有了一个重大突破，它就是采用了磁化的方法，使鱼形铁磁化，成为一个指向仪器。指南鱼是中国古代用于指示方位和辨别方向的一种器械。到北宋时期，我国劳动人民又用智慧创造出了一种指南工具——指南鱼。它是利用人工磁化的方法，将一片薄铁叶剪裁制成鱼的形状，鱼的腹部略微下凹，像一只小船；磁化后浮在水面，就能指示南北了。指南鱼的出现，是指南针发展过程中的一大进步。它起初成形于游戏之中，因为比司南使用方便，加之体积小、灵敏度高，因此逐渐流行于社会，深受人们喜爱。将指南鱼再加以改进，把带磁的薄片改成带磁的钢针，就创造了比指南鱼更先进的新的指南仪器了。把一支缝纫用的小钢针，在天然磁石上摩擦，使它带有磁性，而人造磁体的指南针也就这样产生了。此后，指南针的制造和安装方法，在北宋沈括的《梦溪笔谈》中已有明确记载。不久之后，人们将指南针与方位盘结合起来，也就成了罗盘。罗盘的出现为航海提供了一个方便而可靠的指向仪器。后来，我国指南针又辗转传入了欧洲。将木块刻成龟的形状，在龟的腹部中心嵌入磁体，再将木龟安放在尖状立柱上，那么指南龟就制成了，而且它在静止时首尾是分指南北的。指南龟是当时比较流行的一种新装置。将一块天然磁石放置在木刻龟的腹内，在木龟腹的下方挖一光滑的小孔，对准并放置在直立于木板上的顶端尖滑的竹钉上，这样木龟就被放置在了一个固定的、可以自由旋转的支点上了。另外，由于支点处摩擦力很小，因此木龟可以自由转动指南。当时它并没有用于航海指向，而用于幻术。但是，这就是后来出现的旱罗盘的先身。
到16世纪，欧洲出现了航海罗盘，大大推动了航海事业的发展，也为研究地磁三要素创造了条件。
英国人吉尔伯特在磁的研究方面作出了重要的贡献。他的着作《论磁》是人们对磁现象系统研究开始的标志。书中记录了吉尔伯特研究磁现象时所做的各种仪器及实验过程，也记录了他从实验中所得到的结论。他从磁性“小地球”实验中，根据磁针的排列与指向，提出地球本身就是一个大磁体，两极位于地理的北、南两极附近；提出了磁子午线概念。吉尔伯特还说明了磁偏角及地磁倾角的测定方法、铁的磁化及去磁概念，对磁石的吸引与推斥进行了定性的研究。这些都为磁的进一步研究开拓了道路。
到18世纪，磁的研究方面有了很大的进展。法国物理学家库仑在磁的研究方面作出了突出贡献。他参加了法国科学院为设计指向力强、抗干扰性能好的指南针而举行的竞赛活动，并提出丝悬指南针的设想，得到了磁学奖，并在此基础上制成了库仑扭秤。在建立了电荷相互作用的库仑定律的同时，他还得到了磁力的相互作用定律。可以说，库仑是静电、静磁学的第一位奠基人。此后，法国数学家、物理学家泊松，在库仑的基础上，又提出了磁体间的相互作用的势函数积分方程，将磁的研究发展到了定量的阶段。
但这时，电与磁还是分别平行、独立地进行着研究的。
1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，在当时的科学界引起了很大的反响和重视。
科学家纷纷转向这一方面的讨论和研究，推动了整个电磁学的发展。安培由电流磁效应想到：既然磁体之间有相互作用，电流与磁体间也有作用，那么两个载流导体之间也一定存在着相互作用。
他通过一系列实验，找到了电流间相互作用的实验根据，并进行了定量研究。通过研究，安培于1820年12月4日向科学院提交了一篇论文，提出计算两个电流线元间作用力的公式──安培定律的表达式。到1821年初，安培又进一步提出磁性起源的假说，这就是历史上有名的分子电流假说。