磁铁的原理这么简单，作为本科生的我，突然问我我却不能具体回答

磁性物质可以奇迹般地长距离互相吸引，因为物体之外形成了肉眼难见的磁场。但是有个问题：磁场是从哪里来的？这简单，我们很早就知道磁和电本质上是同一事物。正如质量与能量、时间与空间的关系，它们都能相互转换。实际上，磁场本质上是电场转化来的，这种现象在带电物体开始运动时产生。这就解释了在电线中流动的电子流为什么会使指南针转动，也解释了地球的外地核内的电流如何产生地磁场。但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。

是这样吗？从微观上看，大量电子在组成物质的原子及分子周围旋转。没错！这就产生了奇妙的现象，任何常见物体的磁性都受各种效应奇妙组合的影响，这些效应源于粒子、原子、原子团，以及原子团的集合。首先，单个粒子不像生活中重力和电力机制，永久磁性只能作为量子力学效应被完全理解，像电子和夸克这样的粒子有质量和电荷量等基本特性。与之类似，大多数微粒还有另一种固有特性，叫做“微磁”。只是开玩笑，它其实叫做“内禀磁矩”。但实际上，有传言说带电荷粒子恰巧也是微磁。若你想了解它们为什么是微磁，你可能也想了解电子为何带电荷，以及有能量和动能的物体为何会由于引力而相互吸引。没有人知道，我们只知道这是宇宙规律。

没错，二十世纪二十年代我们就已经知道电子和质子是微磁，这让我们来到了原子层面。一个原子就是一群带正电的质子，质子周围有一群带负电的电子绕其旋转，质子的微磁比电子的微磁弱了近千倍，因此原子核对整个原子的磁性几乎没有影响。你可能会想，尽管不是全部，但许多电子也在运动，就像电线中的电流。那这种运动应该会产生磁场，确实会产生磁场，叫做“轨道”磁场。但它们在原子磁场的形成中通常不起作用，原因如下：量子力学可以准确而复杂地描述原子中的电子，但关键是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均等地向各个方向运动，因此它们产生的电流相互抵消，从而不产生磁场。

这些电子也会成对出现，它们的微磁方向相反，从而相互抵消。然而，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，意味着外层电子的固有磁性构成了大部分的原子磁场。因此，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）的外电子层的原子没什么磁性。各分区中部位置的原子有半满的外电子层，它们有磁性。比如镍、钴、铁、锰、铬，等等。等等，铬没有磁性！啊，但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。这让我们来到了晶体层面，当一群磁性原子组成固体时，通常有两种情况：一是所有原子将其磁场同方向地排列成一行，二是将磁场交替排列成一行，使之相互抵消，原子会选择二者中耗能少的方式。

这就是为什么铬原子有磁性，而固体铬无磁性，因为铬是已知的最反铁磁性的物质。另一方面，铁和铁磁性是同义词。所以意料中地，铁是有铁磁性的，或者用通常说法：有磁性的。有时却会出现这种现象，磁性的最后一个层面是场域。本质上，即使在原子磁场排成一列的磁性物质中，也可能出现一部分该物质的原子排列指向一个方向，另一部分的原子都指向另一方向，等等。如果所有的“域”大小相近，没有一个域强到能迫使其他域与自己排成一列，那么一块铁因为内部互相冲突的磁域而没有磁场。但如果从物质外施加足够强的磁场或力或压强，你就能增强一个磁域，使其控制相邻磁域。

因为它是铁磁性的且所有磁域排成一列。没错，值得注意的是，磁性是基本量子特性。放大到常见物体上，每个永久磁铁都暗示我们量子力学是我们宇宙的基础。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。显然这些标准很难达到，这也是为什么只有有限的适宜用来做磁铁的材料。或者你可以给任何一个导电体通电，来产生磁场。