分子电流

分子电流（molecular current）

任何物质都是由分子（原子）构成的。在经典原子模型中，分子中的电子绕原子核作轨道运动，形成轨道电流，构成轨道磁矩μL。电子还有自旋磁矩μS。因此，电子的总磁矩μ=μL+μS。把整个分子（原子）中所有电子对外界产生的磁效应等效为一个圆电流I分子的磁效应，称圆电流I分子为分子电流。分子电流的磁矩叫分子磁矩，用m分子表示，m分子=I分子S，S是分子电流围的面积，是S法线方向的单位矢量。

根据物质电结构学说，任何物质（实物）都是由分子、原子组成的，而分子或原子中任何一个电子都不停的同时参与两种运动，即环绕原子核的运动和电子本身的自旋。这两种运动都等效于一个电流分布，因而能产生磁效应。把分子或原子看成一个整体，分子或原子中各个电子对外界所产生磁效应的总和，可用一个等效的圆电流表示，统称为分子电流。这种分子电流具有一定的磁矩，称为分子磁矩。

安培分子电流假说磁铁和电流都能产生磁场，磁铁的磁场和电流的磁场是否有相同的起源呢？电流是电荷的运动产生的，所以电流的磁场应该是由于电荷的运动产生的．那么，磁铁的磁场是否也是由电荷的运动产生的呢？我们知道，通电螺线管外部的磁场与条形磁铁的磁场很相似．法国学者安培由此受到启发，提出了著名的分子电流的假说．他认为，在原子、分子等物质微粒内部，存在着一种环形电流——分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体，它的两侧相当于两个磁极.

安培的假说能够解释一些磁现象．一根铁棒，在未被磁化的时候，内部各分子电流的取向是杂乱无章的，它们的磁场互相抵消，对外界不显磁性．当铁棒受到外界磁场的作用时，各分子电流的取向变得大致相同，铁棒被磁化，两端对外界显示出较强的磁作用，形成磁极．磁体受到高温或猛烈的敲击会失去磁性．这是因为在激烈的热运动或机械振动的影响下，分子电流的取向又变得杂乱了.

在安培所处的时代，人们对物质内部为什么会有分子电流还不清楚．直到20世纪初，才知道分子电流是由原子内部电子的运动形成的．安培分子电流的假说，揭示了磁铁磁性的起源，它使我们认识到：磁铁的磁场和电流的磁场一样，都是由电荷的运动产生的．

磁性材料实验表明，任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同．根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可粗略地分为三类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质．

根据分子电流假说，物质在磁场中应该表现出大体相似的特性，但此表告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大．这反映了分子电流假说的局限性．实际上，各种物质的微观结构是有差异的，这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因．

我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质，把铁磁性物质称为强磁性物质．通常所说的磁性材料是指强磁性物质．

磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料．磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料．一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大．磁性材料按化学成分分，常见的有两大类：金属磁性材料和铁氧体．铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物．

软磁性材料的剩磁弱，而且容易去磁．适用于需要反复磁化的场合．可以用来制造半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的记忆元件，以及变压器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等．常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢、镍铁合金等，常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体等．硬磁性材料的剩磁强，而且不易退磁，适合制成永磁铁，应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、永磁电机等电器设备中．常见的金属硬磁性材料有碳钢、钨钢、铝镍钴合金等，常见的硬磁铁氧体为钡铁氧体和锶铁氧体．

随着社会的进步，磁性材料和我们日常生活的关系也越来越紧密．录音机上用的磁带，录像机上用的录像带，电子计算机上用的磁盘，储蓄用的信用卡等，都含有磁性材料．这些磁性材料称为磁记录材料．靠着磁记录材料，我们可以在磁带、录像带、磁盘上保存大量的信息，并在需要的时候“读”出这些信息．磁记录材料在20世纪70年代以前采用磁性氧化物，1978年合金磁粉研制成功之后，开始采用金属磁性材料，从而大大提高了磁记录的性能．现在人们又在使用金属薄膜作磁记录磁性材料．磁记录技术又得到了进一步的提高．

安培分子电流假说只是近似的正确。近代物理已经非常清楚：物质的磁性——所谓环形电流形成的磁矩，主要是来源于电子的自旋，而不是电子的绕核运动。电子绕核运动（即电子云）形成的磁矩多数互相抵消掉了。

强磁性物质的高磁化率是由于其中的原子磁距间，确切地说是产生原子磁距的电子自旋间在一定条件下具有一种量子力学性质的，本质上为静电相互作用的特殊作用，称为交换作用。这种交换作用克服了热扰动作用，使这些电子自旋也既是原子磁距很有秩序平行地排列，称为铁磁性有序，因为这是由物质内部地交换作用引起的原子磁距有序排列（磁化),故称为自发磁化，它与由外加磁场引起的磁距有序排列（磁化）的原因是不相同的。在实际的有限强磁性物质中，同一方向的自发磁化只能存在与物质中的一个个称为磁畴的小区域内，各个磁畴内的自发磁化方向又是各不相同的，在外加磁场时，因各磁畴的磁化方向不同而相互抵消，所以在强磁性物质外面并不显现磁性。为了满足自由能最小的要求，有限的强磁物质分裂为许多磁畴，否则状态就不稳定，所以强磁性物质虽有自发磁化，但不加外磁场仍不表现强磁性的原因。当外加磁场时，由于外加磁场加了一项磁能，同样为了满足自由能最小的要求，便要求磁畴的大小和分布发生变化，这就是技术磁化过程。由于一般交换作用能比磁作用能高约1000倍，大约相当于1000K 的热能，所以它能在居里点以下胜过热扰动而维持磁有序，居里点即相当于交能与热扰动能相等的温度，这样在居里点以下，交换能大于热扰动能，可以保持一定的磁有序；反之则不能，这样物质强磁性就变为弱磁性。