“磁”是什么？

我国古代劳动人民，在几千前首先发明了指南针，用来判断航行的方向。我们懂得怎样利用磁的历史已经很悠久了。今天我们日常生活中到处都用得着“磁”，但是“磁”到底是什么呢？为什么指南针会受一种力的作用而指一定的方向呢？

在我们还没有说明磁的来源以前，我们必须了解“磁”，是表现为“磁力”而存在的。如果不谈“磁力”，空谈“磁”是没有意义的。

一般说物体之间可能有三种作用“力”，那就是：“万有引力”、“电力”和“磁力”。由于物体有“质量”而相互吸引的力，地心吸力，叫做“万有引力”；物体上有“电荷”而相互吸引或推拒的力叫“电力”；物体上带“磁性”而相互吸引或推拒的力叫“磁力”。这是三种完全不同的力，因为静止的“电荷”、“质量”和“磁性物体”之间没有丝毫的作用。

我们可以这样的说：“任何物质，如果带磁性，那么它对另一带磁性的物质，一定相互有力的作用”。指南针就是一种已经带有磁性的物质。用指南针便可以检验其他物质是否也有磁性。例如图（1）我们把一个指南针放在一块铁棒或线圈的面前，如果指南针由位置甲变为位置乙或丙，这块铁或线圈就带磁性；指南针不动，这块铁或线圈就没有磁性。“磁”就是这样来表现它的存在的。

某些物质为什么有磁性，科学家安培在100余年前用“磁性的电子论”做过纯理论性的解说，这解说虽不全面，却给人类对磁的理解开辟了道路。

安培认为：因为原子里有作“环路运动”的电子，所以能显磁性。今天，我们更进一步晓得在原子里作轨道运动的电子并不真是物质有磁性的来源，这种运动，像电子在线圈里流动一样，本身虽能够产生磁，但它们的磁效应是不能表现出来的。例如氢的原子里，只有一个轨道运动的电子，虽有磁性，但氢气分子是两个原子所组成，在氢分子里两个电子绕轨道运动的方向相反，所以结果相消，使氢气不显磁性。其他含电子数在一个以上的原子，在每个原子里，电子轨道运动的磁效应就相互抵消了。如果单靠这种电子的环路运动，我们日常接触的物质，都不会显磁性的。

我们晓得原子里的电子，除了轨道运动外，还有绕自己的轴旋转的运动，除此以外，带正电的原子核本身也有就地绕自己的轴旋转的运动，如图（2）。这两种运动，就像小孩所玩的陀螺的运动一样，（图3）。

正是这种电荷的自转运动有效的产生了磁。电子轻转得快；原子核重转得慢。电子自转的磁效应，远大于原子核的自转运动。所以一切物质的原子如果有磁性的话，应当主要是靠电子的自转运动。

但是在大多数物质的原子里，这种自转电子的转轴是平行的，而旋转方向成对的相反（对氢来说是在分子里成对的相反），结果也显不出磁性来。只有少数几种物质，如铬、铁、钴、镍等，电子向一方面自转的数目比向另一方面的多。例如铁的电子共26个，分四层，其中15个正转，11个反转，使得整个铁的原子里有4个电子自转的磁效应可以表现出来。

我们说这少数几种物质是有产生“磁”的条件的，因为它们的每个原子本身就有磁性，但到底一块这种物质能否显磁性，还要看原子们在一起相互排列的位置。图（4）代表许多个别显磁性的原子在物质里分布的情形，它们的磁轴方向很不规则。整块的这种物质，在没有受过磁化处理以前，对外也是不显磁性的。但是奇怪得很，特别在有些强磁性的物质里，大约每1千万亿个原子的区域就成为一个“磁畴”，这些个磁畴是显磁性的。但在没有受磁化处理以前，所有磁畴的磁效应相互抵消，所以结果整块物质不显磁性。这种情形如图（5）所示。如果外面加以很大的磁力，每个磁畴像小指南针一样会得转动，这种转动可用图（6）的回路图来实验证明。当我们调整电阻R使磁化线圈里的电流逐惭加大时，被试铁棒内磁畴的转动，使得喇叭里发出断续的“客裂”声音。惟电流增到够大后，“客裂”声就没有了。这时所有磁畴的磁性方向都和外加磁力的作用方向相同了。图（7）表示这时物质的内部状态。

再增大磁化线圈里的电流，就进入到“磁性过饱合”的阶段，不能产生更大的磁效应来。

本来不显磁性的物质，一般地说，都是经过同样的磁化程序方显磁性的。有些物质（如铁片）磁化过程容易，外磁力一不存在，磁性就因分子心热运动，排列混乱而消失；另一些物质磁化难，消磁也难，可以做成永久磁铁。指南针就是一个水久磁针。

电子在原子里的运动，人类已经能够充分加以利用，在无线电里把线圈绕在铁心上，做成变压器，就是利用铁心容易被磁化产生很大磁效应的特性；收音机里有一种音质很好的永磁喇叭，就是利用永久磁铁有很大的磁力的特性，如图（8）。

环形电流是可以产生磁的，如图（9）。我们想像有一块永久磁铁片，它的边缘恰和一个线圈重合，它所表现的磁性和那线圈里有适当电流时所表现的磁性几乎完全是一样的。如图（10）。

其实不一定要环形电流，任何电流（即电荷的运动）都会表现磁性，在一根导电的导线四围，小指南针也会受磁力作用按一定方向排列起来如图（11）。两根有电流的导线间也有磁力相互作用，如图（12）。

手里拿着一个带电的玻璃捧在小指南针附近迅速挥动；小指南针也同样会动，图（13）。

所以说“电流有磁性”还不如说“运动的电荷就有磁”。“磁”也可以说是运动电荷所有的一种特性，电荷不运动时没磁性只有电性，电荷一运动就立刻有了磁性，电和磁的关系基本上就发生在这里。正因为如此，所以无线电的发信天线里必须先有电荷的流动，才会产生磁，得到“电磁波”的幅射。小小的电表里，必须要有电荷通过才发生磁力作用，使指针转动。

我们说过有带正电的质子，和带负电的电子，正电和负电完全分开事实上是可能做到的。

磁力和电力既很相似，那么我们单从力的表现来看也可以分为“正磁”和“负磁”。人们已经这样分过，并分别叫做“北磁极”和“南磁极”。南北磁极间相互作用力的规律和正负电荷间的几乎完全是一样的。

但是这种分法只代表一种概念，事实上两种磁性在任何情形下都是同时存在的。自转的电子轴有两端，一端显南磁性，另一端就显北磁性；同样磁铁棒有两头；磁铁片有两面；有电流的线圈有两边。这些都是一方面显北磁性，另一方面就显南磁性。所以我们有永远配对成双的“磁偶”观念，我们的地球有磁的南极和北极就是一个最大的磁偶。一个磁性的原子或一个磁畴，都是磁偶。

磁和电在无线电里同样重要。我们以后还要经常谈到磁，这里不过是一个开端罢了。（沈肇熙）