认识金属材料（四） 

                                                          晏成和

内容提要：磁性展现了大自然的神奇魅力，奥斯特实验告诉我们：大自然的磁性来自电子的运动，是电流（电子的运动）伴生着磁场。

只有二价过度元素才能够形成宏观磁体，是因为二价金属材料在受到外磁场的作用时，其部分可以摆动的尾结顺应外磁场、形成平行同向的价和电子运转，构成同向的电磁力。当外磁场撤去以后，这些尾结的价和电子保持其原来与外磁场相适应的平行同向的方位，于是尾结同向的电磁力构就成了物体的宏观磁性。

金属具有延展性是因为其物质构成是电磁力结构。

关键词：二价金属  电磁力  磁化  尾结  磁致伸缩  居里点

说到金属的特性，磁性是金属最奇特的物质特性，展现了大自然的神奇魅力，令人兴奋、令人痴迷。磁性材料俗名叫做吸铁石，其最明显的特征是能够吸引钢铁等二价可磁化物质；有N、S极的磁极、悬浮的小磁针能够明确的指向地球的南极。磁性是怎样形成的？这是一个困扰人类千年的问题，好多青少年都是在小小磁铁的吸引下，走进了科学探索之路。

小学时代，只是觉得吸铁石神奇、好玩。一次，在同学家里看到同学的哥哥在大铁钉上缠绕漆包线、接上一个电池，就成了一个电磁铁，能够吸引起一大串回形针。这一次让我看到电与磁有这么神奇的关系，感觉到自然的奥妙。

上中学后，学习到的奥斯特实验。（见图一）实验显示：直流电导通，导线附近的小磁针立即偏转，电流方向与磁针偏向密切相关。人人都知道实验结论：电流（电子的直流）会在导线的周围产生磁场。近200年来，这个实验一直占据着我们的物理课堂，人人皆知、这是个几十亿人见证的实验。

                                               图一

这个实验明白无误地告诉我们：是电流（电子的运动）产生着磁场，大自然的磁性来自电子的运动。直流电是电子的宏观流动，实验中，电子的流动的方向与磁场方向息息相关。电流在导线内部、磁场呈现在导线外，大自然告诉我们：电子不仅仅是一个单纯的粒子，电子运动伴生着磁场，磁性来源于电子的运动，探讨磁性，必须研究电子的运动。

百年来，因为电子云理论、量子理论的禁锢，核外电子运动成为科研禁地，电子运动的线路、速率成为禁区。近代物理磁学研究惟命是从，回避实验事实、回避探讨核外电子运动，只能把目光投向电子的自旋，认为，磁性是来自于物质内电子的自旋磁矩。

50年前，解释磁性用的是磁畴理论；磁畴是几百个大分子的集合体。而电子的自旋已经是微观中的微观；两个理论的磁载体尺度相差了百万倍，中间跨越了核外电子运动的巨大空间。

近代物理面对奥斯特实验等如此明显的事实，还要回避电子的运动、还要在自旋中寻找磁性，可见现代物理人被洗脑、受束缚之深。宁可放弃眼前的实在，在虚幻、臆想的自旋中寻找磁性是缘木求鱼。绕开了自然真实，就只能与荒唐、虚假为伴，也就造成了磁学理论奇怪的巨大跨度。

实验中，导线内的电子运动伴生磁场，那原子的核外电子也在高速运转，电子的核外运转会不会产生磁场？回答是肯定的。

有人会问：100多种元素都有核外电子运转，那么所有元素就应该都有磁场，（这个推论是正确的！）为什么我们只是见到铁、钴、镍等材料具有磁性，所有的元素都有的磁场在哪里，你见过吗？问得好！这正是当代磁学研究者的困惑，也是我们必须面对的问题。

为此，我们有必要来看看物质是怎样构成及其所有物质内的磁性。

我在物质的构成《化学键 一个世纪的迷茫（二）》晶体形成的物理原因谈到：质子的引力也吸引相邻原子不稳定的外层电子，形成两个电子环绕两个核心运转的结构元，结构元是微观磁性的主要载体。

原子有几个价电子，就能够构建几个结构元。因此4-7价的每个原子周围都环绕同价数的结构元，由此构建了价和晶体（共价键）结构（图二左）。电子的运转确实是伴生着磁性，但是价和电子所处的方位各异，运转伴生的磁场方向紊乱，所以价和晶体不能显示宏观磁性。

                                         　　　　 图二

在《化学定组成与合金》中谈到：金属只有1-3个价电子，只能形成1-2个电子速率很高的结构元，（3价金属只有1个结构元，另题讨论）如何构建晶体？正是由于这一两个结构元的价和电子运转所伴生着N、 S磁场，磁场力将结构元相互吸引，靠电磁力维系构成了金属体的结构，如图二右。

金属材料是由电磁力、由无数个结构元吸引而成。金属材料在强力作用下结构元可以移位，移动后电磁力可以重新吸引结合。由此也就构成了金属的塑性和延展性（现代物理至今尚不能解读金属的压延）。电磁力能够使不同的金属的结构元相互吸引，于是能够构成合金。

在宏观，金属材料一般都不显示宏观磁性，表明这些材料结构元各向均布，即金属内电磁力各个方向都有，磁力都作用在材料自身的结构构成，对外不显示磁性（在精密块规端面有一定的磁力）。那么，磁铁、磁性材料的明显的N、 S极、宏观的磁性是哪里来的？

大自然有100多种元素，能够被磁化、能够显示宏观磁性的只有铁、钴、镍及几种稀土。这些材料的共同特征都是二价过度元素，是磁性材料的身份证，这是大自然向我们提供的内部资料，蕴含产生磁性的内因，是科学探案的关键线索。可气的是牛掰的磁学研究连线索都不要，完全不理会这个二价——二个价电子的关键作用。而是盲人瞎马、胡编乱造，其“理论”肯定是离题万里、那些复杂的数学计算也只是自欺欺人。

那么，这些二价材料的磁性是怎么来的？其中有什么物理原因。

“二价”告诉我们，原子有两个价电子，两个价电子能够构成两个结构元，或两、两个连环的结构元，如图三（菱形表示电子运动所在平面)。其中的一个结构元必须与另一连环的结构元相互平行、定位，即图中左、右两个A结构元在实体中必须是平行、靠近，所产生的磁力ＮＳ相互吸引、构成了金属晶体结构。而连环中另一结构元B在构成晶体结构中不起决定性的作用，尾随在A的一边，可以随外（磁场）力摆动。

 　　　　　　　　            　       图三

本来连环中的所有结构元完全一样，只是所处的位置不同，我们把形成结构的A叫做主结构元（简称：主结），把可以摆动的B叫做尾结构元（简称：尾结）。一般主结各向均布、构成金属晶体；尾结方向随机，这时的二价金属不显磁性。

当这样的二价金属在受到外磁场的作用时，其可以摆动的尾结顺应外磁场、在外磁场力作用下摆动、调整到相适应的方向，形成平行同向的价和电子运转，构成同向的价磁力。于是这样的二价金属能够被外磁场吸引；当外磁场撤去以后，这些尾结的价和电子保持其原来与外磁场相适应的运动惯性和平行同向的方位，于是尾结的电磁力构就成了物体的宏观磁性，也就是该二价金属材料被磁化了。也就是尾结方位的调整，其电磁力使物体产生了宏观磁性。

用二价材料的尾结随外磁场运动，还可以解读了一些磁学的专属特性：

各向异性   因为可以摆动的尾结全部都顺应外磁场、把自身摆动调整到与外磁场力相适应的某一个方向，形成了磁性物体ＮＳ方向与其他方向特性的特性不同，形成了磁体的磁性各向异性。

磁性材料被磁化之后，还能够保留的磁性叫做剩磁，例如纯铁，硬度不大，价和电子速率不是很高，尾结活动比较自由，遇到外磁场能够迅速地摆动位置、价和电子调整方向，比较容易被磁化；外磁场撤离后，自由的尾结大部分迅速地恢复到之前的任意方位、方向，材料的磁性所剩无几，这样剩磁较小的材料叫做软磁性材料。

因为软磁性材料的磁性来得快、去得快，在外磁场作用下尾结可以发生摆动，摆动可以改变磁性材料某方向的尺寸，这就导致了磁体的磁致伸缩。若外磁场力反复施加就形成了磁弹性。

磁化后不容易去磁的物质叫硬磁性材料。例如：钢，钢是铁碳合金，随着铁中含碳量的增加，其机械性能亦发生明显的变化。这是因碳原子直径较小，电子速率很高，高速价和运转时，伴生着较大的电磁力，又因碳原子有4个价电子，淬火时导致钢中的结构元增加；价电子速率增加。铁元素的尾结虽然存在，但是处在多结构元、高速率电子及其场的环境之中。
    遇到外磁场，处在内在强场环境的尾结不能够轻易摆动、也不易调整方向，材料难以被磁化。这样的钢材叫做硬磁性材料——难以磁化怎么还叫硬磁性材料？是因为磁化后不容易去磁。在材料凝固、内强场尚未建立时，让其在强磁场之中，尾结此时可以摆动位置、价和电子调整方向，材料被磁化。温度降低，各个结构元位置固定，内在强场形成，尾结的方位固定，外磁场撤离后，尾结电子保持运转，磁性就“剩”在了物体内，之后也不容易消磁，形成了硬磁性材料。

二价是产生磁性的必要条件；过度元素告诉我们，次外层的电子组合是产生磁性的充分条件。现代制作的稀土永磁合金，磁性已有极大的提高，其磁化原理与钢材磁性相似。

居里点  当外界温度升高，价和电子速率加快、线路变化。价和电子线路晃动导致伴生的磁力晃动，物体的磁性就减弱。当温度升高到居里点时（铁770℃）。原先平行同向的价和电子脱离平面线路，使得电磁力方向紊乱，磁性材料的磁性也就消失。温度再降低，已经紊乱的磁性不可能恢复，宏观的磁性已然消失。

                      2019/5/24  整理发表