磁

抗磁性是物質抗拒外磁場的趨向，因此，會被磁場排斥。所有物質都具有抗磁性。可是，對於具有順磁性的物質，順磁性通常比較顯著，遮掩了抗磁性。[19] 只有純抗磁性物質才能明顯地被觀測到抗磁性。例如，惰性氣體元素和貴金屬元素（金、銀、銅等等）都具有顯著的抗磁性。[6]當外磁場存在時，抗磁性才會表現出來。假設外磁場被撤除，則抗磁性也會遁隱形跡。

在具有抗磁性的物質裏，所有電子都已成對，內秉電子磁矩不能集成宏觀效應。抗磁性的機制是電子軌域運動，用經典物理理論解釋如下：[20]

由於外磁場的作用，環繞著原子核的電子，其軌域運動產生的磁矩會做拉莫爾進動，從而產生額外電流與伴隨的額外磁矩。這額外磁矩與外磁場呈相反方向，抗拒外磁場的作用。由這機制所帶來的磁化率與溫度無關，以方程式表達為

${\displaystyle \chi =-\ {\frac {\mu _{0}NZe^{2}}{6m}}\langle r^{2}\rangle }$ ；

其中，${\displaystyle \mu _{0}}$ 是磁常數，${\displaystyle Z}$ 是原子數量密度，${\displaystyle N}$ 是原子序，${\displaystyle B}$ 是磁場，${\displaystyle m}$ 是電子質量，${\displaystyle r}$ 是軌道半徑。${\displaystyle \langle r^{2}\rangle }$ 是 ${\displaystyle r^{2}}$ 的量子力學平均值。

特別注意，這解釋只能用來啟發思考。正確的解釋需要依賴量子力學。

對於順磁性物質、鐵磁性物質、反鐵磁性物質，磁化率與溫度之間的理論關係。[20]

鹼金屬元素和除了鐵、鈷、鎳以外的過渡元素都具有順磁性。[6]在順磁性物質內部，由於原子軌域或分子軌域只含有奇數個電子，會存在有很多未配對電子。遵守包立不相容原理，任何配對電子的自旋，其磁矩的方向都必需彼此相反。未配對電子可以自由地將磁矩指向任意方向。當施加外磁場時，這些未配對電子的磁矩趨於與外磁場呈相同方向，從而使磁場更加強烈。假設外磁場被撤除，則順磁性也會消失無蹤。

一般而言，除了金屬物質以外，[6]順磁性與溫度相關。由於熱騷動（）造成的碰撞會影響磁矩整齊排列，溫度越高，順磁性越微弱；溫度越低，順磁性越強烈。

在低磁場，足夠高溫的狀況，[註 1]根據居里定律，磁化率 ${\displaystyle \chi }$ 與絕對溫度 ${\displaystyle T}$ 的關係式為[20]

${\displaystyle \chi =C/T}$ ；

其中，${\displaystyle C}$ 是依不同物質而定的居里常數。

磁化強度（豎軸）與H場（橫軸）之間的磁滯迴路關係。

在鐵磁性物質內部，如同順磁性物質，有很多未配對電子。由於交換作用（），這些電子的自旋趨於與相鄰未配對電子的自旋呈相同方向。由於鐵磁性物質內部又分為很多磁疇，雖然磁疇內部所有電子的自旋會單向排列，造成「飽合磁矩」，磁疇與磁疇之間，磁矩的方向與大小都不相同。所以，未被磁化的鐵磁性物質，其淨磁矩與磁化向量都等於零。

假設施加外磁場，這些磁疇的磁矩還趨於與外磁場呈相同方向，從而形成有可能相當強烈的磁化向量與其感應磁場。 隨著外磁場的增高，磁化強度也會增高，直到「飽和點」，淨磁矩等於飽合磁矩。這時，再增高外磁場也不會改變磁化強度。假設，現在減弱外磁場，磁化強度也會跟著減弱。但是不會與先前對於同一外磁場的磁化強度相同。磁化強度與外磁場的關係不是一一對應關係。磁化強度比外磁場的曲線形成了磁滯迴線。

假設再到達飽和點後，撤除外磁場，則鐵磁性物質仍能保存一些磁化的狀態，淨磁矩與磁化向量不等於零。所以，經過磁化處理後的鐵磁性物質具有「自發磁矩」。

每一種鐵磁性物質都具有自己獨特的居里溫度。假若溫度高過居里溫度，則鐵磁性物質會失去自發磁矩，從有序的「鐵磁相」轉變為無序的「順磁相」。這是因為熱力學的無序趨向，大大地超過了鐵磁性物質降低能量的有序趨向。根據居里-外斯定律，磁化率 ${\displaystyle \chi }$ 與絕對溫度 ${\displaystyle T}$ 的關係式為[20]

${\displaystyle \chi =C/(T-T_{c})}$ ；

其中，${\displaystyle T_{c}}$ 是居里溫度（採用絕對溫度單位）。

假設溫度低於居里溫度，則根據實驗得到的經驗公式，

${\displaystyle \Delta M(T)/M_{0}=\beta T^{3/2}}$ ；

其中，${\displaystyle \Delta M(T)=M(T)-M_{0}}$ 是磁化強度差，${\displaystyle M(T)}$ 與 ${\displaystyle M_{0}}$ 是物質分別在絕對溫度 ${\displaystyle T}$ 與 ${\displaystyle 0K}$ 的磁化強度，${\displaystyle \beta }$ 是依物質而定的比例常數。

這與布洛赫溫度1.5次方定律（Bloch T^3/2 law）的理論結果一致。

鎳、鐵、鈷、釓與它們的合金、化合物等等，這些常見的鐵磁性物質很容易做實驗顯示出其鐵磁性。

鐵磁性物質內部的磁疇。磁化強度以帶箭頭綠色或黃色直線表示。

不同種類的磁疇：a）單獨磁疇。b）兩個異向磁疇。c）多個磁疇，最小能量態。磁疇所生成的磁場以帶箭頭細曲線表示。磁化強度以帶箭頭粗直線表示。

外磁場作用於磁疇所產生的效應。外磁場以帶箭頭粗直線表示。磁化強度以帶箭頭綠色或黃色直線表示。

在鐵磁性物質內部，由於原子的磁矩不等於零，每一個原子的表現就好似微小的永久磁鐵。假設聚集於一個小區域的原子，其磁矩都均勻地同向平行排列，則稱這小區域為磁疇或外斯疇（）。使用磁力顯微鏡（），可以觀測到磁疇。

磁疇的存在是能量極小化的後果。這是物理大師列夫·朗道和葉津·李佛西茲（）提出的點子。假設一個鐵磁性長方體是單獨磁疇（右圖a），則會有很多正磁荷與負磁荷分別形成於長方塊的頂面與底面，從而擁有較強烈的磁能。假設鐵磁性長方塊分為兩個磁疇（右圖b），其中一個磁疇的磁矩朝上，另一個朝下，則會有正磁荷與負磁荷分別形成於頂面的左右邊，又有負磁荷與正磁荷相反地分別形成於底面的左右邊，所以，磁能較微弱，大約為圖a的一半。假設鐵磁性長方塊是由多個磁疇組成（右圖c），則由於磁荷不會形成於頂面與底面，只會形成於斜虛界面，所有的磁場都包含於長方塊內部，磁能更微弱。這種組態稱為「閉磁疇」（），是最小能量態。[20]

如左圖所示，將鐵磁性物質置入外磁場，則磁疇壁會開始移動，假若磁疇的磁矩方向與外磁場方向近似相同，則磁疇會擴大；反之，則會縮小。這時，假若關閉磁場，則磁疇可能不會回到原先的未磁化狀態。鐵磁性物質已被磁化，形成永久磁鐵。

假設磁化足夠強烈，所有會擴大的磁疇吞併了其它磁疇，結果只剩下單獨一個磁疇，則此物質已經達到磁飽和。再增強外磁場，也無法更進一步使物質磁化。

假設外磁場為零，現將已被磁化的鐵磁性物質加熱至居里溫度，則物質內部的分子會被大幅度熱騷動，磁疇會開始分裂，每個磁疇變得越來越小，其磁矩也呈隨機方向，失去任何可偵測的磁性。假設現在將物質冷卻，則磁疇結構會自發地回復，就好像液體凝固成固態晶體一樣。

反鐵磁性的有序排列

在反鐵磁性物質內部，相鄰價電子的自旋趨於相反方向。這種物質的淨磁矩為零，不會產生磁場。這種物質比較不常見，大多數反鐵磁性物質只存在於低溫狀況。假設溫度超過奈爾溫度，則通常會變為具有順磁性。例如，鉻、錳、輕鑭系元素等等，都具有反鐵磁性。

當溫度高於奈爾溫度 ${\displaystyle T_{N}}$ 時，磁化率 ${\displaystyle \chi }$ 與溫度 ${\displaystyle T}$ 的理論關係式為[20]

${\displaystyle \chi ={\frac {2C}{T+T_{N}}}}$ 。

做實驗得到的經驗關係式為

${\displaystyle \chi ={\frac {2C}{T+\theta }}}$ ；

其中，${\displaystyle \theta }$ 是依物質而定的常數，與 ${\displaystyle T_{N}}$ 差別很大。

理論而言，當溫度低於奈爾溫度 ${\displaystyle T_{N}}$ 時，可以分成兩種狀況：[21]

• 假設外磁場垂直於自旋，則垂直磁化率近似為常數 ${\displaystyle \chi _{\perp }\approx C/T_{N}}$ 。
• 假設外磁場平行於自旋，則在絕對溫度0K時，平行磁化率為零；在從0K到奈爾溫度 ${\displaystyle T_{N}}$ 之間，平行磁化率會從 ${\displaystyle \chi _{\parallel }(0)=0}$ 平滑地單調遞增至 ${\displaystyle \chi _{\parallel }(T_{N})=C/T_{N}}$ 。

亞鐵磁性的有序排列

像鐵磁性物質一樣，當磁場不存在時，亞鐵磁性物質仍舊會保持磁化不變；又像反鐵磁性物質一樣，相鄰的電子自旋指向相反方向。這兩種性質並不互相矛盾，在亞鐵磁性物質內部，分別屬於不同次晶格的不同原子，其磁矩的方向相反，數值大小不相等，所以，物質的淨磁矩不等於0，磁化強度不等於零，具有較微弱的鐵磁性。

由於亞鐵磁性物質是絕緣體。處於高頻率時變磁場的亞鐵磁性物質，由於感應出的渦電流很少，可以允許微波穿過，所以，可以做為像隔離器、循環器、回旋器等等微波器件的材料。

由於組成亞鐵磁性物質的成分必需分別具有至少兩種不同的磁矩，只有化合物或合金才會表現出亞鐵磁性。常見的亞鐵磁性物質有磁鐵礦（Fe₃O₄）、鐵氧體（ferrite）等等

當鐵磁體或亞鐵磁體的尺寸足夠小的時候，由於熱騷動影響，這些奈米粒子會隨機地改變方向。假設沒有外磁場，則通常它們不會表現出磁性。但是，假設施加外磁場，則它們會被磁化，就像順磁性一樣，而且磁化率超大於順磁體的磁化率。

简单的电磁铁

1820年，丹麥物理學家漢斯·奧斯特發現載流導線會產生磁場[22]。而當直流电通過螺線管（线圈）时，會在螺線管之內製成均勻磁場。如果在螺線管的中心置入鐵磁性物質（铁芯），被磁化后的鐵磁性物質會大大增強磁場。因此，电磁铁一般由環繞鐵芯的線圈構成[23]，電磁鐵所產生的磁場與電流大小、線圈圈數及中心的鐵磁體有關[24]。由於線圈的材料具有電阻，這限制了電磁鐵所能產生的磁場大小，但隨著超導體的發現與應用，將有機會超越現有的限制。

電磁鐵屬非永久磁鐵，可以通过控制电流將其磁性啟動或是消除。不过，由于H場和B場是非線性關係，所以电磁铁断电后仍具有剩磁。电磁铁的应用非常普遍，例如：大型起重機利用電磁鐵將廢棄車輛抬起，自勵式發電機利用剩磁能夠自行啟動等[25]。

釹鐵硼磁鐵立方體。

永磁鐵能夠長期保持其磁性，可分為天然的磁石（磁铁矿）和人造磁鐵（鋁鎳鈷合金等）。永久磁鐵必須具有寬廣高長的磁滯迴線。這樣，當外磁場為零時，仍舊能夠具有比較強烈的磁化強度；假若要將磁化強度變為零，需要施加比較強烈的外磁場。永磁体按照材料可分為鐵氧體、鋁鎳鈷合金和稀土磁鐵。