大多數(shù)人最初欣賞物理學(xué)的魅力，是從磁鐵開(kāi)始的。從小我們就接觸了這種有趣的“石頭”，學(xué)會(huì)了用它來(lái)鑒別眼前的金屬是不是鐵。但是為什么這個(gè)世界上只有能吸收鐵的“石頭”，卻沒(méi)有能吸收銅和鋁的石頭呢？
磁鐵礦也叫磁鐵，但實(shí)際上它既不是石頭，也不是純鐵物體。一般來(lái)說(shuō)，磁鐵還含有許多其他物質(zhì)。在物理學(xué)中，我們稱磁鐵為“永久磁鐵”，顧名思義，是一種在室溫下能始終顯示磁性的物質(zhì)。永磁體可以表現(xiàn)出磁性，其他物質(zhì)表現(xiàn)不出磁性不代表沒(méi)有磁性。本質(zhì)上，世界上所有的物質(zhì)在微觀層面上都是有磁性的。為什么這么說(shuō)？這就要涉及到磁場(chǎng)的性質(zhì)了。我們知道，電磁學(xué)是一脈相承的，所以當(dāng)我們談到磁性時(shí)，就不得不談到電，而電子是磁場(chǎng)的初始來(lái)源。
世界上所有的物質(zhì)，無(wú)論是鐵還是銅，都是由原子組成的，而一個(gè)原子的結(jié)構(gòu)大致可以分為兩部分，即原子核和核外電子。
以鐵原子為例，有26個(gè)電子在原子核外層層排列，繞著原子核運(yùn)動(dòng)。那么為什么電子會(huì)繞著原子核運(yùn)動(dòng)呢？因?yàn)樵雍藘?nèi)有質(zhì)子，質(zhì)子帶正電，而原子核外的電子帶負(fù)電。根據(jù)同性相斥，異性相吸的原理，原子核外的電子與原子核緊密結(jié)合，于是就形成了一個(gè)完整的原子。
由于原子核中帶正電荷的質(zhì)子數(shù)與帶負(fù)電荷的電子數(shù)相等，相互抵消，普通原子不帶電，一旦因?yàn)槟撤N原因，少了或多了一個(gè)電子，原子就會(huì)變成帶電離子。雖然普通原子不帶電荷，但原子中的電子實(shí)際上是帶電荷的。有了電荷，周圍就會(huì)有電場(chǎng)。
既然有了電場(chǎng)，就很容易把磁場(chǎng)弄出來(lái)，讓帶電粒子動(dòng)起來(lái)就行了。事實(shí)上，電子和原子核都沒(méi)有片刻的靜止，而是一直在運(yùn)動(dòng)。
有一種電子的運(yùn)動(dòng)叫做“自旋”，電子的高速自旋必然會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這就是為什么我們說(shuō)所有的物質(zhì)在微觀層面上都是有磁性的。有趣的是，雖然在微觀層面上，所有的物質(zhì)都具有磁性，但在宏觀層面上，只有鐵、鈷、鎳等少數(shù)金屬物質(zhì)具有天然磁性。為什么會(huì)這樣？雖然所有的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，但是不同的物質(zhì)之間，原子的排列結(jié)構(gòu)有很大的差異。我們可以這樣理解，大部分物質(zhì)的原子排列方向并不整齊規(guī)則，所以原子的磁性相互抵消，所以由磁性原子組成的物質(zhì)沒(méi)有磁性。
一種物質(zhì)要想具有天然磁性，至少要滿足兩個(gè)條件，一是具有半滿的外層電子層結(jié)構(gòu)，二是具有磁場(chǎng)同向排列的晶體結(jié)構(gòu)。
雖然只有兩個(gè)條件，但足以篩選出世界上大部分的物質(zhì)，所以只有上述金屬物質(zhì)能滿足這兩個(gè)條件。那么磁鐵為什么能吸引鐵呢？一般情況下，鐵塊內(nèi)部的磁性區(qū)域是隨機(jī)分布的，所以磁場(chǎng)相互抵消，無(wú)法直接向外部顯示磁性。當(dāng)磁鐵靠近時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)外部磁場(chǎng)。在這種外部磁場(chǎng)的作用下，鐵塊內(nèi)部的磁性區(qū)域的方向趨于一致，所以對(duì)外表現(xiàn)出磁性，與磁鐵吸附在一起。
銅不能被磁化的原因是銅原子的電子層是滿的。當(dāng)受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子循環(huán)，使自身磁性與外磁場(chǎng)相反，從而表現(xiàn)出抗磁性。所以銅也是典型的抗磁性。
與銅不同，鋁原子中有一個(gè)不成對(duì)電子，所以在外磁場(chǎng)的作用下，鋁原子會(huì)沿著外磁場(chǎng)線的方向排列，從而表現(xiàn)出順磁性。順磁性物質(zhì)本身是一種非磁性物質(zhì)，但它不是非磁性的。如果用精密的儀器進(jìn)行測(cè)量，會(huì)發(fā)現(xiàn)在外磁場(chǎng)的作用下，鋁會(huì)在磁場(chǎng)方向呈現(xiàn)出很弱的磁化。綜上所述，一種物質(zhì)能否被某種神奇的“石頭”吸引，取決于該物質(zhì)能否被磁化，而一種物質(zhì)能否被磁化，取決于該物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。這就是為什么世界上只有鐵氧體，沒(méi)有銅鋁的原因。