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图5.1 一个普通磁铁由很多个电子“小磁铁”组成
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当然，并非所有的磁性都是由电子的自旋整齐排列造成的，我们熟悉的电磁铁就是由通电线圈产生，也就是说这个磁场是由电子在空间中的运动导致的。还比如说，对我们生活有着巨大影响而默默无闻的地球磁场，到现在，我们也不清楚它的产生机制。更为神奇的是，地球的磁场并不是恒久不变地指向同一个方向，它隔一段时间就会慢慢地逆转。大约每隔45万年，地球磁场的南北极会颠倒过来。幸好这个颠倒并不是一夜之间发生的，而是需要很长的时间，否则靠磁场判别方向的动物们可就真的是“找不着北”了。（“探索与发现”一节将会介绍一种有趣的靠地磁场生活的海洋生物趋磁细菌：Magnetotactic Bacteria。）
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了解了磁性产生的一些机制，我们来看看根据物质的磁性进行的分类，这样有助于我们从纷繁芜杂的磁现象中理清头绪。根据物质在外加磁场下的反应，我们把物质分为以下几大类：铁磁体、反铁磁体、顺磁体和逆磁体。听着这些名字有点糊涂了，不着急，我们来看一些在生活中常遇到的物质归属于哪一类。
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铁磁体就是像铁一样的材料，它有什么特点呢？遇到磁铁时强烈地被吸引，如果跟强磁铁在一起呆久了，它自己也带有了磁性。这些特点可以从电子自旋来理解。一根普通的铁钉里有千万个带有自旋的“小磁铁”，即电子。而且这些电子在铁钉里并不是漫无纪律，而是比较有序地排列着，如图5.2所示，大家可以看到电子在铁钉里拉帮结派，形成了“割据”。一小块区域内的电子自旋排列基本是平行的，它们形成了一个强度远远大于单个电子的“中等磁铁”，这些区域被称作磁畴（Magnetic Domain）。在铁金属中，它们的尺寸大约是几十微米（1μm等于10—6m），相当于有几十亿个电子平行排列在一起。如果我们能够单独分离出这么一小块铁来，那么我们就得到了一块微米级的磁铁（微米磁铁是一个热门的研究前沿）。但是，毫无疑问，一根铁钉可远远不止几微米，从图5.2中我们看到，宏观的铁钉是由很多个磁畴组成的。遗憾的是，这些磁畴之间并没有达成一致指向同一个方向，而是比较随意地排列着。虽然它们各自都产生不小的磁场，当组成宏观材料时，各自的磁场相互抵消，从而对外显现不出磁性来，所以一根普通的铁钉并不带有磁性。但是，当有一个磁铁靠近它时，情况就不一样了，这些“中等磁铁”（磁畴）在外加干涉下，统统指向了平行外加磁场的方向，这样它就被变成了一块强有力的磁铁（如图5.1所示那样），与外来磁铁紧密吸引。并且当外来磁铁被拿走后，这些磁畴们还念念不舍地指向同一个方向，留下了外加磁场的痕迹，这就是跟磁铁呆久了，铁也变得有磁性的原因。
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图5.2 金属铁中的“磁畴”
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反铁磁体是一种非常奇特的物质，日常生活中不容易见到，所以我们可以略开它不谈。而顺磁体和逆磁体则几乎涵盖了生活中遇到的99%以上的东西，值得我们深入地了解一下。
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在我们的生活常识中，似乎除了铁器能和磁铁发生相互作用以外，其他东西就属于“没有磁性”之类了，比如我们区分铝和铁，一个办法就是拿磁铁来吸一吸，能被磁铁吸走的是铁，否则就是铝。但是铝真的对外来磁铁没有丝毫反应吗？非也。实际上铝也被磁铁吸引着，如果不信，在后面的动手实践一节你可以自己亲手做实验验证这一点。常识还告诉我们，铜也不和磁铁发生相互作用。真是如此？非也。实际上铜被磁铁排斥着，后面你也将自己动手验证。
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你是不是觉得熟悉的世界开始混乱了？
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实际上铝和铜就是两大类物质—顺磁体和逆磁体的代表人物，它们和磁铁之间发生着微妙的相互吸引或者排斥的关系。只不过这个作用力非常小，比铁对磁铁的力要小成千上万倍，所以一般状态下不容易发现。所谓顺磁体就是像铝那样，能够感受到外来磁铁微弱的吸引力的物质；而逆磁体就是像铜那样，能够感受到外来磁铁微弱的排斥力的物质。这些性质是怎么引起的呢？首先来看顺磁体，如图5.3所示，金属铝中也有很多个“小磁铁”，即电子自旋，和铁不一样的是，铝中的这些电子自旋非常不配合，基本上都是横七竖八地排列着。即使有一个外来的磁场，它们也不愿意整齐地排列起来，大部分的电子还是横七竖八、我行我素，只有小部分的电子指向了和外加磁场平行的方向，所以宏观上它变成了一个强度很弱的大磁铁，和外加磁铁有弱小的吸引力。一旦外加磁铁撤离，它们又变得自由散漫，宏观上一点点磁性都没了。
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图5.3 顺磁体
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顺磁体还算好理解，和铁磁体有些类似。那么铜是怎么回事呢？它怎么还会被外加磁场排斥呢？按理说，铜、铝和铁都一样是良好的导体，这就证明它们里面都有大量自由活动着的电子“小磁铁”。既是磁铁，那么在外加磁场的作用下它们应该趋向于和外加磁铁相吸引才对啊。比如把一块磁铁的南极靠近指南针，指南针就会转动方向，使得自己的北极朝向外加磁铁的南极，互相吸引。要理解逆磁性还真不是一件容易的事情，但是我们还是可以用高中学过的物理知识来了解一下它最基本的原理。
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暂时先忽略电子的自旋，即把铜金属里的电子仅仅看作一个小电荷，而不是小磁铁。假设某一个铜的电子在我们的纸平面内随机地游荡着，如图5.4左图所示，在某一个时刻，它朝前运动着，具有速度v。这时，我们拿着一块磁铁靠近铜金属，给铜里面的电子带来了一个垂直于纸面向里的磁场。在这个磁场的作用下，原本开心地沿着直线运动的电子感受到了一个侧向的磁场力，这个力等于
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F=—ev×B
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我们从高中课本中学过，这个力会使得电子从直线运动变成圆周运动。圆周半径为：
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如图5.4右图所示，电子开始做顺时针旋转。注意到电子带负电，所以这等效于一个环形电流在绕着逆时针运动。电流大小为：
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I=e/t=e/（2πr/v）=e2B/2π
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根据右手定则，逆时针运动的电流产生一个垂直于纸面向外的磁场，正好与外加磁场针锋相对。如果把这个小小的环形电流看成是一个磁铁产生的话，那么它的北极指向纸外，与外加磁铁的北极相对，从而导致它被外加磁铁排斥。一块金属铜里有亿万个电子在自由运动着，它们在外来磁场的影响下做圆周运动，产生亿万个排斥外来磁铁的环形电流，这便导致了逆磁性。
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图5.4 逆磁性的来源
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一切看起来都能自圆其说，但是，且慢！我们在讨论逆磁性的时候做了一个简化，忽略了电子的自旋。如果把自旋加进来，它的贡献是顺磁性的，那结局会是怎样？而我们在讨论铝的顺磁性的时候，也根本没有把产生逆磁性的电子圆周运动考虑进来，如果考虑的话，结局又会是怎样？