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图5.10 铝箔被强磁铁吸引
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现在应该相信我开始所言不假了吧？看到扭称另一端的胡萝卜，你有没有在想，反正闲着也是闲着，要不要看一看胡萝卜有没有磁性呢？举手之劳，请见图5.11，哈哈！原来隐藏得最深的胡萝卜也是具有磁性的！而且看它与磁铁之间的缝隙，似乎它比铜丝的逆磁性还要强呢！
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图5.11 胡萝卜也具有磁性
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估计你到这时候应该相信，身边的东西大概都是有磁性的，不仅仅只有铁有这个性质。只不过它们的磁性有强有弱。除了铁磁性容易被人关注以外，其他看似没有磁性的东西实际上也是具有微弱的抗磁性或者顺磁性的。
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让我们回头再来看看大家公认的磁性物质，金属铁，在19世纪末，法国著名的物理学家居里先生（居里夫人的老公）在实验中发现，铁的磁性随温度的升高而降低。我们知道，一块普通的金属铁，如果和别的磁铁在一起呆久了也会变成一块磁铁。而且更有趣的是，当铁的温度上升到770℃以上时，它的磁性就完全消失了，这个温度被称作“居里温度”。我们可以形象地理解这一现象，首先带有磁性的铁里面的电子自旋基本上都是朝向同一个方向的，如图5.1所示，随着温度的升高，电子运动速度和金属中离子的振动幅度都会加大。这些更加活跃的电子和离子之间相互碰撞着就导致一些电子的自旋偏离了原来的方向，所以磁性减弱。而当温度高到一定程度的时候，金属中的电子和离子运动得如此剧烈，它们的自旋就完全乱了方向，这个温度就是居里温度。不同材料的居里温度有着很大的差别，而且与它们一开始的磁性强弱并没有直接的联系。比如一般的黑色磁铁（主要成分是四氧化三铁），其居里温度是800℃左右，而磁性非常强的钕铁硼磁铁，其居里温度只有两百多摄氏度，只要稍微在火焰上烤一下就变得没有磁性了。
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根据物质的这个特性，人们设计了一种巧妙有趣的“居里引擎”，或称“居里单摆”，见图5.12。图5.12中，被火焰烧红的部分是一根钉书针，它通过一根铜导线悬挂起来形成一个单摆。钉书针被图5.12右边黑色的磁铁所吸引，所以停留在图5.12中的位置。但是随着火焰的加热，钉书针的温度越来越高，最终超过了770℃，这时钉书针变得没有磁性了（更准确地说是变成了顺磁体，而我们前面看到过顺磁体与磁铁的相互作用是非常微弱的），在重力的作用下，单摆离开磁铁。一旦它离开火焰的加热，其温度很快就降下来了，它又恢复了铁磁性，从而又被黑色磁铁吸引回来，完成了一个运动周期。
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图5.12 居里单摆
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这个看似简单的单摆制作上需要一些比较细微的调整，比如单摆的长度、悬挂铁丝的重量、与磁铁的距离以及火焰的温度等。要使得这个制作能成功，单摆离磁铁的距离要适中，要使得单摆在竖直位置的时候悬挂的铁丝还能够受到足够大的磁场吸引力而偏向磁铁。铁丝质量不能太多也不能太少，太多的话，火焰无法把它加热到770℃以上；太少的话黑色磁铁对它的吸引力就太小，不足以让它摆动，总而言之，这是一个不断尝试和调整的过程。这个过程也让成功变得更加激动人心。我刚开始制作的时候觉得这个非常简单，但是做好了以后单摆一直就被磁铁吸住，不能摆动，我怀疑是我自制的医用酒精灯（70%酒精含量）火焰的温度不够高，但是我用万用表的温度挡和热电偶测量火焰黄色部分的温度，有将近900℃（见图5.13，有一些比较新的万用表是带有温度测量功能的，并附带热电偶，可以测量1000℃以下的温度，物美价廉），这就说明酒精火焰是足以把铁加热到居里温度以上的。后来我减少了铁丝的重量（开始使用了几个钉书针，最后减少到了一个），终于单摆能够离开磁铁的吸引，振荡起来。
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图5.13 测量火焰温度
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探索与发现
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作为科学家，虽然是业余的，我们也要从定量的角度了解物质的性质。因为只有了解定量的知识，才能有新的发现、新的创造，知道什么是不可能的、什么是可能的。我们来看一看衡量各种物质磁性的参数，磁化率（英文名叫Magnetic Susceptibility，这个Susceptibility可是个难记、难念的单词）。磁化率是一个无量纲的量，它是这样定义的：当从一个物质外面加以磁场B时，会引起物质本身产生一个或强或弱、或顺从或逆反的磁场b，磁化率就是这两者之比。如果在物质内诱发的磁场和外加磁场方向一致，那么磁化率就是正的；反之，则是负的。所以说铁磁和顺磁物质的磁化率都是正的，逆磁物质的磁化率是负的。下面的列表里展示了一些常见物质的磁化率（数据取自英文维基百科Ferromagnetism、Diamagnetism、Paramagnetism等词条）。
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这个表包含了很多信息，首先如开始所说，顺磁和铁磁的磁化率是正的，逆磁是负的。另外我们注意到顺磁和逆磁的磁化率都非常小，在10—5量级，这表示如果外加一个1特斯拉（1T）的钕铁硼强磁铁，我们只能在铝里面引导出0.22高斯（G）的磁场来。特斯拉和高斯是两位著名的科学家，他们都是磁场的单位，1T=10 000G。一般黑色磁铁大约是几十个到几百高斯，钕铁硼强磁铁可以在其表面产生1T的磁场，这也是目前永久磁铁所能达到的最高记录。地球磁场在赤道附近是0.3G。所以，可见顺磁和逆磁物质即使在外加强磁场的情况下，也只有非常微弱的反应，这就是为什么我们平时都认为它们没有磁性。表中另外一个有趣的地方是，水和石墨（碳）都具有不错的逆磁性，这就是为什么胡萝卜都会被磁铁排斥了。而作为铁磁物质掌门人的金属铁，其磁化率竟然是3000左右，这比逆磁和顺磁物质大了近亿倍。与铝和铜同为良导体的金属，它们的磁性竟有如此巨大的差别，难怪惹得科学家们想要一探究竟了。表中最后一行是一个特立独行的材料—超导体，它的磁化率是—1。这个比起铁磁体来似乎不那么令人惊讶，但是实际上这是一类更令人着迷的物质。我们来看看磁化率—1是什么意思，它表示，外来一个磁场，超导体内就会产生一个与之一模一样的磁场来抵抗（注意外加磁场如果过大会摧毁超导效应）。这太神奇了，为什么能够不多不少恰好抵消呢？这个问题以及超导机制等问题，都依然是今天研究的前沿方向。
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在“基本原理”那一章里我们还提到了依靠地球磁场判别方向的生物们，其中有一种简单而且有趣的水生生物叫作“趋磁细菌”，图5.14就展示了这么一幅趋磁细菌的显微照片。它们的身长大约几微米，身体的两端有两根细长的触须（图片中未显示）。有趣的是，在它身体里面有一根类似脊柱的线，当然这不可能是脊柱，它离修炼到脊椎动物还差得远呢。那这是什么呢？这些是细菌身体内的“结石”，大多是几十纳米大小的四氧化三铁颗粒。我们知道四氧化三铁就是常见的黑色磁铁，所以这种细菌体内就有很多个小磁铁。它们在地球磁场的作用下排成一条线，这样身体柔软的细菌就变成了一个小小的“指南针”了。在水中它们靠旋转两根细长的触须产生向前或向后运动的推动力，而决定运动方向的则是当地地球磁场的方向。除了赤道附近的磁场是基本平行于海平面以外，其他地方的磁场都是与海平面有个夹角。这样，这些细菌沿着磁力线运动，就可以到达海面获取氧气，或者深入水面以下获得食物。如此说来，它应该是指南针的最早发明者了。
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物质的磁性可是一门庞大而且仍然生机勃勃的学问，而且研究它们也给我们的生活带来了很多进步。本章是关于磁性最基本的一个介绍，如果读者感兴趣，可以通过阅读别的书籍来进一步了解这门迷人的学科。在本书后面的章节中，我们将看到用磁铁制作的电动机、磁悬浮等有趣的内容，通过亲手制作来了解更多有关磁性的方方面面。
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图5.14 趋磁细菌的显微照片图片
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取自网站http://www.calpoly.edu/~rfrankel/mtbphoto.html，由Richard B.Frankel教授拍摄