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為什么磁鐵同性會相斥？

在所有物質(zhì)的原子層次上，電子占據(jù)著原子核周圍的各種電子層和亞電子層。每個亞能級可以容納兩個電子，一個自旋向上，一個自旋向下。這種自旋的差異產(chǎn)生了磁偶極子，磁的來源。大多數(shù)材料的原子是隨機定向的，所以兩極的差異相互抵消。然而，鐵和鎳等含鐵材料含有磁疇，磁疇是具有相同方向偶極子的原子簇。磁體中含有具有永久指向同一方向的偶極子的原子，這就產(chǎn)生了具有北極和南極兩端的磁場。
磁鐵同極相斥異極相吸的物理本質(zhì)是什么？

磁鐵的同極相斥，異極相吸的物理本質(zhì)是最低能原理。最低能原理是宇宙基本法則之一。溫度高的物體都會把熱量傳給溫度低的物體。水會向低處流，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)具有趨向穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢 ?；瘜W反應也如此。磁鐵異極靠近時，磁場磁力線方向相同，靠近吸引在一起會起到增強磁力的作用。屬于緊密結(jié)合是穩(wěn)定狀態(tài) 。而磁鐵的同極靠近時減弱了磁力，屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，必須相斥，調(diào)過頭來，改變磁鐵磁極方向，起到增強磁力線的作用，符合緊密結(jié)合的穩(wěn)定狀態(tài)，是最低能原理在起作用。
磁體從中間斷開后，為什么斷開部位會形成相斥的同極？

這是由磁性的本質(zhì)決定的。要搞清楚這個問題，首先要對磁性的起源有一些基本的認識。首先，從歷史上來看，第一個科學地解釋磁鐵為什么有磁性的理論應該可以算是安培的“分子電流”假說。這個理論借鑒了通電螺線管產(chǎn)生的磁場與條形磁鐵產(chǎn)生的磁場一致這個物理現(xiàn)象。該理論認為，磁體內(nèi)部都有許多帶電的粒子，它們在做圓周運動。
當這些粒子所做圓周運動的平面都平行且方向一致的時候，物體就像一個通電螺線管那樣，因此顯示出磁性。按照這個觀點，條形磁鐵從中間斷開后，斷開的部位分子電流按照右手螺旋定則產(chǎn)生的磁場就是相異的磁極。當然這都是歷史的觀點，并不是正確的。畢竟隨著實驗技術水平的提升，科學家們已經(jīng)可以觀察到物質(zhì)的分子、原子結(jié)構(gòu) 。我們發(fā)現(xiàn)所謂的“分子電流”其實并不存在，固體物質(zhì)的微觀機制更像是彈簧振子。
不過隨著量子力學和磁學的研究深入，物理學家發(fā)現(xiàn)“分子電流”雖然不存在，但是磁性的微觀機制和安培分子電流假說是有相似之處的。這是因為固體內(nèi)部雖然是由分子、原子組成，而分子、原子在其平衡位置振動。但是原子核外有繞核運動的電子，電子具有軌道磁矩和自旋磁矩。當一個物體宏觀上顯示磁性的時候，就是物體內(nèi)部的大部分電子軌道磁矩和自旋磁矩都指向同一個方向，就形成了類似“分子電流”的機制。
因此，當磁體斷開時，由于軌道磁矩和自旋磁矩的方向沒有發(fā)生變化，所以斷裂的兩端就形成了相異的磁極。在電磁學中，磁感應強度等于磁場強度乘以磁導率。而根據(jù)電磁學中的麥克斯韋方程組可以推出，磁感應強度在斷裂面出垂直方向要連續(xù)，所以斷裂面的磁場強度反比于該處磁導率。注意到斷裂后磁導率近似變?yōu)檎婵沾艑剩任磾嗔褧r的磁導率更小，因此斷裂面的磁場強度在斷裂后增大了。
為什么磁鐵之間會發(fā)生相斥相吸現(xiàn)象？背后的科學道理是什么？