你有没有想过，如果你把一块磁铁锯成两半，会发生什么？你可能会以为，你会得到两个没有磁性的金属片，就像切开一个苹果一样。但事实并非如此。无论你把磁铁切成多少份，每一份都会保持它的磁性，而且都会有一个北极和一个南极。这些小磁铁会互相吸引或排斥，就像一个大磁铁一样。这种神奇的现象让磁铁成为了人类生活中不可或缺的工具。你可以用它们来装饰你的冰箱，也可以用它们来探索你的身体内部。磁铁到底有什么魔力，让它们能够做到这些呢？
磁铁的发现可以追溯到古代。据说，公元前6世纪，希腊的牧羊人马格尼特（Magnes）在山上发现了一种能吸引铁的石头，后来被称为磁石。
中国最早提及“磁石”是在公元前年的《魔谷子》中。公元前二世纪的《吕氏春秋》记载了磁石使铁靠近或“吸引”它的现象。到12世纪，中国人开始使用磁铁罗盘导航。
年，英国科学家威廉·吉尔伯特是第一个使用科学方法研究磁性的人。吉尔伯特用他的地球模型（称为terrella）进行了许多实验。从他的实验中，他认为地球的中心是铁，地球实际上是一块磁铁，这就是指南针指向北方的原因，而不是由于北极星或一个大磁岛。
那磁铁为啥什么会有南北极呢？要回答这个问题，我们必须先了解磁铁是由什么组成的。所有物质，包括磁铁，都是由原子组成的。在每个原子中，原子核都被一个或多个带负电的电子包围。这些电子中的每一个都会产生自己的微小磁场，科学家称之为“自旋”。如果足够多的小磁场指向同一方向，材料本身就会变得具有磁性。
电子的“自旋”是一个抽象的概念，可以把电子想象成一个带电的小球，它在自己的轴上旋转，就像地球绕着自己的轴转一样。这样，电子就会产生一个磁场，就像地球有地磁场一样。这个磁场的方向和电子的旋转方向有关，就像地磁场的南北极和地球的自转方向有关一样。电子的自旋就是描述电子的旋转方向的一个量，它只有两个可能的值，+1/2或-1/2。当我们给电子加一个外部的磁场时，电子的自旋会受到影响，就像地球的地磁场会受到太阳风的影响一样。
电子的自旋会倾向于和外部磁场的方向一致，就像地磁场的南北极会倾向于和太阳风的方向一致一样。这样，电子的自旋就会发生变化，这个变化可以用量子力学的规律来描述，也可以用实验来观察。电子的自旋是电子的一个重要的性质，它决定了电子在原子中的排列方式，也影响了电子在物质中的运动状态，从而影响了物质的性质。
从技术上讲，没有人见过电子旋转——它太小了，在显微镜下看不到。但物理学家知道电子有磁场，因为他们已经测量过它。产生这种场的一种方式是电子在旋转。反转旋转的方向，磁场就会翻转。
在可能的情况下，电子会配对，使它们的自旋抵消，使原子的净磁性为零。但在某些元素中，例如铁，这不会发生。电子的数量和它们在原子核周围的定位方式意味着每个铁原子都有一个不成对的电子，产生一个小磁场。
在未磁化的材料中，这些单独的磁场指向不同的随机方向。在这种状态下，它们大多相互抵消，因此材料总体上没有磁性。但是在适当的条件下，微小的亚原子磁场可以对齐指向同一方向。比如木头、塑料、玻璃等，虽然它们里面的原子虽然都有自己的磁性，但是它们的方向是乱的，所以它们的磁性就互相抵消了。有些东西比如铁、钴、镍等。这是因为它们里面的原子的磁性可以被外界的力或温度改变，使得它们的方向都一样了。这就好像一群人从散乱的状态变成了整齐的状态一样。当这些原子的磁性都对齐了，它们就会合成一个大的磁性，使得整个东西变成了磁铁，这个过程叫做磁化。
日常生活中使用的许多磁铁，如冰箱磁贴，是永磁体。在这些材料中，材料中许多原子的磁场已经通过某种外力永久排列-就像被置于更强大的磁场中一样。
通常，更强大的磁场是由电产生的。电和磁从根本上是联系在一起的，因为磁场是由电荷的运动产生的。这就是为什么旋转电子具有磁场的原因，但科学家也可以利用电力来制造非常强大的磁铁。通过线圈运行足够的电流会产生非常强的磁场，只要电流流动，该磁场就会持续。这些电磁铁经常用于物理研究。它们还用于磁共振成像（MRI）机器等医疗工具。
地球也有自己的磁场——这就是罗盘针的工作原理。科学家将磁铁的北极定义为如果磁铁可以自由旋转，它将指向地球北极的一端。但从技术上讲，这意味着地球上的北极磁极实际上是一个磁南极，因为相反的两极会吸引。
在物理学惯例中，磁场线从磁铁的北极向外流动并进入其南极，形成一个闭合回路。你可以用一些小铁屑和一块磁铁来做一个简单的实验，来观察这种现象。把磁铁放在一张纸上，然后在纸上撒上一些铁屑。你会看到铁屑沿着磁场线排列，形成一个类似于花朵的图案。这就是磁铁的磁力的可视化。
物理学家还发现了磁极的其他排列，包括四极杆，其中南北磁极的组合排列成一个正方形。但有一个目标仍然难以实现，就是还没有人发现磁单极子。
电子和质子是电单极子，它们各有一个电荷，无论是正电荷还是负电荷。但是电子（以及其他粒子）有两个磁极。因为它们是基本粒子，所以它们不能进一步分解。粒子在电和磁方面表现方式之间的这种差异引起了许多物理学家的兴趣，对于一些人来说，找到一个具有单个磁极的粒子是圣杯。它的发现将挑战我们目前所理解的物理定律。
磁铁可以说是“物理学中最深奥的谜团之一，虽然人们使用磁铁已有数千年的历史，但科学家们仍在学习有关磁铁工作原理的新知识。也许有一天，我们会揭开磁铁的所有秘密，也许我们会发现更多的奇迹。
