自旋电子有助于解释为什么磁铁有北极和南极

将条形磁铁切成两半不会去掉它的磁极。它只会产生两个磁铁，每个磁铁的北极都会被另一个磁铁的南极吸引，反之亦然。

正是这种基本的吸引力特性使磁铁具有如此多的用途，从举办派对邀请函到冰箱，再到进行医学成像。

但是这些极点是如何产生的呢？为什么磁铁有北极和南极？

佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室主任Greg Boebinger说，磁铁是“物理学中最深的谜团之一”。尽管人们已经使用磁铁数千年了，但科学家们仍在学习磁铁的工作原理。

关于磁铁为什么有磁极的最基本答案在于电子的行为。所有物质，包括磁铁，都是由原子构成的。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”。如果这些小磁场中有足够多的指向同一方向，材料本身就会具有磁性。

电子的“自旋”是一个抽象概念，Boebinger说。从技术上讲，没有人见过电子旋转——它太小了，无法在显微镜下看到。但是物理学家知道电子有磁场，因为他们已经测量过了。产生该场的一种方式是电子在旋转。反转自旋方向，磁场就会翻转。

在可能的情况下，电子会配对，使它们的自旋相互抵消，使原子的净磁性为零。但在某些元素中，例如铁，这是不可能发生的。电子的数量和它们在原子核周围的位置意味着每个铁原子都会有一个不成对的电子产生一个小的磁场。

在未磁化的材料中，这些单独的磁场指向不同的随机方向。在那种状态下，它们大部分相互抵消，因此材料总体上不具有磁性。但在适当的条件下，微小的亚原子磁场可以对齐指向同一方向。人们可能会认为这是一群四处走动的人与所有组织起来并面向同一方向的人之间的区别。这些非常小的磁场的组合会产生更大的磁场——因此材料变成了磁铁。

许多日常生活中使用的磁铁，如冰箱贴，都被称为永磁体。在这些材料中，许多原子的磁场已经通过某种外力永久对齐——比如被置于一个更强大的磁场中。

通常，更强大的磁场是由电力产生的。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，加州劳伦斯伯克利国家实验室的资深科学家Paolo Ferracin说，通过线圈运行足够的电流会产生非常强的磁场，只要电流流动就会持续。这些电磁铁经常用于物理研究。它们还用于医疗工具，例如磁共振成像 (MRI) 机器。

地球也有自己的磁场——这就是罗盘针工作的原因。科学家将磁铁的北极定义为如果磁铁可以自由旋转则指向地球北极的一端。但从技术上讲，Boebinger解释说，这意味着地球上的北磁极实际上是南磁极，因为相反的两极相互吸引。

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，形成一个闭环。

物理学家还发现了其他磁极排列方式，包括四极，其中北极和南磁极的组合排列成正方形。但Ferracin说，一个目标仍然难以实现：目前还没有人发现磁单极子。

电子和质子是电单极子：它们每个都有一个电荷，或正或负。但是电子（以及其他粒子）有两个磁极。而且因为它们是基本粒子，所以无法进一步分解。粒子的电学和磁学行为方式之间的这种差异引起了许多物理学家的兴趣，对于一些物理学家来说，找到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。