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磁是什么？
磁并不振动，没有火花，没有噪声，磁还可以玩游戏……总之，磁是一种自然现象。与它的近亲——电相比，它更平淡无奇，但那只是表面现象。
我们知道，把一块磁铁靠近一块铁会发生什么事情——相互吸引。但如果把磁铁对着一个塑料杯子、一种植物、一张报纸或任何其他非金属的物质，似乎什么也没有发生，但实际上仍然有磁作用，只是磁效应很微弱，我们感觉不到，以致被忽略。实际上，所有物质对磁作用都有反应，因为原子核和电子都有磁性。电子具有较强的磁性，大约2000个质子的磁性才与1个电子的磁性相当。只用经典物理学的理论是不能解释磁的各种性质的。例如在经典物理学中，我们知道围绕原子核运动的电子的表现如同一个小磁针，但是只知道运动电荷产生磁场是不够的。实际上，中子也像一小块磁铁，我们用经典物理学无法理解无电荷、但具有磁矩的中子的磁性。要解释磁性问题还需要去拜访磁性材料方面的专家。一种材料是被磁铁所吸引还是被排斥，当然主要取决于组成它的原子的未满壳层电子，特别是取决于它的量子效应，如它的轨道磁矩和自旋磁矩。
实际上，每一个电子都占有一个状态，这一点像住在一座公寓楼里的人，它们分别住在不同的楼层。当外加磁场达到能干扰原子“公寓楼”的量级时，可以发生各种情况：电子可以处在各个不同的楼层，这些楼层可以分为两部分，或者电子自己可以像士兵一样排列成队。根据这座公寓楼的住户的形式和数量的不同，可以得到不同的结果。
为什么不是所有的金属都能被磁铁吸引？铁有什么特殊的性质？
所有的物质都对磁场有反应，但是有些效果可能不易被察觉出来，例如一些材料是顺磁性的，像铝只能被磁铁轻微地吸引。为了弄懂这个问题，我们来研究在磁场作用下原子内部的行为。
在顺磁性材料中，组成物质的原子（或者离子、分子等）有未填满的内电子壳层，未满壳层中的未成对电子的自旋磁矩使原子（或者离子、分子等）磁矩不为零，趋向于沿外磁场方向排列。这就是为什么在有外磁场时，材料被磁场所吸引，并且原子磁矩朝同一方向排列，从而增强了外磁场。还有一些抗磁性的材料，这些材料中的原子具有满电子壳层结构，没有未成对电子，因此原子磁矩为零。在外部磁场的作用下，根据电磁感应定律，原子中绕轨道运动的电子做某种加速或减速运动以对抗外磁场的作用。因此，原子磁矩逆外磁场方向排列。
在外磁场作用下，铁磁材料的磁性可以增强10[3]～10[6]倍。这一现象不能用简单方法加以说明，因为电子的量子效应很重要，而且还要在电子自旋间引入交换作用。从能量的观点来看，电子自旋是比较复杂的，并把我们推向了高深的量子力学。在此，铁磁性可以用电子跃迁时光子的交换作用来说明。
这就是电磁相互作用。它在原子结构中起着最基本的作用，并影响着它们的化学和物理学特性。
铁还有另外一种特性。我们可以想一想由过氧化铁（四氧化三铁）组成的天然磁铁，是什么东西把它磁化了？
现在我们先退一步说。法国物理学家皮埃尔·魏斯（Pierre Weiss，1865～1940）搞清楚了为什么一个磁场能够吸住一块铁。在居里温度（材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度）以下，在大块铁磁性或亚铁磁性单晶体（或多晶体中的晶粒）中，由于自发磁化形成很多小区域，每个区域内的原子磁矩沿特定的方向排列，在不同的区域内磁矩的方向不同。这种自发磁化的小区域称为磁畴（宽度一般介于10[-5]～10[-3]米）。在磁畴里，原子磁矩全部按一定方向排列：一铁块就像是一幅不同的磁化拼贴画。但是当一块磁铁介入时，各磁畴移动以及磁畴中磁矩的转动是根据外磁场方向来定位。这时磁铁好像是一位将军在命令散乱的士兵列队一样。
使用特殊的仪器可以听到由磁畴的移动而产生的咯吱声，即巴克豪森效应（Barkhausen effect）。这些磁畴还可以回到磁化无序的状态，例如铁被加热的情况下。热能够促进分子运动，所以也使得原子磁矩变得凌乱。对于铁来说，在760℃时会发生这种现象。
现在我们回到自然磁化问题：今天岩石中过氧化铁是固态的，但我们不要忘记，它们是由液体凝固而形成的，是从火山口喷出来的。这就可以解释永久磁化这个谜了，即缓慢的冷却使过氧化铁按当时地磁场的方向锁住了磁畴。
地球真的是一块巨大的磁铁吗？
是的。但是在我们了解这一切之前用去了很多时间。人类与磁的接触要追溯到遥远的过去。传说是一位希腊牧羊人首先发现了这个奇怪的现象：他的棍子神秘地被路上的一些石头吸引。现在还不能确定英语中“磁”（magnetism）这个词是来自这个牧羊人的名字还是来自Magnesia这个城市的名字。
传统的看法认为，希腊哲学家泰勒斯（Talete）在公元前550年左右第一个对磁铁进行了描述。战国时期，中国学者已注意到磁石的指向性。到1086年，中国宋代科学家沈括（1031～1095）对指南针的形状和制作做了认真的记载。12世纪，指南针传到了欧洲。法国学者皮埃罗·佩来格里诺（Pietro Peregrino）在1269年引入了北极、南极的概念，用来指磁铁的两极。
但是对磁铁的科学研究始于17世纪末，是伊丽莎白一世的御医威廉·吉尔伯特（William Gilbert）第一次确定地球是一块大磁铁。从那时开始，关于地磁来源的假设伴随着一个又一个的谜纷至沓来。
我们的星球内部是一个液体金属核。到760℃时，铁就失去了磁性，而地下的温度至少可达4000℃，那它怎么可能保持磁场呢？
答案就在这条铁（和镍）的“河流”里：在这条“河流”里游动着无数的电子，它们不受原子的任何束缚。运动电荷形成并保持着磁场。
这样，我们星球的自转促进了液体内部的缓慢的由西向东的旋涡，结果是地球被包裹在一个看不见的、但对免受宇宙粒子侵袭非常有用的磁场里。
为什么说电和磁是独特的现象？
在自然界中，电和磁似乎是孪生的：它们无法分开而形成一个整体。一条导线中的电流实际上一直在产生磁场，这是丹麦物理学家汉斯·克里斯汀·奥斯特（Hans Christian Orested，1777～1851）在课上偶然发现的。当他闭合开关使电流通过电线时，在桌子上的一个靠近导线的罗盘受到了突然出现的磁场的干扰而改变方向。奥斯特的发现使人们认识到电与磁之间的联系。其实，不仅电流可以产生磁场，反过来，磁场的任何变化都会引发电流。例如，当一个金属线圈所包围的磁力线的多少发生改变时，就会产生感应电流。这就是电磁感应现象，是英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791～1867）发现的。
然而电和磁还是有区别的：到目前为止，实验上仍未发现相当于电单极（正电荷、负电荷）的磁单极的存在。
如果我们把一个3厘米长的磁棒分成两半，可以获得两块磁铁而它们各自都有自己的磁极。现在理论认为，磁单极在宇宙大爆炸之初是存在的。它的体积可能比质子小，但质量却比质子大10[15]～10[18]倍。
一些科学家认为，磁单极今天也可能存在：大约每秒移动2.5公里，但它在穿越物质时不留痕迹。为了能够捕捉到一个磁单极，人们进行了多次实验，但是至今仍未成功。
磁的作用是什么？
感谢奥斯特、法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831～1879）等科学家，正是他们的研究成果使我们今天能在电动搅拌机、洗碗机、吹风机和其他家用电器上“驯服”电。在这些科学家的研究之后，人类已经能够输送电，并且把它转换为磁场，引起旋转运动，带动各种设备运转。
没有磁作用，电脑就无法工作：正是由于磁作用，计算机才能与磁存储介质交换数据；另外，由于有了敷在带子上的微米级磁粉（例如二氧化铬），我们才能用录像带复制电影；在恒磁场中，磁矩不为零的原子核受射频场的激励，发生磁能级间共振跃迁的现象即核磁共振，有了这种技术，我们就可以利用质子的磁性探测人体内部的组织。
目前正在研究一些特殊磁性材料，如用于像高速磁悬浮列车的超导材料。