磁力是自然界的基础作用力，如同无形的宇宙锚链，既将人类牢牢维系在悬浮太空的地球家园，也推动着关键科技进步。早期计算机依赖磁存储技术运转，地球生命的存续与地磁场保护息息相关；当代尖端科学装置更运用着人类制造的最强磁场。若没有磁力，现代文明将不复存在——倘若这一基本力未被认知，人类的生活方式将截然不同。

磁铁是电动马达的必要元件

多年来，科学家不断拓展磁力应用，为粒子物理学开辟新前沿。理解磁铁制造原理至关重要：物体经磁化后可吸附其他磁性物质，如冰箱贴、马蹄形磁铁等永磁体。制造这类磁铁需先将磁铁矿或钕矿熔炼为合金，经球磨工艺制成微米级粉末，再以逾4.5万千克力（相当于百吨液压机）压制成型。最后通过瞬时万安培级脉冲电流充磁，使磁畴定向排列。除非遭遇强磁场干扰、高温或剧烈冲击，永磁体磁性可保持相对稳定，典型衰减速率约百年10%。

磁化区域会产生方向性的作用力，影响磁场范围内的物体。此外，每块磁铁都有两极：S极和N极。两块磁铁的同极相互排斥，异极相互吸引。

这也解释了异极相吸的现象：由于磁力线方向相同，从N极发出的磁力线能自然延伸至相邻磁铁的S极，使两者组合成更大的磁体。反之，同极会相斥，因为磁力线方向相反，相互抵牾产生排斥力。这与其他类型的作用力原理相似。例如当两人从两侧反向推动旋转门时，作用力相互抵消导致门静止；而当两人同向推动时，门体旋转且推动者将随门移动。

磁极的核心特性是：南北两极必然成对出现。若将磁铁棒分割为两段，新断面处会立即形成互补的新磁极。这是因为材料内部每个原子都具备微小的N-S磁偶极矩。那么根本问题在于：磁极最初如何形成？为何磁力线必然从N极指向S极？

要理解磁极起源，需认识磁畴（magnetic domains）的概念。每块磁铁由无数微型磁单元构成，这些单元即磁畴。每个磁畴拥有独立N极与S极，其外部磁力线同样从N极指向S极。当所有磁畴沿同一方向有序排列时，微观磁场叠加形成宏观磁性——如同士兵列队形成统一方阵，最终构成完整磁体。单个磁畴约含1015个原子，6000个磁畴的体积仅相当于大头针尖。可磁化材料（如铁）在未磁化状态下，内部磁畴方向杂乱，磁场相互抵消；当受到外磁场或电流作用时，磁畴统一转向产生宏观磁性。

原子尺度的磁性本源

理解磁畴需深入原子层面。以铁原子为例：电子在核外概率云轨域（电子壳层）中运动，原子包含多个电子层，每层通常存在成对电子。单个电子具有本征磁矩（微型N-S极），但成对电子磁矩相互抵消。铁原子的特殊性在于其最外层存在4个未配对电子，这些未抵消磁矩使原子具备净磁性。当铁原子聚集且磁矩定向排列时，材料即被磁化。

磁性的量子边界

我们已剖析至原子层级，但磁性的终极解释涉及量子场论：宇宙四种基本力（引力、电磁力、弱核力、强核力）中，磁力属电磁力范畴。在夸克与轻子构成的微观世界，力通过规范玻色子（如光子传递电磁力） 传递。磁性本质是电子自旋磁矩与轨道磁矩在量子规则下的宏观表现。当前研究正通过粒子物理学标准模型深入探索磁力量子机制，这仍是理论物理的前沿领域。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：孙明轩 上海工程技术大学 教授

来源: 科普中国创作培育计划

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