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磁是一种天然的力量，它不仅能使我们生活在飘浮于太空的天体上，还促进人类取得了重大技术成就，使人类飞速进步。我们的计算机依赖于磁，我们在地球上的生活依赖于磁场原理，我们最伟大的科学实验也要用到人类创造的最强大的磁铁。如果没有磁力，我们根本就不会存在，事实上，如果没有发现这一自然界的基本力量，我们的生活将与现状大相径庭。
多年来，科学家们以各种创新的方式应用磁力，深入研究粒子物理学领域。不过，让我们先来看看磁铁是如何制成的。众所周知，物体可以被磁化，然后吸附在其他磁性物体上，而且我们知道，诸如马蹄铁之类的物体长期具有磁性。为了制出这样的永久磁铁，我们首先需要把磁铁矿或钕等物质熔化成合金，研磨成粉末。这种粉末可以在数百磅的压力下压制成各种形状。然后，让一股巨大的电流短时间内通过，使其永久磁化。一般来说，除非受到强大的磁力或电力的作用或者处于低温环境中，一块永久磁铁每十年就会失去大约1%的磁性。
现在让我们来看看磁铁本身，以及其内部和周围。每块磁铁周围都有一个被称为磁场的磁化区，磁化区会对置于其影响范围内的物体施加一个或正或负的力。每块磁铁都有两个磁极，即南极和北极。两个同性的磁极会相互排斥，而异性的磁极会相互吸引。磁铁的内部和外部都有磁场线形成的闭合环路，磁场线从南北两极穿过并围绕磁铁。一个磁场的场线越密集，磁性就越强。异性的两极相吸的原因是磁力向着同一个方向移动，所以从一个磁铁南极发出的磁场线很容易进入另一个磁铁的北极，二者从而合并成一块更大的磁铁。反之，同极相斥，因为力的运动方向相反，同极产生的磁力相互碰撞，相互推开。这与其他力的效果相同。比如，你从一侧推一扇旋转门，而有人从另一侧推，门就会保持不动，因为你们的力量会互相抵消。可是，如果你们向着同一方向推，门就会旋转，最终你会回到起点。
磁极的决定性特征是极磁总会成对出现。把一块条形磁铁切成两半，两小块新磁铁上就会立即产生一对新的南北极。这是因为每个原子都有自己的南北极，这一点我们后面还会提到。现在我们先弄清楚最关键的问题，即这些磁极为什么会产生？为什么磁体一定有从北极到南极的磁场线？答案与磁畴有关。我们不妨把磁铁想象成叠加在一起的小磁块。每块磁铁（或磁畴）都有自己的南北极，而且正如之前所说，磁场线从北极指向南极，即所有的磁畴都连在一起，它们的力量都集中在同一个方向上。与两个磁体吸附在一起的原理一样，这些磁畴结合起来形成一个更大的磁体。每个磁畴包含大约1000000000000000（十万的三次方）个原子，而6000个磁畴才相当于一个针尖的大小。磁铁内的磁畴总是排列整齐的，但像铁这样具有磁性的元素最初未被磁化时，磁畴指向是随机的。磁畴会相互抵消，直到引入一个磁场或电流使其指向同一方向，并使铁被磁化，从而产生新磁场。
磁性和非磁性元素的原子之间究竟有什么区别？主要的区别在于是否含有未配对的电子。所有电子都成对的原子不能被磁化，因为磁场会相互抵消。而可以被磁化的原子都含有几个未配对的电子。电子本质上都是微小的磁铁，所以它们没有配对时，可以对原子施加叫作“磁矩”的力量。当它们与其他原子中的电子结合时，整个元素就会产生南北极并被磁化。
能成为磁体的物体都充满了磁畴。磁畴是由大约一千万亿个原子组成的集合体。当物体被磁化时，这些磁畴会排成一行，并指向当前的磁场方向。这就是为什么有时要用磁铁来磁化一个有磁性的物体。这样能使磁畴在一个方向上对齐，进而使磁场在磁体周围流动。
铁磁体或铁磁材料是这里列出的几种类型中磁性最强的，温度达到居里温度（指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度）之前，都会保持磁性。再次冷却后，它将恢复磁性。铁磁产生磁场时，铁磁材料中的每个原子都排列整齐。马蹄形磁铁就是一种铁磁体。
亚铁磁体具有恒定的磁化量，不受任何外加磁场的影响。天然的磁铁，如石膏（磁铁矿）就是亚铁磁体，含有铁和氧离子。亚铁磁性是由矿物中的一些原子平行排列形成的。它与铁磁性的不同之处在于，亚铁磁体中并非所有原子都会对齐。
低温条件下，反铁磁体中的原子以反向平行的方式排列。在反铁磁体（如铬）上施加磁场并不会使其磁化，因为原子仍然是对立的。加热到奈尔温度（反铁磁体的临界温度）时磁体将具有微弱的磁性，而进一步加热又会使其失去磁性。
准磁体，如镁和锂，当其靠近磁场时会有微弱的磁性，但离开磁场之后磁性又会完全消失。这是由于准磁性材料的原子中至少有一个未配对的电子。
金、银和周期表中的许多元素都是抗磁体。它们在原子周围的磁环与施加的磁场相反，所以会排斥磁铁。所有材料都有一些磁性，但只有那些具有某种形式的正磁性的材料才能抵消抗磁体造成的负面影响。
不过，要真正了解磁体，我们需要知道这些磁畴内到底发生了什么。为此，我们需要直接深入到原子内部。以一个铁原子为例，电子在云状轨道（通常认为是固定的壳层，尽管实际运动更加随机）环绕原子核运动。每个原子都有特定数量的壳层，具体数量取决于它含有质子和中子的个数，而每个壳层内的电子都是成对运转的。一个电子就像一块小磁铁，每个电子都有各自的南北极。配对过程中，电子的磁性相互抵消，所以整体没有磁性。然而，在像铁这样的原子中，情况并非如此。铁原子中有四个电子是不成对的，它们会对原子施加磁力。当所有原子结合在一起并整齐排列时，正如我们对磁畴的解释，铁本身就会被磁化并吸引其他磁性物体。
我们切断磁铁，将其分成几块并分析小块中的原子。但我们能不能更进一步呢？答案是肯定的，也是否定的，因为我们深入了量子物理学的未知领域。磁学的基本设定是宇宙中有四种基本力，分别是引力、电磁力、弱力和强力。比原子和电子更小的是能产生这些力的、名为夸克和轻子的基本粒子。任何力——核衰变或摩擦力等，都是这些基本力作用的结果。在这个层面上，像磁力这样的力是在被称为“载力粒子”的粒子之间“抛出”的，相应地推动或拉动周围的其他粒子。
可惜，在该层面上，磁学进入了理论物理学的领域，进入了还没有像粒子物理学那样被详尽探索的量子物理学领域。目前，这种标准的物理学模型在磁学的研究方面遇到了一个瓶颈，只有未来对量子物理学的理解有所推进时才能进一步发展。
电磁力作为宇宙中四种基本力之一，是带电粒子相互作用的结果。物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）推断，一个变化的磁场会产生一个电场，而詹姆斯·麦克斯韦（James Maxwell）发现，上述推断反过来也会成立，即一个变化的电场会产生一个磁场。这就是电磁铁的基本工作原理。
电流通过导线时，缠绕在磁芯（如铁）上的导线会产生电场，反过来又会产生磁场。
正如上文的论述，移动的通电线圈会产生磁场，将磁场引入磁芯后，磁芯内的磁畴才会对齐。
增加线圈的数量会增加电磁铁的强度，因为更多的线圈会让更大电流流向一个方向，按比例放大磁力。
导线的磁场与磁芯的磁场结合，产生更强的磁场，更大的电流使更多的磁畴对齐，进一步增大其强度。
电磁脉冲（EMP）的工作原理是利用强电磁场摧毁电路。一个非核电磁脉冲引爆了一个装满炸药的金属圆筒，在一个导线线圈内爆炸，发射磁场和电场，炸毁电路。核电磁脉冲将在大气层中引爆一枚核弹。由此产生的γ（伽马）辐射将吸收空气中的正分子，而释放负电子，向四面八方发射强大的电磁场。在美国中心上空320km处引爆一个10兆吨级的装置，将摧毁该国的所有电子设备，而同时让建筑完好无损，生命体毫发无伤。
1859年，太阳经历一个激烈的活动期时，一场巨大的地磁风暴摧毁了传输电缆并引燃了美国电报系统。美国航空航天局的科学家们曾预警说，2013年可能发生类似的风暴，届时更多的现代电气元件可能受到影响。每22年太阳的磁力周期达到峰值，而每11年太阳耀斑的数量达到最大值。在2013年这些现象有可能叠加发生，产生巨大的辐射，可能使地球上的电力中断数小时甚至数天。
事实真如预警的那般发生了吗？
