Bạn đã biết, nam châm luôn có cực bắc và cực nam, được gọi chung là cực từ. Sự tương tác của các cực từ cũng giống như tương tác giữa các điện tích: các cực cùng loại đẩy nhau và các cực khác loại hút nhau.
Tuy nhiên, có một sự khác nhau cơ bản giữa cực từ và điện tích là các cực từ bao giờ cũng xuất hiện thành từng cặp có cùng cường độ và khác loại (bắc – nam). Trong nam châm, các đơn cực từ không tồn tại. Nếu bạn cắt đôi một thanh nam châm thì phần tách ra vẫn là một thanh nam châm với đầy đủ hai cực.
Nỗ lực tách nam châm sẽ tạo ra nhiều cặp cực từ hơn. Không thể tách cực bắc và cực nam của một thanh nam châm ra khỏi nhau cho dù thanh nam châm đã trở nên vô cùng nhỏ. Vậy tại sao nam châm luôn có cực bắc và cực nam?
Điện và từ có mối liên hệ cơ bản với nhau vì từ trường được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích. Ngay khi các electron chuyển động, từ trường sẽ được tạo ra. Các nhà khoa học có thể khai thác điện để tạo ra những nam châm cực mạnh. Chạy đủ dòng điện qua một cuộn dây sẽ tạo ra một từ trường rất mạnh tồn tại trong suốt thời gian dòng điện chạy qua.
Câu trả lời cơ bản nhất giúp giải thích tại sao nam châm có cực bắc và cực nam nằm ở hành vi của các electron. Mọi vật chất, kể cả nam châm, đều được cấu tạo từ các nguyên tử (atoms). Trong mọi nguyên tử, hạt nhân (mang điện tích dương) được bao quanh bởi một hoặc nhiều electron (mang điện tích âm). Mỗi electron đó tạo ra từ trường cực nhỏ của riêng nó, mà các nhà khoa học gọi là “spin”. Về mặt kỹ thuật, chưa ai nhìn thấy “spin” của electron, bởi nó quá nhỏ để có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi. Nhưng các nhà vật lý biết rằng các electron có từ trường vì họ đã đo được nó.
Trong nam châm, mỗi nguyên tử giống như một lưỡng cực từ nhỏ và tất cả chúng đều thẳng hàng. Điều này cho phép chúng ta hiểu tại sao việc cắt một nam châm không tạo ra hai đơn cực. Khi cắt thanh nam châm, chúng ta thu được mảnh nam châm nhỏ hơn, nhưng mỗi mảnh nam châm vẫn chứa các lưỡng cực từ thẳng hàng với nhau, mỗi mảnh có một cực bắc và một cực nam.
Mô tả từ trường gần tương tự như mô tả điện trường. Trong nam châm, các electron chuyển động sao cho từ trường mà chúng tạo ra đều có cùng hướng. Tuy nhiên, vì trong nam châm, đơn cực từ không tồn tại nên các đường sức từ không kết thúc (hoặc bắt đầu) trên hai cực của nam châm mà tiếp tục đi qua nam châm, tạo thành một vòng khép kín. Trong quy ước vật lý, các đường sức từ đi ra từ cực bắc của nam châm và đi vào cực nam của nam châm. Có nghĩa là, các đường sức từ luôn tạo thành các vòng khép kín, biểu thị đường sức từ của một thanh nam châm.
