磁铁的N极和S极为什么总是成对出现

　　我国是个传统的文化大国，人们非常聪明伶俐，自古代就有非常有名气四大发明活字印刷、指南针，造纸术和火药。可是你们对他们有了解吗？比如指南针它就是利用磁铁制造的， 磁铁一般都用两种颜色标明N极（北极）和S极（南极），如果从中间把磁铁切开，你会发现切开成为两块的磁铁仍然各有一对N极和S极。这是为什么呢？为什么磁铁的N极和S极总是成对出现。

　　这需要从固体磁性的微观起源来理解。其实材料中的电子本身就具有自旋磁矩——就像一个极其微小的磁铁，而电子像行星绕太阳运动一样围绕原子核运动又会产生轨道磁矩，轨道磁矩和自旋磁矩的叠加形成了电子的总磁矩（原子核本身也有很小的磁矩）。不同的电子排列方式会导致原子本身的磁性大小不同，其中铁、钴、镍、锰、钕等过渡金属和稀土金属元素的磁性较强。

　　当这些带有磁性的原子在固体材料中排列方向一致时，导致材料整体上显现磁性。比如，我们常见的天然磁石主要成分就是四氧化三铁，就是因为铁的磁矩排列一致形成了强的铁磁性。如果原子本身磁性较弱，材料就很难存在强的磁性。如果材料磁矩排列方式杂乱无章，整体上也不呈现磁性。