磁铁为什么能吸铁？它的能量从哪里来？

人们最早认识到有“磁性”就是从吸铁石能吸铁这个现象开始的。除此之外，还有一个常见现象，就是指南针（中国古代叫司南）。

地球本身可以看做是个大磁铁，地磁南极位于地理北极附近，而地磁北极位于地理南极附近。

司南（或指南针）是个小磁铁，所谓磁铁，用物理的语言说就是一个磁偶极矩（一端N，另一端为S，N-S之间有个距离），磁性的一个基本知识就是我们迄今为止还没有发现磁单极子（即单独的N，或单独的S），所有吸铁石能吸铁，和电现象里，正电荷可以吸引负电荷是不一样的。

地球本身是个大磁矩（大磁偶极矩），思南（小磁矩）放到地球表面，小磁矩会在地球这个大磁矩产生的磁场中运动。这里的关键是磁偶极矩产生的磁场是非均匀的，大致来说，越靠近磁极，磁力线越密集（磁场越强），越远离磁极，磁力线越稀疏（磁场越弱）。

一个小磁矩μ放到磁场B中的势能是：

这个公式告诉我们小磁铁首先会“顺着”磁力线的方向排列，这就是指南针的物理原理，因为小磁针顺着磁力线方向，能量最低。

其次磁矩在“非均匀”磁场中还会受力F：

这个公式意味着磁矩μ会顺着磁力线的方向受到一个指向磁场更密集方向的力。换句话说小磁针会向着附近的磁极运动。

回到磁铁会吸引铁钉这个现象，磁铁（大磁矩）有两个磁极，铁钉本身在没有外加磁场的时候并没有磁性，但当我们把铁钉放到磁场里的时候，铁钉会发生磁化，铁钉可以看做是很多磁畴的集合，每个磁畴本身可看做是个小磁矩，但这些磁矩的取向是杂乱无章的，当我们把铁钉放到外磁场里，这些磁畴有平行于外磁场排列的趋势，于是铁钉整体就具有了非零的磁矩。

左：有序排列的磁畴（有磁性）；右：杂乱无章排列的磁畴（无磁性）。

被磁化，具有非零磁矩的铁钉会在磁铁产生的非均匀磁场中受力运动，被吸引向磁场更大的地方，即磁铁的磁极处。

那么铁钉的能量是从哪儿来的呢，当然是从铁钉（小磁矩）在磁铁（大磁矩）磁场中的势能来的，这个势能会转化为动能，使铁钉撞在磁铁的磁极上。