La matière est constituée d’atomes. Chaque atome est constitué d’un noyau, composé de neutron(s), de proton(s), autour duquel gravite(nt) des électron(s). Les électrons présentent chacun une charge électrique négative.
Toute charge électrique en mouvement crée un champ magnétique. Ainsi, un électron en mouvement crée un champ magnétique. Au sein de l’atome, son mouvement peut être décomposé en mouvement d’orbital, autour du noyau et un mouvement de spin, sa rotation sur lui-même, de manière analogue à celui de la Terre qui respectivement parcourt son orbite autour du Soleil (le noyau de l’atome) en un an et tourne sur elle-même en un peu moins de 24h.
Tout comme la toupie dont l’axe de rotation décrit un cône, l’électron ou la Terre ont un axe de rotation qui décrit un double cône, lié à un processus de précession (précession de Larmor pour l’électron soumis à un champ magnétique, précession des équinoxes pour la Terre soumise aux forces d’attraction gravitaire du soleil).
Les mouvements d’orbital et de spin de l’électron sont donc à la source de champs magnétiques. Comme le champ magnétique créé, pour une boucle de courant, est inversement proportionnel au carré du rayon de la boucle (autrement dit, sa surface) le mouvement d’orbital génère un champ magnétique inférieur à celui de spin (rayon boucle de spin << rayon boucle d’orbital).
Si on en reste à ce stade, tous les atomes devraient présenter un champ magnétique autour d’eux. C’est sans compter le fait que les électrons se repoussent entre eux à cause de leur charge négative. Pour cette raison, ils se partagent l’espace autour du noyau qui les attire avec les charges positives des protons. Plus les électrons ont un niveau d’énergie élevé, plus ils vont pouvoir explorer un espace éloigné du noyau qui les retient.
En plus des charges électriques, les interactions magnétiques sont à prendre en compte. Pour un même niveau d’énergie, les électrons s’apparient. L’énergie magnétique est ainsi minimisée, chaque électron d’une même paire ayant un moment de spin de sens opposé.