磁性的元素，例如铁，因为电子总数为奇数，所以会产生一个净磁矩。同时，因为相邻原子轨道重叠等原因，当未成对电子都朝向同一个方向时，体系的总能量最低，这个过程被称为交换相互作用。当这些铁磁性元素的磁动量都统一朝向后，整个材料就会拥有一个宏观可以测量的磁场。顺磁性材料中，在没有外部磁场的情况下，原子磁矩都是随机分布的；施加了外部磁场以后，所有原子都会统一朝向，产生磁场。原子核也可以存在净自旋。由于热平衡，通常这些原子核都是随机朝向的。但对于一些特定元素，例如氙-129，一部分核自旋也是可能被极化的，这个状态被