자석이나 전류 또는 시간에 따라 변화하는 전기장에 의해 그 주위에 자기력이 작용하는 공간을 만든다. 그 공간을 자기장 또는 자계라고 한다. 자계는 운동하는 전하에 영향을 미치며, 운동하는 전하는 자계를 발생시킬 수 있다.
자계는 크기와 방향을 갖는 벡터량으로 그 크기는 자계의 세기 H 또는 자속밀도 B로 나타낸다. 자계 H는 자기장이 있는 공간의 자기적 특성을 생각하지 않는 양이며, B는 자기적 특성을 생각한 양으로 자기력을 계산할 때 직접 사용되는 양이다. H와 B는 B=μH의 관계가 있다. μ는 자계가 놓여진 공간의 자기적 특성인 자기투자율이다.
자계의 방향은 자계 내에 있는 나침반 자침의 N극이 받는 힘의 방향이다. 자계는 자기력선으로 표현할 수 있는데, 자계 내의 나침반 자침의 N극이 가리키는 방향을 따라 이동하면 하나의 곡선이 그려진다. 이 선을 자기력선이라고 하며, 자기력선의 방향은 N극에서 나와 S극을 향하고, 닫힌곡선이다. 자기력선은 도중에 끊어지거나 서로 엇갈리지 않으며, 자기력 선 위의 한 점에서의 접선의 방향이 그 점에서의 자계의 방향이다.
자기력선의 밀도는 자계의 세기를 나타낸다. 자기력선의 간격이 촘촘할수록 자계의 세기가 세다. 자석의 양쪽 자극에서 자기력선의 밀도가 높고, 자극으로부터 점차 멀어지면 자기력선의 밀도가 낮다. 흰 종이 아래 자석을 놓고, 종이 위에 쇳가루를 뿌리면 자기력선을 간접적으로 볼 수 있다.
단위 면적을 지나는 자기력선의 수(자속, 자기선속)가 자속밀도 B이다. B의 단위는 T(tesla, 테슬라)이다. 자기선속은 Φ(파이)로 표시하며 그 단위는 웨버(Wb)이다. 따라서 자기선속과 자속밀도는 다음의 관계에 있다.
주위에 다른 영향을 주는 자계가 없는 경우 나침반의 N극은 자기북극을 가리킨다. 막대 자석의 중심을 실을 매고 공중에 매달아도 N극은 북쪽을 향하게 된다. 이를 통해 지구 자체를 하나의 커다란 자석이라고 생각할 수 있다. 이러한 지구자기에 의해 형성된 자기장을 지구자기장이라고 하며 1600년경 영국 엘리자베스 1세 여왕의 궁중 의사였던 길버트(William Gilbert)에 의해 발견되었다.
전류가 흐르는 도선 주위에는 항상 자계가 형성된다. 이는 전류가 흐르는 도선 위에 나침반을 가져다 놓았을 때, 자침이 움직이는 것을 보고 알 수 있다. 이와 같이 자계와 자계는 상호작용하며, 이 원리는 발전기, 전동기 등에 널리 이용된다.
또한 강한 자계는 분해능과 안전성에 있어 X선보다 우수한 자기공명 영상장치(MRI)에 이용되어 인체를 조사하는데 사용되기도 한다.
