A Richard Feynman se le hizo una pregunta muy similar: ¿por qué se atraen los imanes? (Imanes Richard Feynman) Su respuesta es fascinante, explicando las muchas capas a esa pregunta. Ya hay algunas respuestas muy agradables a esta pregunta, así que me gustaría ofrecer un poco de salsa picante extra a las ya excelentes respuestas.
Los imanes parecen fascinar continuamente a la gente porque las fuerzas experimentadas parecen actuar a distancia. Estamos acostumbrados a aplicar la fuerza al tocar algo y tenemos una comprensión innata de lo que significa tocar. En contraste, las fuerzas exhibidas por los imanes parecen deberse a alguna cosa invisible que aparentemente desafía la comprensión. No es de extrañar que el magnetismo y los imanes en particular se asocien a menudo con tecnologías falsas e incluso fraudulentas.
Desde una perspectiva histórica, los imanes de origen natural fueron descubiertos por primera vez por los antiguos, y se utilizan para fabricar brújulas para su uso en la navegación. Más tarde se descubrió que una corriente cable de carga produce un campo que provocó la aguja de una brújula para reorientar, y así se descubrió que había un campo magnético asociado con la corriente en un alambre. También se sabía que la carga producía otro campo, que es el campo eléctrico. El campo eléctrico en sí no tenía efecto en una aguja de brújula, por lo que puede parecer un campo diferente. Sin embargo, pronto se descubrió que eran los diferentes aspectos del mismo campo. Esto se puede ver usando el principio de relatividad, porque una carga estática se puede ver como un cambio en movimiento en un marco de referencia en movimiento. Por lo tanto, el campo asociado con un marco de referencia donde solo hay cargas estáticas debe tener el mismo efecto (o dar lugar a la misma fuerza) que el campo asociado con un marco de referencia móvil donde la carga no es estática, sino que se mueve y, por lo tanto, produce un campo magnético. Así, el principio de la relatividad unifica los campos eléctrico y magnético en un solo campo electromagnético. Esto sustenta nuestra comprensión clásica de la electricidad y el magnetismo.
Sin embargo, la caja aún no está cerrada, ya que los imanes no se cargan, sino que producen un campo asociado con dos polos, que denotamos los polos norte y sur. Las otras respuestas entran en detalles muy agradables sobre los dominios magnéticos alineados e incluso el principio atómico subyacente involucrado.
Llamamos al campo magnético dipolar, porque tiene dos polos. Clásicamente, una corriente circular genera un campo dipolar. Usamos este efecto para hacer electroimanes.
Si tuviéramos que considerar el modelo de Bohr del átomo, los electrones tienen órbitas circulares, y por lo tanto se esperaría que generaran un campo magnético dipolar. Sin embargo, sabemos que este no es el caso, ya que los átomos son objetos cuánticos y, como tales, no pueden asociarse con órbitas clásicas bien definidas. Sin embargo, los átomos individuales en un imán tienen un campo magnético asociado y el campo externo que observamos es una manifestación de que todos estos campos están alineados.
Es tentador pensar en un átomo como un imán individual que se comportará de la misma manera que una aguja de brújula cuando se coloca en un campo magnético externo. Sin embargo, este no es el caso. Los átomos son objetos cuánticos y sus propiedades magnéticas son de hecho propiedades de estado cuántico. Sucede que el momento angular está asociado con un número cuántico bien definido que puede tomar solo valores discretos de medio entero. El momento magnético de un átomo es directamente proporcional al momento angular total del átomo. Por lo tanto, cualquier medida del momento magnético de un átomo es de hecho una medida del momento angular de los átomos y solo tendrá ciertos valores discretos, y aún más interesante, ¡solo orientaciones discretas! Este es un comportamiento manifiestamente cuántico, no un comportamiento clásico. Para un dipolo clásico, su orientación espacial puede tomar cualquier valor asociado con apuntar en cualquier dirección aleatoria en el espacio. Esto proporciona un medio para distinguir directamente entre un objeto cuántico y un objeto clásico. Esto fue pionero en el experimento Stern Gerlach.
El experimento Stern Gerlach funcionó enviando átomos neutros a través de un campo magnético no uniforme. El gradiente de campo magnético introduce un potencial variable para la alineación del dipolo magnético, lo que resultará en una fuerza dependiente de la alineación que desviará la trayectoria del átomo a través del campo. Si cada átomo se comportara como un imán dipolar clásico, su orientación aleatoria en el espacio resultaría en una distribución uniforme de fuerzas que resultaría en un estiramiento de la nube atómica a lo largo de la dirección del gradiente de campo. Sin embargo, el aparato en realidad está haciendo una medición de orientación del momento magnético del átomo, que está cuantizado, por lo que el patrón observado real es que la nube atómica se separe en diferentes parcelas discretas. Esto fue (y sigue siendo) una demostración asombrosa de la naturaleza cuántica de los átomos.
Por lo tanto, el imán humilde es mucho más maravilloso de lo que parece a primera vista. Representa la alineación de un sinnúmero de objetos cuánticos individuales para dar ese material familiar que usamos para pegar mensajes e imágenes en nuestra nevera.
Llevemos esto un poco más lejos. Un campo magnético está asociado con una carga eléctrica. Hay una curiosa propiedad cuántica llamada espín, que se asocia con el momento magnético de las partículas individuales que componen los átomos. Aquí ni siquiera podemos imaginar un electrón orbitando un núcleo, porque cada componente del átomo también tiene un espín asociado: Electrones, protones y neutrones. Es tentador pensar que estas partículas realmente giran alrededor de su eje dipolar, sin embargo, esto no es correcto. A nivel de partículas fundamentales, no se puede decir nada más que tienen un momento magnético. De hecho, esto se puede demostrar en un aparato similar al del experimento Stern Gerlach. Para las partículas fundamentales, el espín es la mitad y solo hay dos orientaciones posibles, correspondientes a arriba o abajo.
En todos los casos, un momento magnético intrínseco se asocia con una partícula que posee carga y espín. A partir de las propiedades clásicas, se demostró que el campo magnético es solo otra manifestación del campo eléctrico y esto requiere que haya cargas presentes. De hecho, solo se esperaba que las partículas cargadas con espín tuvieran un momento magnético. Sin embargo, fue posible medir directamente el momento magnético del neutrón, que no tiene carga neta. Este notable descubrimiento es una indicación directa de que el neutrón no es una partícula fundamental, sino que es en sí mismo un objeto cuántico compuesto. Pasaron 20 años antes de que esto se resolviera con el modelo quark. Por lo tanto, fue el magnetismo misterioso el que llevó al desarrollo del modelo de quarks de la física de partículas. ¡Creo que esto es increíble!