Una volta a Richard Feynman è stata posta una domanda molto simile; perché i magneti attraggono? (Richard Feynman Magnets) La sua risposta è affascinante, spiegando i molti strati a quella domanda. Ci sono già alcune risposte molto belle a questa domanda, quindi mi piacerebbe offrire un po ‘ di salsa piccante in più alle già eccellenti risposte.
I magneti sembrano affascinare continuamente le persone perché le forze sperimentate sembrano agire a distanza. Siamo abituati ad applicare la forza toccando qualcosa e abbiamo una comprensione innata di cosa significhi il tocco. Al contrario le forze esibite dai magneti sembrano essere dovute a qualche cosa invisibile che apparentemente sfida la comprensione. Non c’è da stupirsi che il magnetismo e i magneti in particolare siano spesso associati a tecnologie fasulle e persino fraudolente.
Da una prospettiva storica, i magneti naturali furono scoperti per la prima volta dagli antichi e utilizzati per modellare bussole da utilizzare per la navigazione. In seguito si scoprì che un filo che trasportava corrente produceva un campo che faceva riorientare un ago della bussola, e così si scoprì che c’era un campo magnetico associato alla corrente in un filo. Era anche noto che la carica produceva un altro campo, che è il campo elettrico. Il campo elettrico stesso non ha avuto alcun effetto su un ago della bussola, e quindi può sembrare un campo diverso. Tuttavia sono stati presto scoperti per essere i diversi aspetti dello stesso campo. Questo può essere visto usando il principio di relatività, perché una carica statica può essere vista come un cambiamento in movimento in un quadro di riferimento in movimento. Quindi il campo associato a un quadro di riferimento in cui ci sono solo cariche statiche dovrebbe avere lo stesso effetto (o dare origine alla stessa forza) del campo associato a un quadro di riferimento in movimento in cui la carica non è statica, ma in movimento e quindi produce un campo magnetico. Quindi il principio di relatività unifica entrambi i campi elettrici e magnetici in un unico campo elettromagnetico. Questo è alla base della nostra comprensione classica dell’elettricità e del magnetismo.
Tuttavia il caso non è ancora chiuso, poiché i magneti non sono carichi ma producono un campo associato a due poli, che denotiamo i poli nord e sud. Le altre risposte entrano in dettagli molto belli sui domini magnetici allineati e persino sul principio atomico sottostante coinvolto.
Chiamiamo il campo magnetico dipolare, perché ha due poli. Classicamente, una corrente circolare genera un campo dipolare. Usiamo questo effetto per fare elettromagneti.
Se dovessimo considerare il modello di Bohr dell’atomo, gli elettroni hanno orbite circolari, e quindi ci si aspetterebbe di generare un campo magnetico dipolare. Tuttavia sappiamo che questo non è il caso in quanto gli atomi sono oggetti quantistici e come tali non possono essere associati a orbite classiche ben definite. Tuttavia, i singoli atomi in un magnete hanno un campo magnetico associato e il campo esterno che osserviamo è una manifestazione di tutti questi campi allineati.
Si è tentati di pensare a un atomo come a un singolo magnete che si comporterà più o meno allo stesso modo di un ago della bussola quando viene posizionato in un campo magnetico esterno. Tuttavia questo non è il caso. Gli atomi sono oggetti quantistici e le loro proprietà magnetiche sono in realtà proprietà di stato quantistico. Si dà il caso che il momento angolare sia associato a un numero quantico ben definito che può assumere solo valori interi discreti. Il momento magnetico di un atomo è direttamente proporzionale al momento angolare totale dell’atomo. Quindi qualsiasi misura del momento magnetico di un atomo è in realtà una misura del momento angolare degli atomi e avrà solo determinati valori discreti, e ancora più interessante, solo orientamenti discreti! Questo è un comportamento manifestamente quantistico, non un comportamento classico. Per un dipolo classico, il suo orientamento spaziale può assumere qualsiasi valore associato al puntamento in qualsiasi direzione casuale nello spazio. Ciò fornisce un mezzo per distinguere direttamente tra un oggetto quantico e un oggetto classico. Questo è stato il primo pioniere nell’esperimento Stern Gerlach.
L’esperimento Stern Gerlach ha funzionato inviando atomi neutri attraverso un campo magnetico non uniforme. Il gradiente del campo magnetico introduce un potenziale variabile per l’allineamento del dipolo magnetico, che si tradurrà in una forza dipendente dall’allineamento che devierà il percorso dell’atomo attraverso il campo. Se ogni atomo si comportasse come un classico magnete a dipolo, il suo orientamento casuale nello spazio si tradurrebbe in una distribuzione uniforme delle forze con conseguente allungamento della nube atomica lungo la direzione del gradiente di campo. Tuttavia, l’apparecchio sta effettivamente effettuando una misurazione dell’orientamento del momento magnetico dell’atomo, che è quantizzato, e quindi il modello effettivo osservato è che la nube atomica si separi in diversi pacchetti discreti. Questa era (ed è ancora) una sorprendente dimostrazione della natura quantistica degli atomi.
Quindi l’umile magnete è molto più meraviglioso di quanto sembri prima. Rappresenta l’allineamento di innumerevoli numeri di singoli oggetti quantici per dare quel materiale familiare che usiamo per attaccare messaggi e immagini al nostro frigorifero.
Prendiamo questo un po ‘ oltre. Un campo magnetico è associato a una carica elettrica. C’è una curiosa proprietà quantistica chiamata spin, che è associata al momento magnetico delle singole particelle che compongono gli atomi. Qui non possiamo nemmeno immaginare un elettrone che orbita attorno a un nucleo, perché ogni componente dell’atomo ha anche uno spin associato: elettroni, protoni e neutroni. Si è tentati di pensare a queste particelle come effettivamente ruotando attorno al loro asse dipolare, tuttavia questo non è corretto. A livello di particelle fondamentali, non si può dire altro che avere un momento magnetico. Questo infatti può essere dimostrato in un apparato simile a quello dell’esperimento Stern Gerlach. Per le particelle fondamentali, lo spin è la metà e ci sono solo due possibili orientamenti, corrispondenti a up o down.
In tutti i casi, un momento magnetico intrinseco è associato a una particella che possiede sia carica che spin. Dalle proprietà classiche è stato dimostrato che il campo magnetico è solo un’altra manifestazione del campo elettrico e questo richiede che ci siano cariche presenti. In effetti, ci si aspettava che solo le particelle cariche con spin avessero un momento magnetico. Tuttavia, è stato possibile misurare direttamente il momento magnetico del neutrone, che non ha carica netta. Questa notevole scoperta è un’indicazione diretta che il neutrone non è una particella fondamentale, ma è esso stesso un oggetto quantistico composto. Ci sono voluti 20 anni prima che questo fosse effettivamente risolto con il modello quark. Così è stato il misterioso magnetismo che ha portato allo sviluppo del modello di quark della fisica delle particelle. Penso che questo sia piuttosto sorprendente!