Richard Feynman já fez uma pergunta muito semelhante; por que os ímãs atraem? (Richard Feynman Magnets) sua resposta é fascinante, explicando as muitas camadas para essa pergunta. Já existem algumas respostas muito boas para esta pergunta, então eu gostaria de oferecer um pouco de molho picante extra para as já excelentes respostas.Os ímãs parecem fascinar continuamente as pessoas porque as forças experimentadas parecem agir à distância. Estamos acostumados a aplicar a força tocando em algo e temos uma compreensão inata do que o toque significa. Em contraste, as forças Exibidas por ímãs parecem ser devido a alguma coisa invisível que aparentemente desafia a compreensão. Não é de admirar que o magnetismo e os ímãs em particular sejam frequentemente associados a tecnologias falsas e até fraudulentas.
de uma perspectiva histórica, os ímãs que ocorrem naturalmente foram descobertos pela primeira vez pelos antigos e usados para formar bússolas para serem usadas para navegação. Mais tarde, foi descoberto que um fio de transporte de corrente produziu um campo que fez com que uma agulha de bússola se reorientasse, e assim foi descoberto que havia um campo magnético associado à corrente em um fio. Também se sabia que a carga produzia outro campo, que é o campo elétrico. O campo elétrico em si não teve efeito sobre uma agulha de bússola e, portanto, pode parecer um campo diferente. No entanto, eles logo foram descobertos como os diferentes aspectos do mesmo campo. Isso pode ser visto usando o princípio da relatividade, porque uma carga estática pode ser vista como uma mudança em movimento em um quadro de referência em movimento. Portanto, o campo associado a um quadro de referência, onde existem cargas estáticas deve ter o mesmo efeito (ou dar origem a uma mesma força) como o campo associado com um quadro de referência onde a carga não é estático, mas em movimento e, portanto, produzindo um campo magnético. Assim, o princípio da relatividade unifica os campos elétrico e magnético em um campo eletromagnético. Isso sustenta nossa compreensão clássica de eletricidade e magnetismo.
no entanto, o caso ainda não está fechado, pois os ímãs não são carregados, mas produzem um campo associado a dois pólos, que denotamos os pólos norte e sul. As outras respostas entram em detalhes muito bons sobre domínios magnéticos alinhados e até mesmo o princípio atômico subjacente envolvido.
chamamos o campo magnético dipolar, porque tem dois pólos. Classicamente, uma corrente circular gera um campo dipolar. Usamos esse efeito para fazer eletroímãs.
Se considerarmos o modelo de Bohr do átomo, os elétrons têm órbitas circulares, e, portanto, seria esperado para gerar um campo magnético dipolar. No entanto, sabemos que este não é o caso, pois os átomos são objetos quânticos e, como tal, não podem ser associados a órbitas clássicas bem definidas. No entanto, os átomos individuais em um ímã têm um campo magnético associado e o campo externo que observamos é uma manifestação de todos esses campos sendo alinhados.É tentador pensar em um átomo como um ímã individual que se comportará da mesma maneira que uma agulha de bússola quando colocada em um campo magnético externo. No entanto, este não é o caso. Os átomos são objetos quânticos e suas propriedades magnéticas são, de fato, propriedades do estado quântico. Acontece que o momento angular está associado a um número quântico bem definido que pode assumir apenas meio valor inteiro discreto. O momento magnético de um átomo é diretamente proporcional ao momento angular total do átomo. Assim, qualquer medida do momento magnético de um átomo é de fato uma medida do momento angular dos átomos e só terá certos valores discretos, e ainda mais interessante, apenas orientações discretas! Este é um comportamento manifestamente quântico, não um comportamento clássico. Para um dipolo clássico, Sua orientação espacial pode assumir qualquer valor associado a apontar em qualquer direção aleatória no espaço. Isso fornece um meio de distinguir diretamente entre um objeto quântico e clássico. Este foi o primeiro pioneiro no experimento Stern Gerlach.
o experimento Stern Gerlach funcionou enviando átomos neutros através de um campo magnético não uniforme. O gradiente do campo magnético introduz um potencial variável para o alinhamento do dipolo magnético, o que resultará em uma força dependente do alinhamento que desviará o caminho do átomo através do campo. Se cada átomo se comportasse como um ímã dipolo clássico, Sua orientação aleatória no espaço resultaria em uma distribuição uniforme de forças, resultando em um alongamento da nuvem atômica ao longo da direção do gradiente de campo. No entanto, o aparelho está realmente fazendo uma medição de orientação do momento magnético do átomo, que é quantizado, e assim o padrão observado real é que a nuvem atômica se separe em diferentes parcelas discretas. Esta foi (e ainda é) uma demonstração surpreendente da natureza quântica dos átomos.Portanto, o ímã humilde é muito mais maravilhoso que parece pela primeira vez. Representa o alinhamento de inúmeros números de objetos quânticos individuais para dar aquele material familiar que usamos para colar mensagens e imagens em nossa geladeira.
vamos levar isso um pouco mais longe. Um campo magnético está associado a uma carga elétrica. Existe uma curiosa propriedade quântica chamada spin, que está associada ao momento magnético de partículas individuais que compõem os átomos. Aqui não podemos nem imaginar um elétron orbitando um núcleo, porque cada componente do átomo também tem um spin associado: elétrons, prótons e nêutrons. É tentador pensar nessas partículas como realmente girando em torno de seu eixo dipolar, no entanto, isso não está correto. No nível das partículas fundamentais, não se pode dizer nada mais do que eles têm um momento magnético. Isso, de fato, pode ser demonstrado em um aparelho semelhante ao do experimento Stern Gerlach. Para partículas fundamentais, o spin é metade e existem apenas duas orientações possíveis, correspondendo a cima ou para baixo.
em todos os casos, um momento magnético intrínseco está associado a uma partícula que possui carga e rotação. A partir das propriedades clássicas, foi demonstrado que o campo magnético é apenas mais uma manifestação do campo elétrico e isso requer que haja cargas presentes. Na verdade, esperava-se que apenas partículas carregadas com spin tivessem um momento magnético. No entanto, foi possível medir diretamente o momento magnético do nêutron, que não tem carga líquida. Esta descoberta notável é uma indicação direta de que o nêutron não é uma partícula fundamental, mas é em si um objeto quântico composto. Demorou 20 anos até que isso fosse realmente resolvido com o modelo quark. Assim, foi o magnetismo misterioso que levou ao desenvolvimento do modelo quark da física de partículas. Eu acho isso muito incrível!