¿Cómo funcionan los imanes?

A Richard Feynman se le hizo una vez una pregunta muy similar; ¿Por qué se atraen los imanes? (Richard Feynman Magnets) Su respuesta es fascinante, explicando las muchas capas de esa pregunta. Ya hay algunas respuestas muy buenas a esta pregunta, así que me gustaría ofrecer un poco de salsa picante extra a las respuestas ya excelentes.

Los imanes parecen fascinar continuamente a las personas porque las fuerzas experimentadas parecen actuar a distancia. Estamos acostumbrados a aplicar fuerza tocando algo y tenemos una comprensión innata de lo que significa tocar. En contraste, las fuerzas exhibidas por los imanes parecen deberse a algo invisible que aparentemente desafía la comprensión. No es de extrañar que el magnetismo y los imanes en particular a menudo estén asociados con tecnologías falsas e incluso fraudulentas.

Desde una perspectiva histórica, los imanes de origen natural fueron descubiertos por los antiguos, y se utilizan para crear brújulas para la navegación. Más tarde se descubrió que un cable que transportaba corriente producía un campo que causaba que una aguja de la brújula se reorientara, por lo que se descubrió que había un campo magnético asociado con la corriente en un cable. También se sabía que la carga producía otro campo, que es el campo eléctrico. El campo eléctrico en sí no tuvo efecto en una aguja de la 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. Entonces, el campo asociado con un marco de referencia donde solo hay cargas estáticas debería 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 relatividad unifica los campos eléctricos y magnéticos en un solo campo electromagnético. Esto sustenta nuestra comprensión clásica de la electricidad y el magnetismo.

Sin embargo, el caso aún no está cerrado, ya que los imanes no están cargados, pero producen un campo asociado con dos polos, que denotamos los polos norte y sur. Las otras respuestas entran en detalles muy agradables sobre dominios magnéticos alineados e incluso sobre 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 generen 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 todos estos campos alineados.

Es tentador pensar en un átomo como un imán individual que se comportará de la misma manera que una aguja de la brújula cuando se coloca en un campo magnético externo. Sin embargo, éste 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 solo puede tomar valores discretos de medio entero. El momento magnético de un átomo es directamente proporcional al momento angular total del átomo. Por lo tanto, cualquier medición del momento magnético de un átomo es, de hecho, una medición 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 clásico. Este fue el primer pionero en el experimento Stern Gerlach.

El experimento de Stern Gerlach funcionó enviando átomos neutros a través de un campo magnético no uniforme. El gradiente del campo magnético introduce un potencial variable para la alineación del dipolo magnético, lo que dará como resultado una fuerza dependiente de la alineación que desviará la trayectoria del átomo a través del campo. Si cada átomo se comportara como un imán dipolo clásico, su orientación aleatoria en el espacio daría como resultado una distribución uniforme de fuerzas que da como resultado 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 se cuantifica, por lo que el patrón real observado es que la nube atómica se separe en diferentes parcelas discretas. Esta fue (y sigue siendo) una sorprendente demostración de la naturaleza cuántica de los átomos.

Por lo tanto, el humilde imán es mucho más maravilloso de lo que parece. Representa la alineación de innumerables números de objetos cuánticos individuales para dar ese material familiar que usamos para pegar mensajes e imágenes en nuestro refrigerador.

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 tener un momento magnético. De hecho, esto se puede demostrar en un aparato similar al del experimento Stern Gerlach. Para las partículas fundamentales, el giro 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 giro. 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 un objeto cuántico compuesto. Pasaron 20 años antes de que esto se resolviera realmente con el modelo de quark. Por lo tanto, fue el misterioso magnetismo lo que condujo al desarrollo del modelo quark de física de partículas. ¡Creo que esto es increíble!