¿Por qué las partículas que solo tienen campo eléctrico crean un campo magnético cuando giran?

Un electrón nunca puede tener giro, por lo que la premisa de la pregunta es falsa. El electrón siempre tiene tanto un campo eléctrico como un campo magnético. Lo mismo va para el protón.

Aún así, podría preguntarse si la presencia de espín está relacionada de alguna manera con partículas cargadas que tienen momentos magnéticos. La respuesta es sí.

  • El momento angular es necesario para el momento dipolar magnético; entonces solo las partículas con momento angular intrínseco (espín) pueden tener momentos dipolo magnéticos intrínsecos. Una partícula escalar, como el pión, tiene prohibido por la invariancia de Lorentz tener un momento dipolar magnético. [1]
  • Una partícula cargada con spin 1/2 tiene invariablemente un momento dipolar magnético que surge de la ecuación de Dirac. Para más detalles, ver, por ejemplo, la Sección 20.2, “Interacción electromagnética de la partícula de Dirac” en Shankar. Para otros giros, esto también se cree que es cierto, aunque existe cierto debate sobre el valor “natural” del factor g (ver aquí), es decir, cuál es la magnitud del momento magnético.
  • Por lo tanto, los mesones rho cargados, que tienen espín 1, tienen momentos dipolares magnéticos, aunque sus primos escalares, los piones cargados, no. También hay una contribución “anómala” adicional a los momentos dipolares magnéticos de los diagramas de bucle. Para partículas compuestas, como el protón, esto puede ser muy grande. [2]

[1] Por otro lado, una partícula con espín puede tener un momento magnético incluso si es neutral, siendo el neutrón el ejemplo más conocido.

[2] El momento magnético del neutrón es completamente anómalo, ya que la parte de Dirac es proporcional a la carga.

Por el momento, solo piense en un electrón como una pequeña capa esférica uniforme de carga negativa; esta no es una imagen precisa, pero servirá para aclararlo. Es la forma de pensar en el campo magnético del electrón semi-clásico.

Si esta esfera ahora gira sobre su eje, entonces hay una corriente eléctrica asociada con ese giro, porque las cargas en la esfera se mueven en círculos alrededor del eje de rotación.

Esta corriente eléctrica produciría un campo magnético según las leyes de Biot-Savart y Ampère.

En realidad, no es así como se modelan los electrones. En electrodinámica cuántica, son puntos como partículas y tienen un campo magnético dipolo que es proporcional a su carga e inversamente proporcional a su masa y puntos a lo largo de la dirección del giro electrónico. Este campo magnético es una propiedad fundamental del electrón, tan fundamental como su carga.

El magnetismo es el resultado de mover la carga eléctrica. Oliver Heaviside demostró que si el campo se mueve a una velocidad finita, desarrolla una propiedad de tipo magnético.

Con la gravedad, solo hay un tipo de carga, y la mayor parte se mueve muy lentamente. Con la electricidad, hay dos tipos de carga, y una buena parte de ella gasta una gran cantidad de tiempo a su alrededor. En un imán permanente, la mayoría de estos campos magnéticos producidos se alinean, y obtienes un campo macroscópico neto.

Los campos magnéticos son un efecto relativista de mover la carga y cambiar los campos eléctricos.

Vea el volumen 2 de la serie de 3 libros de Feynman sobre este asunto.