Esta es una pregunta interesante, pero no necesariamente una pregunta fácil de responder. El mecanismo físico en el que se basa el magnetismo se entiende muy bien y hay muchos niveles en los que se puede analizar el fenómeno hasta el nivel teórico cuántico de campo de los intercambios de fotones virtuales. Sin embargo, muchas de estas explicaciones pueden no ser tan esclarecedoras.
En primer lugar, Maxwell unificó la teoría de la electricidad y el magnetismo en una teoría electromagnética. Esto significa que los campos eléctricos y los campos magnéticos son esencialmente manifestaciones diferentes del mismo campo. Para cargas eléctricas, sabemos que las cargas opuestas se atraen y las mismas cargas se repelen. El fenómeno familiar de tener los pelos de punta es el resultado de la repulsión eléctrica estática. Cada cabello es repelido entre sí, lo que lleva a situaciones de cabello bastante cómicas. El hecho de que las cargas opuestas atraigan explica la química iónica, donde los aniones y los cationes se atraen entre sí. La mayoría de las personas parecen estar contentas con la atracción eléctrica y la repulsión, o al menos ven un pequeño misterio, posiblemente porque es un fenómeno relativamente común.
Los campos magnéticos surgen de cargas en movimiento. La teoría de la relatividad especial se puede utilizar para transformar los campos magnéticos generados en campos eléctricos en un marco de referencia móvil. Esto ilustra que los campos eléctricos y los campos magnéticos son simplemente manifestaciones diferentes del mismo campo. Lo que debe permanecer invariante en tales transformaciones son las fuerzas entre diferentes cuerpos cargados.
Al igual que las cargas eléctricas pueden atraer y repeler, también pueden las cargas ficticias “magnéticas”. De hecho, es posible usar cargas magnéticas ficticias (llámelas cargas del norte y sur si lo desea) para calcular el campo magnético y las fuerzas experimentadas entre dos imanes.
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En el corazón de un imán hay un increíble fenómeno cuántico. Cada átomo dentro de un imán es en sí mismo un imán, con el campo magnético generado de acuerdo con las propiedades cuánticas del átomo y sus componentes constituyentes. Así cada átomo es como una aguja de la brújula. En un imán grande, todas estas agujas de la brújula apuntan en la misma dirección, dando lugar a un gran campo magnético macroscópico. Esto representa la configuración de energía más baja para el imán.
Entendemos que una aguja de la brújula apuntará hacia el polo norte magnético de la Tierra. Esta es la aguja que se alinea con el campo magnético de la Tierra. El hecho de que una aguja de la brújula se alinee con el campo indica que hay un par inducido en la aguja de la brújula por el campo magnético de la Tierra que solo cesa cuando está alineado. Lo que esto significa en realidad es que una aguja de la brújula no alineada con el campo magnético de la Tierra está en un estado de mayor energía, en otras palabras, tiene una energía potencial más alta. La propiedad general de un imán es que su energía es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético.
Es un principio fundamental en la física que una fuerza se siente si hay un gradiente de energía potencial. Esto puede entenderse intuitivamente considerando una bola que rueda por una colina. Si no hay gradiente, la bola está en un terreno plano y no se mueve. Sin embargo, si se coloca en un terreno inclinado, rodará hacia el fondo de la colina. Esta es la posición de menor energía. En lo que se refiere a los imanes, si un imán está en un campo magnético uniforme, intentará alinearse con él (experimentará un par), pero no experimentará ninguna fuerza lineal. Sin embargo, si hay un gradiente de campo magnético, experimentará una fuerza lineal y se moverá a una posición de energía más baja (que es un gradiente de campo más bajo).
Ahora consideremos dos imanes de barra que están alineados o no alineados. Si están alineados, atraerán y si están contra la alineación, se rechazarán. ¿Por qué?
El caso de los imanes anti-alineados no es tan difícil de entender. El campo magnético de un solo imán se debilita con la distancia del imán. Esto representa un gradiente de campo magnético. Un imán anti-alineado estará en un estado de mayor energía en tal campo y experimentará una fuerza que actuará para moverlo hacia un gradiente de campo más bajo; que está lejos del otro imán.
Sin embargo, esta imagen no es válida para los imanes alineados, que atraen. Sin embargo, la imagen de gradiente potencial es cómo entendemos las fuerzas entre dos cuerpos. Lo que esto significa es que cuando los imanes están alineados, el gradiente de campo aumenta a medida que los imanes se separan y disminuye a medida que se juntan hasta que se tocan y actúan como un solo imán. Lo que esto nos muestra es que el gradiente del campo magnético aumenta al aumentar la separación de los dos imanes. Si realmente ejecuta los cálculos de las líneas de campo entre dos imanes alineados, verá que este es realmente el caso.
En cierto sentido, esta explicación es tautológica, ya que las fuerzas se explican en términos de gradientes de campo, lo que funciona bien para los imanes antialineados debido a la necesidad física de que el campo magnético disminuya con la distancia. Mostrar que el gradiente de campo debe aumentar con la separación. Sin embargo, este efecto se puede demostrar con dos imanes de barra y algunas limaduras de hierro, que trazan el campo entre los dos imanes.
En general, los imanes son fascinantes y una sorprendente demostración de un fenómeno cuántico macroscópico asocia átomos alineados que dan lugar a un gran campo magnético externo. Los grandes campos eléctricos no son menos sorprendentes si alguna vez has visto demostraciones de campos eléctricos de alta energía. Son todas manifestaciones diferentes del mismo fenómeno. Supongo que los imanes son más intrigantes porque puedes comprarlos y sostenerlos en tu mano y experimentar las fuerzas de largo alcance por ti mismo. Eso no los hace místicos, solo una maravillosa demostración de la física cuántica macroscópica.