¿Cómo se mantienen unidos los imanes y por qué no explotan?

Question

Imagina que tenemos un imán (el lado rojo es el polo norte, el lado azul es el polo sur), y imagina dos formas de dividirlo.

La primera forma:

Cuando lo dividimos separando el polo norte del polo sur, vemos que las dos piezas son imanes dipolares en sí mismos. Los dos extremos rotos serán polos opuestos y se atraerán entre sí.

La segunda forma:

Cuando lo dividimos a lo largo de los dos polos, las dos piezas resultantes del imán se repelerán entre sí.

Nota que los colores son solo representaciones de los polos del imán, y cuando los colores cambian, no representan ningún cambio en las piezas del imán en sí mismo.

Mi pregunta: Si hay una fuerza repulsiva dentro del imán que está empujando el imán horizontalmente a parte (en mi imagen), entonces ¿qué lo mantiene unido?

Me parece que la estabilidad del imán no se puede explicar solo con fuerzas electromagnéticas, pero eso no parece ser del todo correcto. ¿Qué mantiene unidos los dominios del imán? Y a nivel atómico, ¿qué mantiene unidos a los átomos?

Answer 1

Los enlaces químicos del material lo mantienen unido.

Si los imanes de los que estás pensando están hechos de metal, entonces el enlace químico es el enlace metálico, que es bastante fuerte. Puedes tener una idea de cuán fuerte es si intentas romper una barra de metal en dos. A menos que seas excepcionalmente fuerte, probablemente no lo lograrás, pero probablemente puedas quitar un imán de una puerta de refrigerador, por ejemplo. La fuerza del enlace metálico es mucho mayor que la fuerza magnética.

Irónicamente, la fuente del enlace metálico también es la fuerza electromagnética. Para valores típicos, la fuerza eléctrica es mucho mayor que la fuerza magnética. Puedes tener una idea de esto examinando la fuerza entre dos esferas con carga $1\ \mathrm C$. Si las dos esferas están separadas por un vacío y están a una distancia de $1\ \mathrm m$, la fuerza entre ellas es aproximadamente $9\times10^9\ \mathrm N$. Mientras tanto, si una de las esferas se está moviendo a una velocidad de $1\ \mathrm{m/s}$ en el campo magnético de la Tierra, la fuerza magnética que experimenta es aproximadamente $3.2\times10^{-5}\ \mathrm N$.

Esta gran discrepancia es lo que mantiene unido al imán (y a los átomos).

Answer 2

Los imanes se mantienen unidos de la misma manera que todos los sólidos: mediante enlaces químicos entre las partículas que componen el imán, que son últimamente debido al electromagnetismo.

Toma dos imanes de nevera que se atraen entre sí, pégalos juntos y sepáralos. Luego toma un trozo de metal ordinario y tira de sus extremos con aproximadamente la misma fuerza. Esto produce aproximadamente el mismo estrés de tracción al que está constantemente sometido un imán de nevera. ¿Te sorprende que el metal no se desarme en tus manos?

Answer 3

Hoy todos sabemos que en el nivel conocido más bajo, los quarks, que constituyen los nucleones, están unidos por la fuerza fuerte, que es mucho más fuerte que cualquier otra fuerza a esta distancia, por eso los quarks existen en confinamiento en nuestro universo (excepto tal vez dentro de agujeros negros). Ahora los nucleones están unidos por la fuerza fuerte residual (fuerza nuclear), que sigue siendo mucho más fuerte que cualquier otra fuerza a esta escala.

Los electrones y los núcleos están unidos por la fuerza electromagnética (los campos eléctricos estáticos de las cargas), que sigue siendo mucho más fuerte que el campo magnético estático de los imanes en tu caso.

Ahora, los átomos dentro del imán están unidos por algo que llamamos enlaces covalentes, que contrario a lo que se cree popularmente, son un fenómeno de la mecánica cuántica. Estos enlaces covalentes se deben a un cierto intercambio de orbitales electrónicos, y su efecto es que el enlace covalente es mucho más fuerte que los campos magnéticos estáticos de los imanes en tu caso.

Estás preguntando qué mantiene unidos los dominios de los imanes, y la respuesta es esta unión covalente.

Como ya indicaste, las unidades físicas deben ser consideradas. Cuando se trabaja en unidades del SI, la relación entre la fuerza del campo eléctrico sobre la fuerza del campo magnético en la radiación electromagnética es igual a 299 792 458 m/s, la velocidad de la luz c.

¿Por qué los campos magnéticos son mucho más débiles que los campos eléctricos?

Los enlaces covalentes se deben inequívocamente a la interacción electromagnética. La interacción electrostática es solo una aproximación en la que se descartan las dinámicas del campo electromagnético (cuántico), y a veces esa aproximación es lo suficientemente buena.

¿Los enlaces covalentes son EM (electrostáticos/electronegativos) o no?

Así que la respuesta a tu pregunta es que la unión covalente (de las partículas) es mucho más fuerte que la fuerza del campo magnético estático de tus imanes de barra, y eso mantiene unidos los dominios de los imanes.

Answer 4

El OP está completamente, totalmente, correcto.

Hay muchos objetos comunes, ejemplo

https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetar

donde el campo magnético "auto-" es tan fuerte que fácilmente destroza objetos, moléculas, átomos, e incluso fotones.

Estas cosas son el estado común del universo.

En condiciones realmente raras, inusuales (por ejemplo, tus imanes de nevera, en la Tierra), no sucede.

Estos típicos imanes terrestres son menos poderosos que otros objetos comunes en el universo, y por lo tanto no muestran el comportamiento descrito por el OP.