Explicar el origen de los campos magnéticos en términos sencillos

Question

El electromagnetismo siempre me ha parecido muy raro. Parece que deberían ser dos cosas totalmente diferentes. Al principio pensaba que el magnetismo era sólo carga eléctrica aplicada, y que un dipolo magnético era sólo un dipolo eléctrico en un objeto macroscópico neutro. Sin embargo, aprendí que esto era falso cuando aprendí que un campo magnético puede ser creado por un electrón, que tiene monopolo eléctrico.

Los campos eléctricos al menos entiendo su origen. Cuando hay 2 cargas en el espacio, se aplican una fuerza mutua. El efecto neto de esas fuerzas sobre una carga cualquiera en un punto determinado del espacio puede representarse matemáticamente con el campo eléctrico.

¿Pero qué fuerza de atracción/repulsión representa en ese caso un campo magnético? Aparentemente sigue siendo causado por la misma fuerza electromagnética, pero sigue reglas totalmente diferentes, tan diferentes que una partical con un monopolo eléctrico puede tener un dipolo magnético.

Tengo entendido que un campo magnético se crea cuando una carga eléctrica se mueve, así como por el giro de una partícula cargada. Pero, ¿es eso todo lo que tenemos sobre sus orígenes? ¿Aparece simplemente cuando las cargas eléctricas se mueven y ya está? ¿Por qué se considera la misma fuerza fundamental que la atracción/repulsión eléctrica cuando sigue reglas muy diferentes? ¿Puede derivarse de las reglas de las cargas eléctricas?

Por favor, cuando lo expliques, entiende que estás hablando con un ingeniero químico de grado, no con un licenciado en física. Por favor, intenta explicarlo manteniendo la terminología de la física y las matemáticas más allá del nivel de la escuela secundaria a un mínimo absoluto.

Edición: Una vez más, quiero subrayar que no sé casi nada sobre funciones de onda, el concepto de simetría, y el momento angular es algo que sólo he aprendido más o menos y sólo lo entiendo a un nivel intuitivo. (Mi comprensión básica del momento angular es que es un cambio constante en el momento lineal gobernado por una fuerza perpendicular a la velocidad del objeto en cualquier momento. Entiendo que esto podría ser técnicamente incorrecto).

No digo que sea incapaz de entender estos conceptos si me los explicas en términos sencillos. No soy tonto. Sólo que no conozco casi nada de vocabulario.

Answer 1

Al principio pensé que el magnetismo era sólo una carga eléctrica aplicada.

No sé a qué te refieres con esta afirmación, si pudieras ampliarla en otro post, sería de gran ayuda. ¿Aplicado de qué manera? Electroimanes es todo lo que puedo adivinar aquí, lo siento.

Pero qué fuerza de atracción/repulsión, en ese caso, representa un campo magnético.

Existe una forma de combinar las fuerzas eléctricas y las fuerzas magnéticas, en la Tensor de Faraday $F_{\mu\upsilon} $ En términos sencillos, esto significa que lo que una persona dice que es un efecto eléctrico, es visto por otra persona, que se mueve a cierta velocidad en relación con el primer tipo, como un efecto magnético. No tengo espacio para extenderme en esto, pero una búsqueda en Internet le dará detalles en varios niveles de detalle.

Así que la electricidad y el magnetismo están bastante directamente conectados, aunque podamos tener monopolos eléctricos pero nunca hayamos encontrado monopolos magnéticos. Otro ejemplo de la interconexión son los Ecuaciones de Maxwell que podría buscar para obtener más detalles .

Tengo entendido que un campo magnético se crea cuando una carga eléctrica se mueve, así como por el giro de una partícula cargada. Pero, ¿es eso todo lo que tenemos sobre sus orígenes? ¿Aparece simplemente cuando las cargas eléctricas se mueven y ya está?

En cuanto a los orígenes últimos, hay algunas cosas que tenemos que aceptar. La carga eléctrica de un electrón es una constante física que podemos medir, pero AFAIK, no hay ninguna teoría fundamental para ampliarla. Estoy deliberando evitar la fuerza electrodébil, por no ser amigable para los legos.

La carga magnética la podemos relacionar con algo, como sabes, el espín del electrón. (que es una idea totalmente abstracta, de nuevo esto no es nuevo para ti, un electrón es no un pequeño balón de fútbol giratorio). Tenemos una ecuación que relaciona la pequeña fuerza magnética (momento) del electrón con su espín, pero no se entiende por qué existe el espín, sólo se puede tratar como una constante física dada por la naturaleza.

Cuando los electrones se mueven, generan campos electromagnéticos y podemos predecir la fuerza y la dirección de estos campos, y tenemos un método matemático que (más o menos, imo) explica por qué están conectadas , y definitivamente es capaz de calcular con mucha precisión la probabilidad de que una partícula cargada afecte a otra. Esto es Electrodinámica Cuántica de nuevo, tendrás que ir a investigar, Blog de Matt Strassler es excelente, a todos los niveles.

¿Por qué se considera la misma fuerza fundamental que la atracción/repulsión eléctrica cuando sigue reglas muy diferentes? ¿Puede derivarse de las reglas de las cargas eléctricas?

El magnetismo y la electricidad tienen que seguir reglas diferentes, de lo contrario no podríamos distinguirlos, pero están conectados y las reglas, sobre todo si tienes tiempo de leer sobre el tensor de Faraday, ( y tienen el el mismo potenciales escalares y vectoriales detrás de ellos), más investigación para ti, lo siento. Pero está cubierto en el enlace de Faraday arriba y te mostrará que no son "salvajemente" diferentes, sólo interesantemente diferente.

Un vídeo que puede interesarle es el de Richard Feynmann al que le hacen la misma pregunta que usted. Feynmann y los imanes .

Mucha suerte con tu investigación, que tendrás que hacer si realmente quieres saber más.

Answer 2

"¿Pero qué fuerza de atracción/repulsión, en ese caso, está representando un campo magnético?"

El campo magnético representa una parte de la fuerza electromagnética. Los campos eléctricos y los campos magnéticos son sólo partes de la misma cosa, y están íntimamente acoplados. Ambos se rigen por los fotones como sus partículas mediadoras, y están íntimamente relacionados con el fenómeno de la luz.

"Entiendo que un campo magnético se crea cuando una carga eléctrica se mueve, así como por el giro de una partícula cargada. Pero, ¿es todo lo que tenemos sobre sus orígenes?"

Más o menos. La física sólo trata de las leyes que rigen el universo, no del por qué. No tenemos ninguna prueba de por qué existe la carga, o la masa, o las fuerzas nucleares fuertes y débiles.

"¿Sólo aparece cuando las cargas eléctricas se mueven y ya está?"

También existe una información fundamental llamada "espín", que es fuente de un campo magnético dipolar.

"¿Por qué se considera la misma fuerza fundamental que la eléctrica atracción/repulsión cuando sigue reglas muy diferentes?"

Es una parte de la imagen, y si miras las ecuaciones de Maxwell, verás que la electricidad y el magnetismo en realidad obedecen a reglas muy similares. Lo curioso es que nuestro universo no tiene monopolos magnéticos, pero tiene muchos monopolos eléctricos (electrones, por ejemplo). Así como has aprendido que los monopolos eléctricos en movimiento dan lugar a un nuevo tipo de fuerza llamada fuerza magnética, los monopolos magnéticos en movimiento darían lugar a la fuerza eléctrica. En cursos más avanzados, se demuestra que la fuerza total que experimenta una partícula es la misma en diferentes marcos de inercia, pero que la parte asignada a la "magnética" y la parte asignada a la "eléctrica" pueden intercambiarse entre sí.

"¿Puede derivarse de las reglas de las cargas eléctricas?"

Son una misma cosa. Consulta las discusiones sobre el electromagnetismo clásico en el contexto de la relatividad especial. Hay una pequeña y agradable discusión en https://en.wikipedia.org/wiki/Classical_electromagnetism_and_special_relativity que muestra las transformaciones del marco inercial.