¿Por qué los imanes atraen o repelen objetos, si el campo magnético solo cambia la dirección de las partículas?

En primer lugar, no se necesita la relatividad para comprender los efectos magnéticos macroscópicos, como la atracción de grandes objetos magnéticos. Eso fue explicado y entendido mucho antes del trabajo de Einstein; la explicación culminó en las ecuaciones de Maxwell, pero las partes magnetostáticas se entendieron bien a principios del siglo XIX. La relatividad no cambió nada de eso (era la mecánica la que tenía problemas, no E&M)

Es cierto que no hubo una explicación microscópica acordada de por qué el hierro a granel se "magnetizaría", pero el efecto se entendía bien en términos de comportamiento: tanto los datos matemáticos como los específicos del material eran de uso común para la ingeniería en la década de 1880. .

El concepto erróneo proviene de una declaración que ahora verá ocasionalmente en los libros de texto, generalmente justo después de la fuerza de Lorentz ($\vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B}$) se introduce: "Porque$\vec{F}$siempre es perpendicular a$\vec{v}$, la fuerza de Lorentz no puede hacer ningún trabajo". Eso es cierto para el caso simple de un electrón individual que se mueve ( lentamente ) en un campo magnético completamente estático , pero es engañoso para el caso macroscópico: está lejos de la situación de dos imanes a granel que se atraen entre sí. otro.

La fuerza entre dos imanes involucra muchos electrones en diferentes lugares, no solo uno. La combinación de las fuerzas de Lorentz sobre esos da como resultado una fuerza neta sobre el imán que puede realizar un trabajo. El diagrama tradicional para eso es:

Para decirlo de otra manera, si los electrones se mueven solo bajo una fuerza de Lorentz, no se realiza ningún trabajo. Pero si también están sujetos a fuerzas mecánicas que los mueven, entonces ese movimiento puede tener un componente a lo largo de la fuerza de Lorentz, y se puede realizar trabajo.

Pero no necesitas saber de electrones para entender esto. Un ingeniero o científico natural del siglo XIX ("físico" no era de uso común hasta muy tarde) entendería la atracción de dos maneras:

• Hay más energía en el(los) campo(s) magnético(s) de dos imanes orientados NS cuando están más separados que cuando están más cerca: hay una fuerza mecánica que convierte esa diferencia en trabajo a medida que los imanes se mueven

• Un dipolo magnético en un campo magnético no uniforme siente una fuerza. Cada pedacito de la bola de hierro es un pedacito separado de imán con su propio dipolo. Súmelos, en el campo local, para obtener toda la fuerza.

Pre-relatividad E&M trabajó con corrientes y campos ($\vec{E}$) y ($\vec{B}$) que, dentro del dominio macroscópico, funcionó bastante bien. Realmente no sabían sobre el electrón (1897) o el protón/núcleo (1911), y mucho menos sobre la relatividad especial (1907), pero pudieron explicar y usar el magnetismo bastante bien: el transformador se remonta a la década de 1830, por ejemplo.

No diría que el campo magnético es un efecto relativista del campo eléctrico. Más bien, lo que para un observador relativista es un campo puramente eléctrico, para otro observador puede ser una mezcla de campos eléctricos y magnéticos. Ningún observador es privilegiado, por lo que no podemos decir que lo observado por uno es un "efecto" de lo observado por otro.

Probablemente sepa que un campo magnético ejerce una fuerza sobre una carga en movimiento o una corriente. La fuerza es perpendicular al campo ya la corriente o velocidad. Los materiales que son atraídos por los imanes tienen una especie de bucles de corriente cerrados. Si piensas en la acción de un campo magnético sobre una espira de este tipo, verás que las fuerzas hacen que la espira gire (un momento de torsión) hasta que el plano de la espira sea perpendicular al campo magnético. En este punto, la fuerza magnética intenta separar el bucle, dentro del plano del bucle.

Si el campo magnético es constante en el espacio, estas fuerzas de tracción son todas iguales en magnitud y opuestas en pares, por lo que el bucle no se mueve. Pero el campo magnético de un imán no es constante en el espacio: es más débil cuanto más lejos estamos del imán. La fuerza en la parte del bucle más cercana al imán es, por lo tanto, un poco más fuerte que la del lado opuesto, y "gana": hay una fuerza neta que tira del bucle hacia el imán. (Este fenómeno tiene similitudes con las fuerzas de marea ). La bola de hierro es atraída hacia el imán por la suma de todas estas fuerzas netas ejercidas sobre cada uno de los "bucles de corriente" dentro de ella.

La explicación anterior es muy imprecisa, solo pretende darle una imagen aproximada. También puede consultar, por ejemplo, los artículos de Wikipedia sobre imanes y sobre momentos magnéticos , especialmente la parte sobre la fuerza entre dipolos magnéticos , encontrará una explicación más completa y más referencias que puede explorar. Consulte la respuesta de Bob Jacobsen con sus perspicaces comentarios históricos.

¿Cómo explica [la física clásica] [el magnetismo]?

No puede: teorema de Bohr-van Leeuwen .

Sin embargo, hay un modelo que se usa en las escuelas secundarias de Alemania (¿y quizás en cualquier otro lugar?):

1. Los imanes contienen muchos "imanes elementales" diminutos que están alineados y apuntan en la misma dirección.
2. El hierro también contiene imanes elementales con alineaciones aleatorias, anulándose entre sí.
3. En un campo magnético externo, los imanes elementales de hierro se alinean y apuntan sus "sures" hacia el "norte" externo. Se forma un imán (temporal) y se aplica la ley habitual de "los opuestos se atraen".