Magnetism

Magnetism is the class of physical attributes that occur through a magnetic field, which allows objects to attract or repel each other. Because both electric currents and magnetic moments of elementary particles give rise to a magnetic field, magnetism is one of two aspects of electromagnetism.

Los efectos conocidos se producen en materiales ferromagnéticos , que son fuertemente atraídos por campos magnéticos y pueden magnetizarse para convertirse en imanes permanentes , generando a su vez campos magnéticos. También es posible desmagnetizar un imán. Solo unas pocas sustancias son ferromagnéticas; las más comunes son el hierro , el cobalto , el níquel y sus aleaciones.

Todas las sustancias exhiben algún tipo de magnetismo. Los materiales magnéticos se clasifican según su susceptibilidad volumétrica. ^{[ 1 ]} El ferromagnetismo es responsable de la mayoría de los efectos del magnetismo que encontramos en la vida cotidiana, pero en realidad existen varios tipos de magnetismo. Las sustancias paramagnéticas , como el aluminio y el oxígeno , son débilmente atraídas por un campo magnético aplicado; las sustancias diamagnéticas , como el cobre y el carbono , son débilmente repelidas; mientras que los materiales antiferromagnéticos , como el cromo , tienen una relación más compleja con un campo magnético. La fuerza de un imán sobre materiales paramagnéticos, diamagnéticos y antiferromagnéticos suele ser demasiado débil para ser percibida y solo puede detectarse con instrumentos de laboratorio, por lo que en la vida cotidiana, estas sustancias a menudo se describen como no magnéticas.

La intensidad de un campo magnético siempre disminuye con la distancia a la fuente magnética, ^{[ 2 ]} aunque la relación matemática exacta entre intensidad y distancia varía. Muchos factores pueden influir en el campo magnético de un objeto, incluyendo el momento magnético del material, la forma física del objeto, tanto la magnitud como la dirección de cualquier corriente eléctrica presente en su interior, y la temperatura del objeto.

El magnetismo se descubrió por primera vez en el mundo antiguo cuando la gente notó que las piedras imán , piezas magnetizadas naturalmente del mineral magnetita , podían atraer el hierro. ^{[ 3 ]} La palabra imán proviene del término griego μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , ^{[ 4 ]} "la piedra de Magnesio, la piedra imán". ^{[ 5 ]} En la antigua Grecia, Aristóteles atribuyó la primera de lo que podría llamarse una discusión científica sobre el magnetismo al filósofo Tales de Mileto , quien vivió aproximadamente entre el 625 a. C. y el 545 a. C. ^{[ 6 ]} El antiguo texto médico indio Sushruta Samhita describe el uso de magnetita para extraer flechas incrustadas en el cuerpo de una persona. ^{[ 7 ]}

En la antigua China , la referencia literaria más antigua al magnetismo se encuentra en un libro del siglo IV a. C. que lleva el nombre de su autor, Guiguzi . ^{[ 8 ]} Los anales del siglo II a. C., Lüshi Chunqiu , también señalan: "La piedra imán hace que el hierro se acerque; alguna (fuerza) lo está atrayendo". ^{[ 9 ]} La primera mención de la atracción de una aguja se encuentra en una obra del siglo I, Lunheng ( Investigaciones equilibradas ): "Una piedra imán atrae una aguja". ^{[ 10 ]} El científico chino del siglo XI , Shen Kuo, fue la primera persona en escribir —en los Ensayos de la Piscina de los Sueños— sobre la brújula de aguja magnética y que mejoraba la precisión de la navegación al emplear el concepto astronómico del norte verdadero . Para el siglo XII, se sabe que los chinos usaban la brújula de piedra imán para la navegación. Esculpían una cuchara direccional de piedra imán de tal manera que el mango de la cuchara siempre apuntaba al sur.

Alexander Neckam , hacia 1187, fue el primero en Europa en describir la brújula y su uso para la navegación. En 1269, Peter Peregrinus de Maricourt escribió la Epistola de magnete , el primer tratado que se conserva que describe las propiedades de los imanes. En 1282, Al-Ashraf Umar II , físico , astrónomo y geógrafo yemení, analizó las propiedades de los imanes y las brújulas secas . ^{[ 11 ]}

La única obra existente de Leonardo Garzoni , Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita ( Dos tratados sobre la naturaleza y las cualidades del imán ), es el primer ejemplo conocido de un tratamiento moderno de los fenómenos magnéticos. Escrito alrededor de 1580 y nunca publicado, el tratado tuvo una amplia difusión. En particular, Niccolò Cabeo se refiere a Garzoni como un experto en magnetismo, y su Philosophia Magnetica (1629) es simplemente una reformulación de la obra de Garzoni. El tratado de Garzoni también era conocido por Giovanni Battista Della Porta .

En 1600, William Gilbert publicó su obra De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ( Sobre el imán, los cuerpos magnéticos y el gran imán, la Tierra ). En ella describe muchos de sus experimentos con su modelo terrestre, llamado terrella . A partir de estos experimentos, concluyó que la Tierra era magnética y que esta era la razón por la que las brújulas apuntaban al norte, mientras que anteriormente se creía que era la estrella polar Polaris o una gran isla magnética en el polo norte la que atraía la brújula.

La comprensión de la relación entre electricidad y magnetismo comenzó en 1819 con el trabajo de Hans Christian Ørsted , profesor de la Universidad de Copenhague, quien descubrió, mediante el movimiento accidental de la aguja de una brújula cerca de un cable, que una corriente eléctrica podía crear un campo magnético. Este experimento fundamental se conoce como el experimento de Ørsted. Jean-Baptiste Biot y Félix Savart , quienes en 1820 formularon la ley de Biot-Savart, que proporciona una ecuación para el campo magnético generado por un cable conductor de corriente. Casi al mismo tiempo, André-Marie Ampère realizó numerosos experimentos sistemáticos y descubrió que la fuerza magnética entre dos espiras de corriente continua de cualquier forma es igual a la suma de las fuerzas individuales que cada elemento de corriente de un circuito ejerce sobre cada uno de los demás elementos de corriente del otro circuito.

En 1831, Michael Faraday descubrió que un flujo magnético variable en el tiempo induce un voltaje a través de una espira de alambre. En 1835, Carl Friedrich Gauss hipotetizó, basándose en la ley de fuerza de Ampère en su forma original, que todas las formas de magnetismo surgen como resultado de cargas puntuales elementales que se mueven unas con respecto a otras. ^{[ 12 ]} Wilhelm Eduard Weber amplió la teoría de Gauss a la electrodinámica de Weber .

Alrededor de 1861, James Clerk Maxwell sintetizó y amplió muchas de estas ideas en las ecuaciones de Maxwell , unificando la electricidad, el magnetismo y la óptica en el campo del electromagnetismo . Sin embargo, la interpretación del magnetismo de Gauss no es totalmente compatible con la electrodinámica de Maxwell. En 1905, Albert Einstein utilizó las ecuaciones de Maxwell para fundamentar su teoría de la relatividad especial , ^{[ 13 ]} que exige que las leyes se cumplan en todos los sistemas de referencia inerciales . El enfoque de Gauss de interpretar la fuerza magnética como un mero efecto de las velocidades relativas volvió así, en cierta medida, a la electrodinámica.

El electromagnetismo ha seguido desarrollándose en el siglo XXI, incorporándose a las teorías más fundamentales de la teoría de gauge , la electrodinámica cuántica , la teoría electrodébil y, finalmente, el Modelo Estándar .

El magnetismo, en su esencia, surge de:

• Corriente eléctrica
• momentos magnéticos de espín de partículas elementales
• campos eléctricos cambiantes

The magnetic properties of materials are mainly due to the magnetic moments of their atoms' orbiting electrons. The magnetic moments of the nuclei of atoms are typically thousands of times smaller than the electrons' magnetic moments, so they are negligible in the context of the magnetization of materials. Nuclear magnetic moments are nevertheless very important in other contexts, particularly in nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance imaging (MRI).

Ordinarily, the enormous number of electrons in a material are arranged such that their magnetic moments (both orbital and intrinsic) cancel out. This is due, to some extent, to electrons combining into pairs with opposite intrinsic magnetic moments as a result of the Pauli exclusion principle (see electron configuration), and combining into filled subshells with zero net orbital motion. In both cases, the electrons preferentially adopt arrangements in which the magnetic moment of each electron is canceled by the opposite moment of another electron. Moreover, even when the electron configuration is such that there are unpaired electrons and/or non-filled subshells, it is often the case that the various electrons in the solid will contribute magnetic moments that point in different, random directions so that the material will not be magnetic.

Sometimes—either spontaneously, or owing to an applied external magnetic field—each of the electron magnetic moments will be, on average, lined up. A suitable material can then produce a strong net magnetic field.

The magnetic behavior of a material depends on its structure, particularly its electron configuration, for the reasons mentioned above, and also on the temperature. At high temperatures, random thermal motion makes it more difficult for the electrons to maintain alignment.

Diamagnetism appears in all materials and is the tendency of a material to oppose an applied magnetic field, and therefore, to be repelled by a magnetic field. However, in a material with paramagnetic properties (that is, with a tendency to enhance an external magnetic field), the paramagnetic behavior dominates.^[15] Thus, despite its universal occurrence, diamagnetic behavior is observed only in a purely diamagnetic material. In a diamagnetic material, there are no unpaired electrons, so the intrinsic electron magnetic moments cannot produce any bulk effect. In these cases, the magnetization arises from the electrons' orbital motions, which can be understood classically as follows:

When a material is put in a magnetic field, the electrons circling the nucleus will experience, in addition to their Coulomb attraction to the nucleus, a Lorentz force from the magnetic field. Depending on which direction the electron is orbiting, this force may increase the centripetal force on the electrons, pulling them in towards the nucleus, or it may decrease the force, pulling them away from the nucleus. This effect systematically increases the orbital magnetic moments that were aligned opposite the field and decreases the ones aligned parallel to the field (in accordance with Lenz's law). This results in a small bulk magnetic moment, with an opposite direction to the applied field.

This description is meant only as a heuristic; the Bohr–Van Leeuwen theorem shows that diamagnetism is impossible according to classical physics, and that a proper understanding requires a quantum-mechanical description.

All materials undergo this orbital response. However, in paramagnetic and ferromagnetic substances, the diamagnetic effect is overwhelmed by the much stronger effects caused by the unpaired electrons.

In a paramagnetic material there are unpaired electrons; i.e., atomic or molecular orbitals with exactly one electron in them. While paired electrons are required by the Pauli exclusion principle to have their intrinsic ('spin') magnetic moments pointing in opposite directions, causing their magnetic fields to cancel out, an unpaired electron is free to align its magnetic moment in any direction. When an external magnetic field is applied, these magnetic moments will tend to align themselves in the same direction as the applied field, thus reinforcing it.

A ferromagnet, like a paramagnetic substance, has unpaired electrons. However, in addition to the electrons' intrinsic magnetic moment's tendency to be parallel to an applied field, there is also in these materials a tendency for these magnetic moments to orient parallel to each other to maintain a lowered-energy state. Thus, even in the absence of an applied field, the magnetic moments of the electrons in the material spontaneously line up parallel to one another.

Every ferromagnetic substance has its own individual temperature, called the Curie temperature, or Curie point, above which it loses its ferromagnetic properties. This is because the thermal tendency to disorder overwhelms the energy-lowering due to ferromagnetic order.

El ferromagnetismo solo se produce en unas pocas sustancias; las más comunes son el hierro , el níquel , el cobalto , sus aleaciones y algunas aleaciones de metales de tierras raras .

Límites de dominios magnéticos (líneas blancas) en material ferromagnético (rectángulo negro).

Efecto de un imán sobre los dominios

Los momentos magnéticos de los átomos en un material ferromagnético hacen que se comporten como pequeños imanes permanentes. Se adhieren entre sí y se alinean formando pequeñas regiones de alineación más o menos uniforme, denominadas dominios magnéticos o dominios de Weiss . Los dominios magnéticos pueden observarse con un microscopio de fuerza magnética para revelar sus límites, que se asemejan a líneas blancas en el esquema. Existen numerosos experimentos científicos que permiten visualizar físicamente los campos magnéticos.

Cuando un dominio contiene demasiadas moléculas, se vuelve inestable y se divide en dos dominios alineados en direcciones opuestas, de modo que se adhieren entre sí de forma más estable.

Al exponerse a un campo magnético, los límites de los dominios se desplazan, de modo que los dominios alineados con el campo magnético crecen y predominan en la estructura (área amarilla punteada), como se muestra a la izquierda. Al retirar el campo magnetizante, es posible que los dominios no vuelvan a un estado no magnetizado. Esto provoca que el material ferromagnético se magnetice, formando un imán permanente.

Cuando un material se magnetiza con la suficiente intensidad como para que el dominio dominante supere a todos los demás, dando lugar a un único dominio, se considera saturado magnéticamente . Al calentar un material ferromagnético magnetizado hasta la temperatura de Curie , las moléculas se agitan hasta el punto de que los dominios magnéticos pierden su organización y cesan las propiedades magnéticas que generan. Al enfriarse el material, esta estructura de alineación de dominios se recupera espontáneamente, de forma similar a como un líquido se congela y se convierte en un sólido cristalino.

En un antiferromagneto , a diferencia de un ferromagneto, los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones de valencia vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas . Cuando todos los átomos de una sustancia están dispuestos de forma antiparalela, la sustancia es antiferromagnética . Los antiferromagnetos tienen un momento magnético neto nulo, ya que los momentos opuestos adyacentes se cancelan, lo que significa que no generan campo magnético. Los antiferromagnetos son menos comunes que otros tipos de comportamiento y se observan principalmente a bajas temperaturas. A temperaturas variables, los antiferromagnetos pueden presentar propiedades diamagnéticas y ferromagnéticas.

En algunos materiales, los electrones vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas, pero no existe una disposición geométrica en la que cada par de vecinos esté alineado en direcciones opuestas. Esto se conoce como antiferromagneto inclinado o hielo de espín , y es un ejemplo de frustración geométrica .

Al igual que el ferromagnetismo, los ferrimagnetos conservan su magnetización en ausencia de un campo magnético. Sin embargo, como los antiferromagnetos, los pares de espines electrónicos vecinos tienden a apuntar en direcciones opuestas. Estas dos propiedades no son contradictorias, ya que en la disposición geométrica óptima, el momento magnético de la subred de electrones que apuntan en una dirección es mayor que el de la subred que apunta en la dirección opuesta.

La mayoría de las ferritas son ferrimagnéticas. La primera sustancia magnética descubierta, la magnetita , es una ferrita y originalmente se creía que era un ferromagneto; sin embargo, Louis Néel refutó esta idea tras descubrir el ferrimagnetismo.

Cuando un ferromagneto o ferrimagneto es suficientemente pequeño, se comporta como un único espín magnético sujeto al movimiento browniano . Su respuesta a un campo magnético es cualitativamente similar a la de un paramagneto, pero mucho mayor.

El físico japonés Yosuke Nagaoka concibió un tipo de magnetismo en una red cuadrada bidimensional donde cada nodo de la red tenía un electrón. Si se eliminaba un electrón bajo ciertas condiciones, la energía de la red sería mínima solo cuando los espines de todos los electrones fueran paralelos.

Una variación de este fenómeno se logró experimentalmente mediante la disposición de los átomos en una red triangular de moiré de monocapas de diselenuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno . La aplicación de un campo magnético débil y un voltaje provocó un comportamiento ferromagnético cuando había entre un 100 % y un 150 % más de electrones que de nodos de la red. Los electrones adicionales se deslocalizaron y se emparejaron con los electrones de la red para formar pares. La deslocalización se impidió a menos que los electrones de la red tuvieran espines alineados. De esta manera, los pares crearon regiones ferromagnéticas localizadas. El fenómeno tuvo lugar a 140 milikelvin. ^{[ 16 ]}

• Metamagnetismo
• Altermagnetismo

While all materials are magnetic to some extent, substances that are significantly enhance the magnetic field are considered magnetic material. These materials are further classified as ferromagnetic, like iron, nickel, and cobalt, or as ferrimagnetic, like Fe₃O₄.^{[17]: 12} Large databases listing the magnetic properties of materials can analyzed by AI tools to predict new magnetic materials.^[18]

An electromagnet is a type of magnet in which the magnetic field is produced by an electric current.^[19] The magnetic field disappears when the current is turned off. Electromagnets usually consist of a large number of closely spaced turns of wire that create the magnetic field. The wire turns are often wound around a magnetic core made from a ferromagnetic or ferrimagnetic material such as iron; the magnetic core concentrates the magnetic flux and makes a more powerful magnet.

The main advantage of an electromagnet over a permanent magnet is that the magnetic field can be quickly changed by controlling the amount of electric current in the winding. However, unlike a permanent magnet that needs no power, an electromagnet requires a continuous supply of current to maintain the magnetic field.

Electromagnets are widely used as components of other electrical devices, such as motors, generators, relays, solenoids, loudspeakers, hard disks, MRI machines, scientific instruments, and magnetic separation equipment. Electromagnets are also employed in industry for picking up and moving heavy iron objects such as scrap iron and steel.^[20] Electromagnetism was discovered in 1820.^[21]

As a consequence of Einstein's theory of special relativity, electricity and magnetism are fundamentally interlinked. Both magnetism lacking electricity, and electricity without magnetism, are inconsistent with special relativity, due to such effects as length contraction, time dilation, and the fact that the magnetic force is velocity-dependent. However, when both electricity and magnetism are taken into account, the resulting theory (electromagnetism) is fully consistent with special relativity.^[13][22] In particular, a phenomenon that appears purely electric or purely magnetic to one observer may be a mix of both to another, or more generally the relative contributions of electricity and magnetism are dependent on the frame of reference. Thus, special relativity "mixes" electricity and magnetism into a single, inseparable phenomenon called electromagnetism, analogous to how general relativity "mixes" space and time into spacetime.

All observations on electromagnetism apply to what might be considered to be primarily magnetism, e.g. perturbations in the magnetic field are necessarily accompanied by a nonzero electric field, and propagate at the speed of light.^[23]

In vacuum, $${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\mathbf {H} ,}$$ where μ₀ is the vacuum permeability.

In a material, $${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} ).\ }$$

The quantity μ₀M is called magnetic polarization.

If the field H is small, the response of the magnetization M in a diamagnet or paramagnet is approximately linear: $${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,}$$ the constant of proportionality being called the magnetic susceptibility. If so, $${\displaystyle \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )\ =\ \mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} \ =\ \mu _{r}\mu _{0}\mathbf {H} \ =\ \mu \mathbf {H} .}$$

In a hard magnet such as a ferromagnet, M is not proportional to the field and is generally nonzero even when H is zero (see Remanence).

The phenomenon of magnetism is "mediated" by the magnetic field. An electric current or magnetic dipole creates a magnetic field, and that field, in turn, imparts magnetic forces on other particles that are in the fields.

Las ecuaciones de Maxwell, que se simplifican a la ley de Biot-Savart en el caso de corrientes estacionarias, describen el origen y el comportamiento de los campos que rigen estas fuerzas. Por lo tanto, el magnetismo se observa siempre que las partículas con carga eléctrica están en movimiento , por ejemplo, debido al movimiento de electrones en una corriente eléctrica o, en ciertos casos, al movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo de un átomo. También surgen de dipolos magnéticos "intrínsecos" derivados del espín cuántico .

Las mismas situaciones que generan campos magnéticos —el movimiento de cargas en una corriente eléctrica o en un átomo, y los dipolos magnéticos intrínsecos— son también aquellas en las que un campo magnético ejerce un efecto, creando una fuerza. A continuación se presenta la fórmula para el movimiento de cargas; para las fuerzas que actúan sobre un dipolo intrínseco, consulte la sección sobre dipolos magnéticos.

Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B , experimenta una fuerza de Lorentz F dada por el producto vectorial : ^{[ 24 ]} donde es la carga eléctrica de la partícula y es el vector de velocidad de la partícula. $${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}$$${\displaystyle q}$${\displaystyle v}$

Debido a que se trata de un producto vectorial , la fuerza es perpendicular tanto al movimiento de la partícula como al campo magnético. La magnitud de la fuerza es donde es el ángulo entre v y B.$${\displaystyle F=qvB\sin \theta \,}$$${\displaystyle \theta }$

La dirección del vector de fuerza se puede determinar utilizando la regla de la mano derecha para calcular la dirección y utilizando el signo de la carga (si está cargada negativamente, la fuerza apunta en la dirección opuesta al pulgar). ${\displaystyle \mathbf {v} \times \mathbf {B} }$${\displaystyle q}$

Todos los imanes conocidos son dipolos , lo que significa que tienen un polo norte y un polo sur. Se denominan así porque el campo magnético terrestre ejerce una fuerza que hace que los polos de un imán apunten hacia las zonas cercanas a los polos norte y sur de la Tierra , concretamente al polo magnético norte y al polo magnético sur . El polo norte de un imán es atraído por el polo sur de otro imán.

Un campo magnético contiene energía , y los sistemas físicos tienden a adoptar configuraciones con menor energía. Cuando un material diamagnético se coloca en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse con polaridad opuesta a dicho campo, reduciendo así la intensidad del campo resultante. Cuando un material ferromagnético se coloca en un campo magnético, los dipolos magnéticos se alinean con el campo aplicado, expandiendo así las paredes de los dominios magnéticos.

Dado que el ferromagnetismo de un imán de barra proviene de electrones distribuidos uniformemente a lo largo de la barra, al cortarlo por la mitad, cada una de las piezas resultantes es un imán de barra más pequeño. Si bien se dice que un imán tiene un polo norte y un polo sur, estos dos polos no pueden separarse. Un monopolo —si tal cosa existe— sería un tipo de objeto magnético nuevo y fundamentalmente diferente. Actuaría como un polo norte aislado, no unido a un polo sur, o viceversa. Los monopolos tendrían una "carga magnética" análoga a la carga eléctrica. A pesar de las búsquedas sistemáticas realizadas desde 1931, nunca se han observado. ^{[ 25 ]}

Sin embargo, algunos modelos de física teórica predicen la existencia de estos monopolos magnéticos . Paul Dirac observó en 1931 que, debido a que la electricidad y el magnetismo presentan cierta simetría , al igual que la teoría cuántica predice que las cargas eléctricas positivas o negativas individuales pueden observarse sin la carga opuesta, deberían observarse polos magnéticos aislados, ya sean norte o sur. Utilizando la teoría cuántica, Dirac demostró que si existen monopolos magnéticos, entonces se podría explicar la cuantización de la carga eléctrica; es decir, por qué las partículas elementales observadas tienen cargas que son múltiplos de la carga del electrón.

Ciertas teorías de gran unificación predicen la existencia de monopolos que, a diferencia de las partículas elementales, son solitones (paquetes de energía localizados). Los resultados iniciales del uso de estos modelos para estimar el número de monopolos creados en el Big Bang contradecían las observaciones cosmológicas: los monopolos habrían sido tan abundantes y masivos que habrían detenido la expansión del universo hace mucho tiempo. Sin embargo, la idea de la inflación (para la cual este problema sirvió como motivación parcial) logró resolverlo, creando modelos en los que los monopolos existían, pero eran lo suficientemente raros como para ser consistentes con las observaciones actuales. ^{[ 26 ]}

• gauss – la unidad CGS-Gaussiana del campo magnético (denotada B ).
• oersted – la unidad CGS-Gaussiana del campo magnetizante (denotada H )
• Maxwell : la unidad CGS-Gaussiana para el flujo magnético
• μ ₀ – símbolo común para la permeabilidad del espacio libre

Algunos organismos pueden detectar campos magnéticos, un fenómeno conocido como magnetocepción . Algunos materiales en los seres vivos son ferromagnéticos, aunque no está claro si las propiedades magnéticas cumplen una función especial o son simplemente un subproducto de la presencia de hierro. Por ejemplo, los quitones , un tipo de molusco marino, producen magnetita para endurecer sus dientes, e incluso los humanos producen magnetita en sus tejidos corporales. ^{[ 28 ]}

La magnetobiología estudia los efectos de los campos magnéticos en los organismos vivos; los campos producidos naturalmente por un organismo se conocen como biomagnetismo . Muchos organismos biológicos están compuestos principalmente de agua, y debido a que el agua es diamagnética , los campos magnéticos extremadamente fuertes pueden repeler a estos seres vivos.

En los años posteriores a 1820, André-Marie Ampère realizó numerosos experimentos en los que midió las fuerzas entre corrientes continuas. En particular, también estudió las fuerzas magnéticas entre cables no paralelos. ^{[ 29 ]} El resultado final de su trabajo fue una ley de fuerza que ahora lleva su nombre. En 1835, Carl Friedrich Gauss se dio cuenta ^{[ 12 ]} de que la ley de fuerza de Ampère en su forma original puede explicarse mediante una generalización de la ley de Coulomb .

La ley de fuerza de Gauss establece que la fuerza electromagnética experimentada por una carga puntual, con trayectoria , en la proximidad de otra carga puntual, con trayectoria , en el vacío es igual a la fuerza central , donde es la distancia entre las cargas y es la velocidad relativa. Wilhelm Eduard Weber confirmó la hipótesis de Gauss en numerosos experimentos. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} Mediante la electrodinámica de Weber es posible explicar los efectos estáticos y cuasiestáticos en el régimen no relativista de la electrodinámica clásica sin campo magnético ni fuerza de Lorentz . ${\textstyle \mathbf {F} _{1}}$${\displaystyle q_{1}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{1}(t)}$${\displaystyle q_{2}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{2}(t)}$$${\displaystyle \mathbf {F} _{1}={\frac {q_{1}\,q_{2}}{4\,\pi \,\epsilon _{0}}}\,{\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |^{3}}}\,\left(1+{\frac {|\mathbf {v} |^{2}}{c^{2}}}-{\frac {3}{2}}\,\left({\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |}}\cdot {\frac {\mathbf {v} }{c}}\right)^{2}\right)}$$${\textstyle \mathbf {r} =\mathbf {r} _{1}(t)-\mathbf {r} _{2}(t)}$${\textstyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {r} }}_{1}(t)-{\dot {\mathbf {r} }}_{2}(t)}$

Desde 1870, se ha desarrollado la electrodinámica de Maxwell , que postula la existencia de campos eléctricos y magnéticos. En la electrodinámica de Maxwell, la fuerza electromagnética real se puede calcular utilizando la fuerza de Lorentz, que, al igual que la fuerza de Weber, depende de la velocidad. Sin embargo, la electrodinámica de Maxwell no es totalmente compatible con el trabajo de Ampère, Gauss y Weber en el régimen cuasiestático. En particular, la ley de fuerza original de Ampère y la ley de Biot-Savart solo son equivalentes si el bucle conductor generador de campo está cerrado. ^{[ 33 ]} Por lo tanto, la electrodinámica de Maxwell representa una ruptura con la interpretación del magnetismo de Gauss y Weber, ya que en la electrodinámica de Maxwell ya no es posible deducir la fuerza magnética a partir de una fuerza central.

Si bien se pueden formular explicaciones heurísticas basadas en la física clásica, el diamagnetismo, el paramagnetismo y el ferromagnetismo solo pueden explicarse completamente mediante la teoría cuántica. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Walter Heitler y Fritz London desarrollaron un modelo exitoso en 1927, quienes derivaron, desde una perspectiva cuántica, cómo se forman las moléculas de hidrógeno a partir de átomos de hidrógeno, es decir, a partir de los orbitales atómicos del hidrógeno y centrados en los núcleos A y B (véase más adelante). Que esto dé lugar al magnetismo no es del todo obvio, pero se explicará a continuación. ${\displaystyle u_{A}}$${\displaystyle u_{B}}$

Según la teoría de Heitler-London, se forman los llamados orbitales moleculares de dos cuerpos , es decir, el orbital resultante es:${\displaystyle \sigma }$$${\displaystyle \psi (\mathbf {r} _{1},\,\,\mathbf {r} _{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(u_{A}(\mathbf {r} _{1})u_{B}(\mathbf {r} _{2})+u_{B}(\mathbf {r} _{1})u_{A}(\mathbf {r} _{2})\right)}$$

Aquí, el último producto significa que un primer electrón, r ₁ , se encuentra en un orbital atómico de hidrógeno centrado en el segundo núcleo, mientras que el segundo electrón orbita alrededor del primero. Este fenómeno de "intercambio" es una expresión de la propiedad cuántica que establece que las partículas con propiedades idénticas no se pueden distinguir. Es específico no solo para la formación de enlaces químicos , sino también para el magnetismo. Es decir, en este contexto surge el término interacción de intercambio , un término esencial para el origen del magnetismo, y que es aproximadamente 100 veces más fuerte, e incluso 1000 veces más fuerte, que las energías derivadas de la interacción dipolo-dipolo electrodinámica.

En cuanto a la función de espín , que es responsable del magnetismo, tenemos el principio de Pauli ya mencionado, a saber, que un orbital simétrico (es decir, con el signo + como arriba) debe ser multiplicado por una función de espín antisimétrica (es decir, con un signo −), y viceversa . Por lo tanto: , Es decir, no solo y deben ser sustituidos por α y β , respectivamente (la primera entidad significa "espín hacia arriba", la segunda "espín hacia abajo"), sino también el signo + por el signo −, y finalmente r _i por los valores discretos s _i (= ± 1 ⁄ 2 ); por lo tanto tenemos y . El " estado singlete ", es decir el signo −, significa: los espines son antiparalelos , es decir para el sólido tenemos antiferromagnetismo , y para moléculas de dos átomos se tiene diamagnetismo . La tendencia a formar un enlace químico (homoeopolar) (es decir, la formación de un orbital molecular simétrico , con signo positivo) resulta, según el principio de exclusión de Pauli, en un estado de espín antisimétrico (con signo negativo). Por el contrario, la repulsión de Coulomb entre los electrones, es decir, la tendencia a que intenten evitarse mutuamente mediante esta repulsión, daría lugar a una función orbital antisimétrica (con signo negativo) de estas dos partículas, complementaria a una función de espín simétrica (con signo positivo, una de las denominadas " funciones triplete "). De este modo, los espines serían paralelos ( ferromagnetismo en un sólido, paramagnetismo en gases de dos átomos). ${\displaystyle \chi (s_{1},s_{2})}$$${\displaystyle \chi (s_{1},\,\,s_{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(\alpha (s_{1})\beta (s_{2})-\beta (s_{1})\alpha (s_{2})\right)}$$${\displaystyle u_{A}}$${\displaystyle u_{B}}$${\displaystyle \alpha (+1/2)=\beta (-1/2)=1}$${\displaystyle \alpha (-1/2)=\beta (+1/2)=0}$

La última tendencia mencionada predomina en los metales hierro , cobalto y níquel , y en algunas tierras raras, que son ferromagnéticas . La mayoría de los demás metales, donde predomina la primera tendencia, son no magnéticos (por ejemplo , sodio , aluminio y magnesio ) o antiferromagnéticos (por ejemplo, manganeso ). Los gases diatómicos también son casi exclusivamente diamagnéticos, y no paramagnéticos. Sin embargo, la molécula de oxígeno, debido a la participación de orbitales π, constituye una excepción importante para las ciencias de la vida.

Las consideraciones de Heitler-London pueden generalizarse al modelo de magnetismo de Heisenberg (Heisenberg 1928).

La explicación de los fenómenos se basa, por lo tanto, esencialmente en todas las sutilezas de la mecánica cuántica, mientras que la electrodinámica abarca principalmente la fenomenología.

• The Exploratorium Science Snacks – Subject:Physics/Electricity & MagnetismArchived 2013-04-07 at the Wayback Machine
• A collection of magnetic structures – MAGNDATAArchived 2023-09-30 at the Wayback Machine