Avanzado pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Pues eso. Existe magnetismo natural lo que nos lleva a pensar que puede ser una propiedad intrínseca de la materia, pero también hay materiales que pueden imanarse cuando se someten a campos muy intensos por lo tanto parece que puede inducirse, pero también se sabe que una carga móvil genera una campo magnético lo que nos dice que podría ser un efecto relativista, y además los campos magnéticos pueden generarse mediante corrientes lo que ya es la repera. Pero ... al final ¿que es el campo magnético? ¿un estado de la materia? ¿es consecuencia de la presencia de ciertas partículas? ¿Es consecuencia de la existencia de cargas móviles? ¿Es un efecto relativista? No existen (al menos no se han descubierto) los monopolos magnéticos y por lo tanto no parece que esa una explicación sea aceptable. ¿Y que propiedad tiene las corrientes eléctricas para que generen campos magnéticos?

En fin me gustaría conocer vuestros aportes.

Salu2 Jabato

[Julián]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Físicamente existe el campo electromagnético, que se le de la característica de eléctrico o magnético dependerá del movimiento relativo de las cargas. Dejando de lado eso, verás que dije que depende de la carga, ya que la carga si es una propiedad de la materia. El campo es un efecto de la carga en el espacio-tiempo. Así una carga de 1 [nC] genera un campo eléctrico de 8.99 [N/C] a 1 metro de distancia de esta en el vacío. Pero en la mica genera un campo eléctrico de 1.66 [N/C] a la misma distancia de 1 metro. Lo mismo es aplicable para el campo magnético. Salvo que no depende solamente de la característica de materia (carga) sino que también de su velocidad relativa con respecto a una carga de inspección.

Historicamente se observó que entre cargas se daban fuerzas que actuaban a distancia. De esta manera se dedujo que la carga produce un efecto en el espacio. El campo se define como la fuerza sobre la unidad de magnitud generadora, por así decirlo. Para E, las unidades son N/C y para B las unidades son N/Cv

¿Por qué esto es así? Es decir, ¿Porque las partículas con carga y con un movimiento relativo experimentan una fuerza de sentido perpendicular a su velocidad y campo y de magnitud proporcional a su velocidad y carga. Pues porque así funciona el universo.

[visitante20160513]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Y que pasa con el campo magnético de los imanes y el de las corrientes?

[Julián]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Los imanes están formados por partículas con carga. El electrón está presente en orbitales y como sabes las partículas con carga en movimiento (relativo) generan un campo magnético. Los electrones tienen un momento angular intrínseco y por lo tanto un momento magnético. Resulta que en la mayoría de los materiales estos momentos magnéticos se cancelan en los átomos, pero esto no pasa en un imán en donde existe un pequeño pequeño momento magnético, que alineado con otros momentos magnéticos de otros átomos da el campo magnético del imán.
La explicación anterior es bastante clásica pero la física cuántica da una mejor explicación, lo único que es más dificil darse una idea mental. Existe un número cuántico que cuantifica la orientación espacial del orbital y por lo tanto la orientación espacial del momento magnético, llamado numero cuántico magnético. Y hay que tener en cuenta que a este momento magnético orbital hay que adicionarle una propiedad intrínseca del electrón que es el espín y que contribuye al momento magnético. El espín puede entenderse como el momento angular intrínseco de las partículas y está cuantificado.
En átomos que contienen muchos electrones, éstos por lo general forman parejas con espines opuestos entres sí; por lo tanto, los momentos magnéticos del espín se cancelan. Sin embargo, los átomos que contienen un número impar de electrones deben tener por lo menos un electrón sin par, por lo que el espín deberá tener algún momento magnético. El momento magnético total de un átomo es la suma vectorial de los momentos magnéticos orbitales y del espín

Agrego: el nucleo también tiene un momento magnético, ya que los protones no están en reposo pero el momento magnético es mucho más pequeño al de los electrones. (en ese nivel no se si se puede hablar de reposo, primero con respecto a que? Si es imposible eliminar la temperatura.

Con y de las corrientes no sé a que te has referido. Pero todabía se observa que la causa del campo magnético es la carga y el movimiento de esta (ya sea un movimiento lineal o rotacional, en síntesis movimiento). cualquier duda preguntá

[visitante20160513]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Bueno, según Maxwell las fuentes del campo magnético son de dos tipos, campos eléctricos variables con el tiempo (creo que puede leerse aquí cargas eléctricas en movimiento) y densidades de corriente (distribuciones espaciales de corriente), no reconoce otras que yo sepa:

$Rot\ \vec H = \vec J+ \displaystyle\frac{\partial \vec D}{\partial t}$

¿Cual de las dos es la que en tu opinión actúa en el campo magnético de los imanes?

[Julián]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Desde un punto de vista clásico, que es como lo estás intentando entender, es el primer término. $\vec{J}$. Así es como se explicó primeramente. Porque el segundo término, produce una circulación del campo magnético, cuando hay una variación flujo de $\vec{D}$, o lo que es lo mismo una variación en el flujo de $\vec{E}$. Las partículas del imán son eléctricamente neutras por lo que en un átomo, $\nabla . \vec{E}=0$ "el átomo es neutro". Es decir, si tomamos un volumen que contenga al átomo no habrá flujo eléctrico porque la carga neta en su interior es cero, hay la misma cantidad de electrones que protones. Por lo que no hay campo eléctrico que sale de este y mucho menos habrá variación de su flujo.

Pero ojo, esa explicación ya quedó obsoleta. Porque como te dije anteriormente la explicación actual es cuántica. Clasicamente se explica que el electrón girando en un orbita (ahora es orbital) es una corriente con momento magnético.

$\dst I = \frac{e}{T }$ en donde T es el periodo del electrón en su orbita y e es la carga del electrón. La física cuántica estableció que el electrón está caracterizado por 4 numeros en el sistema átomo. El magnetismo de los imanes se entiende como la suma de los momentos magnéticos de los átomos y dependerá de los numeros cuánticos magnéticos y espín.

Por ejemplo así como el campo eléctrico es:

$\dst \vec{E}= \frac{\vec{D}- \vec{P}}{\varepsilon }$

En donde el primer término es el campo creado por las cargas libres y el segundo término el creado por las cargas de polarización en un material. Para el magnetismo es:

$\dst \frac{\vec{B}}{ \mu}= \vec{H}+ \vec{M}$

En donde el vector H es el campo producido por las corriente y el vector M (llamado magnetización) es el vector producido por la densidad de momentos dipolares magnéticos.[FONT=sans-serif]

Fijate lo que dice la wikipedia sobre este vector: [/FONT]http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetizaci%C3%B3n[FONT=sans-serif]

[/FONT]

[FONT=sans-serif]A nivel microscópico solo hay cargas en movimiento, momentos magnéticos intrínsecos y el campo [/FONT]B. El campo M se puede determinar a partir de la estructura microscópica, pero para ello es preciso recurrir a la mecánica cuántica, pues en mecánica clásica los momentos intrínsecos no tienen explicación y el movimiento electrónico produce una magnetización idénticamente nula (las derivaciones clásicas que dan resultados no nulos no tienen en cuenta el movimiento completo de todos los electrones).

[FONT=sans-serif]

Espero haberte ayudado, cualquier cosa preguntá.

Agrego: Pero tienes que saber que las ecuaciones de maxwell fueron desarrolladas mucho antes de la física cuántica y una nueva teoría no contradice a la antecesora sino que la complementa. El tema de los imanes permanentes no se podía explicar completamente mediante el electromagnetismo maxweliano hasta el advenimiento de la cuántica. Así como la física relativista no contradice a la clásica sino que la complementa.[/FONT]

[visitante20160513]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Siempre he sentido curiosidad por saber como es la imagen mental que tiene un físico cuántico del interior de un átomo. Olvidemos por el momento de las imposibilidades cuánticas de realizar mediciones a una partícula sin modificar su estado, e imaginemos un átomo en equilibrio, no absorbe ni emite nada. La imagen mental de un determinado objeto como ese que tienen los físicos es dinámica o estática, es decir hay algo que se mueve en su interior o es simplemente una estructura rígida e inamovible. Conozco perfectamente la explicación del campo magnético de los imanes en base al espin (que se interpreta como el momento magnético de una rotación del las partículas sobre su propio eje) y al momento magnético orbital que se interpreta como el momento magnético debido a la rotación del los electrones alrededor del núcleo, pero la duda no es esa, la duda es otra bien distinta ¿es que acaso hay algo que realmente se esté moviendo en el interior de los átomos?

Salu2, Jabato

[jinawee]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

al espin (que se interpreta como el momento magnético de una rotación del las partículas sobre su propio eje)

Como viene en muchos sitios, es erróneo interpretar el espín como una rotación, salvo en teoría de cuerdas.

¿es que acaso hay algo que realmente se esté moviendo en el interior de los átomos?

Supongo que la imagen mental de los físicos es la misma que la de la mayoría de la gente. Bolitas de colores, orbitales, etc. Pero el problema es que una imagen visual es inválida a escalas cuánticas. Podemos pensar que existe un movimiento, en el sentido que la función de onda varía con el tiempo, aunque hay formulaciones que no lo requieren y este no sería un movimiento en el sentido tradicional. Así que en este caso es mejor confiar en la descripción matemática.

[Julián]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Como viene en muchos sitios, es erróneo interpretar el espín como una rotación, salvo en teoría de cuerdas.

Lo que dices es correcto pero eso depende del nivel explicatorio que quieres dar.
El espín surge como primeramente para completar al sist. atómico. Por ejemplo, tomando el caso de el magnetismo, había un momento magnético, que no solo dependía de la configuración espacial del orbital sino también de una característica intrínseca de la partícula subatómica. En el caso de los electrones se observó que se agrupan de a pares en los subniveles energéticos. Los pares agrupados no adicionaban al momento magnético, en cambio un electrón desapareado si adicionaba a un momento magnético. Como estamos hablando que la característica espín tiene participación en el momento magnético atómico, por los conocimiento ya obtenidos de la época en donde el momento magnético está relacionado con una carga y un momento angular entonces se puede llegar a describir como un momento angular intríseco. Pero realmente no se puede aceptar eso como verdadero ya que no podemos darnos una imagen mental de una partícula subatómica. Que se le va a hacer.

¿es que acaso hay algo que realmente se esté moviendo en el interior de los átomos?

Sabemos que existen partículas con masa y carga en los átomos. La mayoría de la masa está concentrada en el núcleo de carga positiva y en la región exterior a este hay electrones con carga negativa. Hay un principio físico que nos impide conocer con precisión simultanea la posición y el momento de una partícula. Así que mientras más conozcamos de la velocidad de una partícula subatómica menos vamos a conocer su posición espacial (con respecto al nucleo por ejemplo). Si conocemos su posición, el electrón actúa como partícula y no sabemos con mucha precisión su velocidad y si conocemos su velocidad el electrón actúa como onda y no conocemos con precisión su ubicación espacial. Es todo un tema. Imagen no tiene. Para un electrón en el atomo no tiene tanto sentido hablar de su posición y su velocidad sino que se modela por un numero que representa energía, otro numero que representa un subnivel de energía, otro numero que representa el momento magnético y el último número que es el espin.

Despues se sigue con la ecuación de onda de Schodringer

[visitante20160513]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Yo procuro, siempre lo he procurado, imaginarme el interior de los átomos como estructuras fijas, carentes de movimiento, aunque por supuesto son estructuras que pueden ser modificadas al absorber fotones etc. y es así como lo imagino ahora, lo que me hace cuestionar que el campo magnético de los imanes pueda estar originado por un movimiento de cargas eléctricas de manera que no me resulta fácil comprender que es lo que causa realmente el spin del electrón. En consecuencia tampoco me resulta fácil entender la esencia de los campos magnéticos. Ha sido ese el motivo de iniciar este debate, aunque ya veo que no va a ser fácil entender la naturaleza del campo magnético. Otra cosa sería cuando hablamos del movimiento real de partículas (no elementales) cargadas. Este caso parece ser consecuencia de algún tipo de efecto relativista, ya que el campo magnético se obtiene por la transformada del campo eléctrico. Pero no parece, a mi desde luego no me lo parece, que ambas interpretaciones sean compatibles con un mismo fenómeno pero la verdad es que los experimentos así parecen demostrarlo, el campo magnético de los imanes es de la misma naturaleza que el campo magnético que generan las cargas en movimiento o las corrientes eléctricas o incluso el que se muestra en todos los astros del universo, o el de la inducción magnética fenómeno que también tiene un tocao y eso hace bastante confuso el concepto que tengo de tal fenómeno. Pero bueno, ya veo que no va a ser fácil desentrañar toda la fenomenología que existe alrededor del campo magnético. Es un fenómeno harto complejo que se muestra en multitud de facetas y cada una de una madre. La teoría ortodoxa la conozco pero ... no sé, creo que chirría bastante cuando se analiza en detalle toda la fenomenología que existe alrededor del magnetismo. Si el spin de los electrones no es más que la manifestación de un campo magnético asociado al electrón entonces ... ¿cual es su fuente?

Salu2, Jabato

[Julián]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Yo procuro, siempre lo he procurado, imaginarme el interior de los átomos como estructuras fijas, carentes de movimiento, aunque por supuesto son estructuras que pueden ser modificadas al absorber fotones etc

Las partículas en el interior del átomo son ondas (contradictorio no). Su longitud de onda depende de su cantidad de movimiento según:

$\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{m v}$ , en donde h es la const. de planck

Así que sacate la idea de que están en reposo las partículas subatómicas. Lo que pasa es que si las posibilidades de la velocidad de las partículas toman el rango de un intervalo (es decir, puede tener cualquier velocidad dentro del rango $[{v}_{0} ,{v}_{f} ]$) , entonces habrá un rango de longitudes de onda $[{\lambda}_{0} , {\lambda}_{f} ]$, lo que nos da un paquete de ondas y un paquete de ondas está localizado en el espacio, lo que da idea de partícula. Es por esto que a menor precisión en la velocidad mayor precisión en la posición.

Leete este libro a partir de la pagina 1169 y hechale luego un vistazo a la pag. 1171 : "Física para ciencias e ingeniería con Física Moderna", Vol 2, Serway y Jewett, 7ª ed.

La teoría ortodoxa la conozco pero, no sé, creo que chirría bastante cuando se analiza en detalle toda la fenomenología que existe alrededor del magnetismo.

Tienes razón, no está todo dicho. Existen cabos sueltos entre la teoría cuántica y la relatividad y para allá está yendo la física actual. Por eso hay teorías como la teoría de cuerdas o teoría del todo en desarrollo.

[visitante20160513]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Ufff! menudo libro, muchas gracias por el enlace. Una pasada si.

Salu2, Jabato

[jinawee]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

¿Hasta qué punto es válido usar la relación de deBroglie en el átomo? Porque para un electrón libre es correcto, pero en el caso del hidrógeno, tenemos que la parte radial para un estado propio de la energía es algo así:



Y ahí no parece que se pueda aplicar una longitud de onda, salvo tomando su transformada de Fourier, que no creo que sea muy conveniente.

[visitante20160513]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

La verdad es que a mi no me ha dejado muy satisfecho la respuesta a la pregunta de si existe algo que se esté moviendo en el interior de los átomos. Debía haberla planteado en otros términos para evitar la respuesta que me dió. Debía haber preguntado esto otro:

¿Existe movimiento de alguna carga eléctrica en el interior de un átomo que pudiera ser considerado como fuente del campo magnético de los imanes? El hecho de que las partículas en su interior se comporten como ondas no contesta mi pregunta. Las ondas presuponen un cambio de estado y no un movimiento. Es cierto que existe una velocidad de propagación asociada a las ondas pero no, eso no contesta mi pregunta, por lo menos no de una forma clara.

Salu2, Jabato

[Julián]

Re: pero bueno ... al fin y a la postre que es el campo magnético?

Y ahí no parece que se pueda aplicar una longitud de onda, salvo tomando su transformada de Fourier, que no creo que sea muy conveniente.

Exactamente esa es la respuesta. Si una partícula libre ideal tiene una cantidad de movimiento conocida en forma precisa ${p}_{x}$, su función de onda es una onda sinusoidal infinitamente larga de longitud de onda $\lambda= h/{p}_{x}$, y la partícula tiene igual probabilidad de estar en cualquier punto a lo largo del eje x. La función de onda $\psi$ para esta partícula libre que se mueve a lo largo del eje x se puede escribir como
$\Psi (x)= A {e}^{i k x}$ y $k= 2 \pi / \lambda$

En cambio si cada vez se hace más indeterminado la velocidad, habrá un conjunto de longitudes de onda que describen a la partícula, y la función de onda se espresa como:

$\dst \Psi (x)= \sum_{a= 0}^\infty {A}_{a} {e}^{i k a x}$

Es una superposición de ondas. Como se ve en la figura. En a) se observa una sola onda senoidal, en la superposición, es la suma de las ondas 1 y 2 que difieren un poco en su longitud de onda y se observa como alrededor del 0, hay un paquetes de ondas (partícula) a mayor suma de ondas mayor es la localización del paquete.

Lo anterior sería para una partícula libre, en los graficos que adjuntaste jinawee debes tener que un electrón está confinado en un pozo de potencial debido al nucleo. De esta manera la onda tiene restrinciones de frontera y toma esa forma. Es por esto que uno de los términos de la ecuación de onda de Schodringer es la energía potencial del sistema además de la energía cinética.

Las ondas presuponen un cambio de estado y no un movimiento. Es cierto que existe una velocidad de propagación asociada a las ondas pero no, eso no contesta mi pregunta, por lo menos no de una forma clara.

No solamente es un hecho teorico sino que fue demostrado experimentalmente por ejemplo mediante el experimento de la difracción de electrones en una rendija. En donde la longitud de onda de la partícula depende de la cantidad de movimiento de esta. Lo que pasa es que estás asociando al concepto de onda mecánica que ya tienes y el concepto de onda es más complejo de lo que se piensa.

Decir que las ondas presuponen un cambio de estado es un concepto limitante, las ondas responden a fenómenos como interferencia, difracción y no están localizadas puntalmente en el espacio. Justo lo que se observa en las partículas (como los electrones en el experimento de difracción). No se sabe lo que oscila en las ondas de materia, el único significado físico que podemos darle es el cuadrado de la longitud de onda que da la probabilidad de que la partícula esté en un volumen. Pero observamos el comportamiento de difracción, interferencia, que es propio de las ondas.