Warum ziehen Magnete Objekte an oder stoßen sie ab, wenn Magnetfelder nur die Richtung von Teilchen ändern?

Erstens ist die Relativitätstheorie nicht erforderlich, um makroskopische magnetische Effekte wie die Anziehung großer magnetischer Objekte zu verstehen. Das wurde lange vor Einsteins Arbeit erklärt und verstanden; Die Erklärung gipfelte in Maxwells Gleichungen, aber die magnetostatischen Teile wurden bereits früher im 19. Jahrhundert gut verstanden. Die Relativitätstheorie hat daran nichts geändert (es war die Mechanik, die Probleme hatte, nicht E & M)

Es stimmt, dass es keine allgemein anerkannte mikroskopische Erklärung dafür gab, warum massives Eisen „magnetisiert“, aber der Effekt war in Bezug auf das Verhalten gut verstanden: Sowohl die mathematischen als auch die materialspezifischen Daten wurden in den 1880er Jahren allgemein für die Ingenieurwissenschaften verwendet .

Das Missverständnis stammt von einer Aussage, die Sie jetzt gelegentlich in Lehrbüchern sehen, normalerweise direkt nach der Lorentz-Kraft ($\vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B}$) wird eingeleitet: „Weil$\vec{F}$steht immer senkrecht auf$\vec{v}$, die Lorentzkraft kann keine Arbeit leisten". Das gilt für den einfachen Fall eines einzelnen Elektrons, das sich ( langsam ) in einem vollständig statischen Magnetfeld bewegt, aber es ist irreführend für den makroskopischen Fall: Es ist weit entfernt von der Situation, dass sich zwei Magnete anziehen andere.

Die Kraft zwischen zwei Magneten betrifft viele Elektronen an verschiedenen Orten, nicht nur eines. Die Kombination der Lorentz-Kräfte auf diese führt zu einer Nettokraft auf den Magneten, die Arbeit leisten kann. Das traditionelle Diagramm dafür ist:

Anders gesagt: Wenn sich die Elektronen nur unter einer Lorentzkraft bewegen, wird keine Arbeit verrichtet. Aber wenn sie auch mechanischen Kräften ausgesetzt sind, die sie bewegen, dann kann diese Bewegung eine Komponente entlang der Lorentz-Kraft haben, und es kann Arbeit verrichtet werden.

Aber Sie müssen Elektronen nicht kennen, um dies zu verstehen. Ein Ingenieur oder Naturwissenschaftler des 19. Jahrhunderts („Physiker“ wurde erst sehr spät allgemein verwendet) würde Anziehung auf zweierlei Weise verstehen:

• Es gibt mehr Energie in den Magnetfeldern zweier NS-orientierter Magnete, wenn sie weiter voneinander entfernt sind, als wenn sie näher beieinander liegen: Es gibt eine mechanische Kraft, die diesen Unterschied in Arbeit umwandelt, wenn sich die Magnete bewegen

• Ein magnetischer Dipol in einem ungleichförmigen Magnetfeld spürt eine Kraft. Jedes Stück der Eisenkugel ist ein separates Magnetstück mit einem eigenen Dipol. Addieren Sie diese im lokalen Feld, um die gesamte Kraft zu erhalten.

E&M vor der Relativitätstheorie arbeitete mit Strömen und Feldern ($\vec{E}$) Und ($\vec{B}$), die im makroskopischen Bereich recht gut funktionierte. Sie wussten nicht wirklich etwas über das Elektron (1897) oder das Proton/Kern (1911), geschweige denn die spezielle Relativitätstheorie (1907), aber sie konnten den Magnetismus ziemlich gut erklären und verwenden: Der Transformator stammt aus den 1830er Jahren, z Beispiel.

Ich würde nicht sagen, dass das Magnetfeld ein relativistischer Effekt des elektrischen Felds ist. Was für einen relativistischen Beobachter ein rein elektrisches Feld ist, kann für einen anderen Beobachter eine Mischung aus elektrischem und magnetischem Feld sein. Kein Beobachter ist privilegiert, also können wir nicht sagen, dass das, was von einem beobachtet wird, eine "Wirkung" dessen ist, was von einem anderen beobachtet wird.

Sie wissen wahrscheinlich, dass ein Magnetfeld eine Kraft auf eine bewegte Ladung oder einen Strom ausübt. Die Kraft ist senkrecht zum Feld und zum Strom oder zur Geschwindigkeit. Materialien, die von Magneten angezogen werden, haben eine Art geschlossene Stromschleifen. Wenn Sie über die Wirkung eines Magnetfelds auf eine solche Schleife nachdenken, werden Sie sehen, dass die Kräfte die Schleife rotieren lassen (ein Drehmoment), bis die Ebene der Schleife senkrecht zum Magnetfeld steht. An diesem Punkt versucht die Magnetkraft, die Schleife innerhalb der Ebene der Schleife auseinander zu ziehen.

Wenn das Magnetfeld im Raum konstant ist, sind diese Zugkräfte alle gleich groß und paarweise entgegengesetzt, sodass sich die Schleife nicht bewegt. Aber das Magnetfeld eines Magneten ist im Raum nicht konstant: Es wird schwächer, je weiter wir vom Magneten entfernt sind. Die Kraft auf dem Teil der Schleife, der näher am Magneten liegt, ist daher etwas stärker als die auf der gegenüberliegenden Seite, und sie „gewinnt“: Es gibt eine Nettokraft, die die Schleife zum Magneten zieht. (Dieses Phänomen hat Ähnlichkeiten mit Gezeitenkräften .) Die Eisenkugel wird durch die Summe all dieser Nettokräfte, die auf jede der darin enthaltenen "Stromschleifen" ausgeübt werden, zum Magneten gezogen.

Die obige Erklärung ist sehr ungenau, sie soll Ihnen nur ein ungefähres Bild vermitteln. Sie können zum Beispiel auch die Wikipedia-Artikel über Magnete und magnetische Momente lesen , insbesondere den Teil über die Kraft zwischen magnetischen Dipolen , dort finden Sie eine gründlichere Erklärung und weitere Referenzen, die Sie erkunden können. Bitte sehen Sie sich Bob Jacobsens Antwort mit seinen aufschlussreichen historischen Bemerkungen an.

Wie erklärt [die klassische Physik] [Magnetismus]?

Kann es nicht: Satz von Bohr-van Leeuwen .

Es gibt jedoch ein Modell, das in Deutschland (und vielleicht überall sonst?) an weiterführenden Schulen verwendet wird:

1. Magnete enthalten viele winzige "Elementarmagnete", die alle ausgerichtet sind und in die gleiche Richtung zeigen.
2. Eisen enthält auch Elementarmagnete mit zufälligen Ausrichtungen, die sich gegenseitig aufheben.
3. In einem äußeren Magnetfeld richten sich die Elementarmagnete im Eisen aus und zeigen mit ihren „Süden“ nach dem äußeren „Norden“. Es bildet sich ein (vorübergehender) Magnet und es gilt das übliche Gesetz „Gegensätze ziehen sich an“.