Почему магниты притягивают или отталкивают предметы, если магнитное поле только меняет направление частиц?

Во-первых, теория относительности не нужна для понимания макроскопических магнитных эффектов, таких как притяжение больших магнитных объектов. Это было объяснено и понято задолго до работы Эйнштейна; кульминацией объяснения стали уравнения Максвелла, но магнитостатические части были хорошо поняты ранее, в 19 веке. Теория относительности ничего из этого не изменила (проблемы были с механикой, а не с E&M).

Это правда, что не было согласованного микроскопического объяснения того, почему объемное железо «намагничивается», но эффект был хорошо понят с точки зрения поведения: как математические данные, так и данные о конкретных материалах широко использовались в инженерии в 1880-х годах. .

Неправильное представление исходит из утверждения, которое вы сейчас время от времени будете встречать в учебниках, обычно сразу после силы Лоренца ($\vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B}$) вводится: «Потому что$\vec{F}$всегда перпендикулярно$\vec{v}$, сила Лоренца не может совершить работу». Это верно для простого случая отдельного электрона , движущегося ( медленно ) в полностью статическом магнитном поле, но вводит в заблуждение для макроскопического случая: это далеко от ситуации, когда два объемных магнита притягивают друг друга. другой.

Сила между двумя магнитами включает в себя множество электронов в разных местах, а не только один. Комбинация сил Лоренца на них приводит к результирующей силе на магните, которая может совершать работу. Традиционная схема для этого:

Другими словами, если электроны движутся только под действием силы Лоренца, работа не совершается. Но если они также подвергаются механическим силам, которые их двигают, то это движение может иметь составляющую вдоль силы Лоренца, и может быть совершена работа.

Но вам не нужно знать электроны, чтобы понять это. Инженер или естествоиспытатель 19-го века («физик» не был в обиходе до очень позднего времени) понимал бы притяжение несколькими способами:

• В магнитном поле (полях) двух магнитов, ориентированных на северную широту, больше энергии, когда они находятся дальше друг от друга, чем когда они ближе друг к другу: существует механическая сила, которая превращает эту разницу в работу при движении магнитов.

• Магнитный диполь в неоднородном магнитном поле испытывает силу. Каждый кусочек железного шарика — это отдельный кусочек магнита со своим диполем. Добавьте их в локальное поле, чтобы получить всю силу.

Дорелятивистская Э&М работала с токами и полями ($\vec{E}$) и ($\vec{B}$), который в макроскопической области работал достаточно хорошо. На самом деле они ничего не знали об электроне (1897 г.) или протоне/ядре (1911 г.), не говоря уже о специальной теории относительности (1907 г.), но они могли довольно хорошо объяснить и использовать магнетизм: трансформатор восходит к 1830-м годам, для пример.

Я бы не сказал, что магнитное поле — это релятивистский эффект электрического поля. То, что для релятивистского наблюдателя является чисто электрическим полем, для другого наблюдателя может быть смесью электрического и магнитного полей. Ни один наблюдатель не является привилегированным, поэтому мы не можем сказать, что то, что наблюдает один, является «эффектом» того, что наблюдает другой.

Вы, наверное, знаете, что магнитное поле действует на движущийся заряд или ток. Сила перпендикулярна полю и току или скорости. Материалы, которые притягиваются магнитами, имеют своего рода замкнутые контуры тока. Если вы подумаете о действии магнитного поля на такую ​​петлю, вы увидите, что силы заставляют петлю вращаться (крутящий момент) до тех пор, пока плоскость петли не станет перпендикулярной магнитному полю. В этот момент магнитная сила пытается разорвать петлю внутри плоскости петли.

Если магнитное поле постоянно в пространстве, все эти притягивающие силы равны по величине и попарно противоположны, поэтому петля не движется. Но магнитное поле магнита не постоянно в пространстве: оно тем слабее, чем дальше мы от магнита. Таким образом, сила на части петли, расположенной ближе к магниту, немного больше, чем сила на противоположной стороне, и она «побеждает»: есть результирующая сила, притягивающая петлю к магниту. (Это явление имеет сходство с приливными силами .) Железный шар притягивается к магниту суммой всех этих суммарных сил, действующих на каждую из «токовых петель» внутри него.

Объяснение выше очень неточное, оно предназначено только для того, чтобы дать вам приблизительную картину. Вы также можете проверить, например, статьи Википедии о магнитах и ​​магнитных моментах , особенно часть о силе между магнитными диполями , вы найдете более подробное объяснение и дополнительные ссылки, которые вы можете изучить. Пожалуйста, ознакомьтесь с ответом Боба Якобсена с его проницательными историческими замечаниями.

Как [классическая физика] объясняет [магнетизм]?

Не может: теорема Бора – ван Левена .

Однако есть модель, которая используется в средних школах Германии (а может, и везде?):

1. Магниты содержат множество крошечных «элементарных магнитов», которые выровнены и направлены в одном направлении.
2. Железо также содержит элементарные магниты со случайными выравниваниями, нейтрализующими друг друга.
3. Во внешнем магнитном поле элементарные магниты в железе выравниваются и указывают своим «югом» на внешний «север». Образуется (временный) магнит, и действует обычный закон «противоположности притягиваются».