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Electromagnetismo

En física , el electromagnetismo es una interacción que ocurre entre partículas con carga eléctrica a través de campos electromagnéticos . La fuerza electromagnética es una de l...

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En física , el electromagnetismo es una interacción que ocurre entre partículas con carga eléctrica a través de campos electromagnéticos . La fuerza electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. [ 1 ] Es la fuerza dominante en las interacciones de átomos y moléculas . El electromagnetismo describe y relaciona los tres fenómenos distintos pero estrechamente interrelacionados de electricidad , magnetismo y óptica . En electromagnetismo, estos fenómenos se describen mediante las tres subdisciplinas: electrostática , magnetostática y electrodinámica .

La fuerza electromagnética es responsable de muchos fenómenos químicos y físicos que observamos en la vida cotidiana. La atracción electrostática entre los núcleos atómicos y sus electrones mantiene unidos a los átomos. Las fuerzas eléctricas también permiten que diferentes átomos se combinen para formar moléculas. Asimismo, las interacciones magnéticas entre el espín y el momento angular de los electrones desempeñan un papel fundamental en la reactividad química; estas relaciones se estudian en la química del espín . El electromagnetismo también desempeña funciones cruciales en la tecnología moderna : producción, transformación y distribución de energía eléctrica; producción y detección de luz, calor y sonido; comunicación por fibra óptica e inalámbrica; sensores; computación; electrólisis; galvanoplastia; y motores y actuadores mecánicos.

El electromagnetismo se ha estudiado desde la antigüedad para explicar los fenómenos eléctricos de los rayos y la electricidad estática , así como el fenómeno magnético de la atracción entre trozos magnetizados de mineral de hierro y brújulas . En los siglos XVIII y XIX, los científicos desarrollaron las relaciones matemáticas entre estos fenómenos y las cargas y corrientes eléctricas . También demostraron que los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban relacionados y podían crear ondas electromagnéticas autosostenidas que forman la luz visible y otras formas de radiación electromagnética, incluyendo rayos gamma , rayos X , radiación ultravioleta , visible e infrarroja , microondas y ondas de radio .

En la era moderna, los científicos siguen perfeccionando la teoría del electromagnetismo para dar cuenta de los efectos de la física moderna , incluyendo la mecánica cuántica y la relatividad . Las implicaciones teóricas del electromagnetismo, en particular el requisito de que las observaciones permanezcan consistentes al ser vistas desde diferentes sistemas de referencia en movimiento ( electromagnetismo relativista ) y el establecimiento de la velocidad de la luz a partir de las propiedades del medio de propagación ( permeabilidad y permitividad ), contribuyeron a inspirar la teoría de la relatividad especial de Einstein en 1905. La electrodinámica cuántica (QED) modifica las ecuaciones de Maxwell para que sean consistentes con la naturaleza cuantizada de la materia. En QED, los cambios en el campo electromagnético se expresan en términos de excitaciones discretas, partículas conocidas como fotones , los cuantos de luz.

Matemáticamente, el electromagnetismo se describe mediante campos electromagnéticos . Estos son magnitudes que describen la influencia eléctrica ( campo eléctrico ) y magnética ( campo magnético ) en un lugar y momento determinados.

Una fuerza fundamental

Las interacciones electromagnéticas son las responsables de los filamentos luminosos en esta esfera de plasma .

La fuerza electromagnética es la segunda más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas y tiene un alcance ilimitado. [ 1 ] Todas las demás fuerzas, conocidas como fuerzas no fundamentales [ 2 ] (por ejemplo, la fricción , las fuerzas de contacto), se derivan de las cuatro fuerzas fundamentales. A alta energía, la fuerza débil y la fuerza electromagnética se unifican en una sola interacción llamada interacción electrodébil . [ 3 ]

La mayoría de las fuerzas implicadas en las interacciones entre átomos se explican por las fuerzas electromagnéticas entre los núcleos atómicos cargados eléctricamente y los electrones . La fuerza electromagnética también interviene en todos los fenómenos químicos .

El electromagnetismo explica cómo los materiales conservan el momento lineal a pesar de estar compuestos de partículas individuales y espacio vacío. Las fuerzas que experimentamos al empujar o tirar de objetos materiales comunes son el resultado de las fuerzas intermoleculares entre las moléculas individuales de nuestro cuerpo y de los objetos.

Las fuerzas efectivas generadas por el momento del movimiento de los electrones son fundamentales para comprender las interacciones atómicas e intermoleculares. A medida que los electrones se mueven entre átomos que interactúan, transportan consigo momento. Al confinarse un conjunto de electrones, su momento mínimo aumenta necesariamente debido al principio de exclusión de Pauli . El comportamiento de la materia a escala molecular, incluyendo su densidad, está determinado por el equilibrio entre la fuerza electromagnética y la fuerza generada por el intercambio de momento transportado por los propios electrones. [ 4 ]

Campos electromagnéticos

El fenómeno del electromagnetismo se describe matemáticamente mediante campos electromagnéticos. Un campo electromagnético (también llamado campo EM ) es un campo físico que varía en el espacio y el tiempo, y que representa las influencias eléctricas y magnéticas generadas por las cargas eléctricas y que actúan sobre ellas. El campo en cualquier punto del espacio y el tiempo puede considerarse como una combinación de un campo eléctrico y un campo magnético . Debido a la interrelación entre ambos campos, una perturbación en el campo eléctrico puede generar una perturbación en el campo magnético, la cual, a su vez, afecta al campo eléctrico, dando lugar a una oscilación que se propaga por el espacio, conocida como onda electromagnética .

Existen seis magnitudes matemáticas que se utilizan para describir los campos electromagnéticos en tres casos distintos. El campo eléctrico , E , y la densidad de flujo magnético , B, se utilizan para describir los campos electromagnéticos cuando se conocen directamente todas las cargas, como en el caso del vacío. Para describir el caso en que las cargas dentro de un material responden a campos eléctricos y magnéticos aplicados, es útil definir el campo de desplazamiento eléctrico , D , y la intensidad del campo magnético , H , además de E y B. Finalmente, a veces es útil describir los campos electromagnéticos no en términos de fuerza, sino en términos de energía potencial y momento. En este caso, el campo electromagnético se representa mediante el potencial eléctrico , V , y el potencial vectorial magnético , A , respectivamente.

Fuerza de Lorentz F sobre una partícula cargada (de carga q ) en movimiento (velocidad instantánea v ). El campo E y el campo B varían en el espacio y el tiempo.

Fuerza sobre una carga eléctrica debida a campos electromagnéticos

La fuerza, F , sobre una partícula cargada de carga q que se mueve a velocidad v en un campo electromagnético viene dada por la fuerza de Lorentz ( definición de cantidades del SI [ a ] ): [ 7 ]F=q(mi+v×B){\displaystyle \mathbf {F} =q\left(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} \right)}

Aquí, × es el producto vectorial , y todas las cantidades en negrita son vectores.

La fuerza de Lorentz se puede utilizar para definir tanto el campo eléctrico E como la densidad de flujo magnético B.

Campos electromagnéticos en la materia

Al tratar con campos electromagnéticos en la materia, suele ser útil introducir otros dos campos, además de E y B. Dado que la materia está compuesta de partículas con carga eléctrica y momento magnético intrínseco , responde a un campo electromagnético aplicado generando su propio campo electromagnético. Los detalles son complejos, pero a menudo se pueden describir introduciendo un campo de desplazamiento eléctrico , D, que complementa a E , y una intensidad de campo magnético , H , que complementa a E.

Formulación del potencial eléctrico

En formulaciones avanzadas del electromagnetismo y para simplificar ciertos cálculos, a menudo resulta útil reformular el campo electromagnético en términos de energía potencial eléctrica y momento en lugar de fuerza. Aquí, los campos electromagnéticos de interés son el potencial eléctrico, V , y el potencial vectorial magnético A. Estos se relacionan con E y B mediante: mi=−∇V−∂A∂tB=∇×A{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {E} &=-\nabla V-{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}\\[1ex]\mathbf {B} &=\nabla \times \mathbf {A} \end{aligned}}} donde ∇ es el gradiente, ∇⋅ es la divergencia y ∇× es el rotacional .

Electrostática

Un gato atigrado cubierto de bolitas de poliestireno expandido.
Cacahuetes de espuma que se adhieren al pelaje de un gato debido a la electricidad estática . El pelaje del gato se carga debido al efecto triboeléctrico . El campo eléctrico del pelaje cargado provoca la polarización de las moléculas de la espuma debido a la inducción electrostática , lo que resulta en una ligera atracción de los trozos de plástico ligeros hacia el pelaje. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Este efecto también es la causa de la adherencia estática en la ropa.

La electrostática es una rama de la física que estudia las cargas eléctricas estacionarias o de movimiento lento en objetos macroscópicos, donde los efectos cuánticos pueden despreciarse. En estas circunstancias, el campo eléctrico, el potencial eléctrico y la densidad de carga están relacionados sin las complicaciones derivadas de los efectos magnéticos.

Desde la antigüedad clásica , se sabe que algunos materiales, como el ámbar , atraen partículas ligeras después de frotarlos . [ 12 ] La palabra griega ḗlektron ( ἤλεκτρον ), que significa 'ámbar', fue así la raíz de la palabra electricidad . Los fenómenos electrostáticos surgen de las fuerzas que las cargas eléctricas ejercen entre sí. Dichas fuerzas se describen mediante la ley de Coulomb .

Existen numerosos ejemplos de fenómenos electrostáticos, desde aquellos tan simples como la atracción del envoltorio de plástico hacia la mano después de retirarlo del paquete, hasta la explosión aparentemente espontánea de silos de grano, los daños a componentes electrónicos durante la fabricación y el funcionamiento de fotocopiadoras e impresoras láser .

Magnetostática

La magnetostática estudia los campos magnéticos en sistemas donde las corrientes son constantes (no varían con el tiempo). Es el análogo magnético de la electrostática , donde las cargas son estacionarias. La magnetización no tiene por qué ser estática; las ecuaciones de la magnetostática pueden utilizarse para predecir eventos de conmutación magnética rápidos que ocurren en escalas de tiempo de nanosegundos o menos. [ 13 ] La magnetostática es incluso una buena aproximación cuando las corrientes no son estáticas , siempre que no alternen rápidamente. La magnetostática se utiliza ampliamente en aplicaciones de micromagnetismo , como modelos de dispositivos de almacenamiento magnético, por ejemplo, en la memoria de las computadoras .

Electrodinámica

En 1600, William Gilbert propuso, en su obra De Magnete , que la electricidad y el magnetismo, si bien ambos podían causar atracción y repulsión de objetos, eran efectos distintos. [ 14 ] Los marineros habían notado que los rayos podían perturbar la aguja de una brújula. El vínculo entre los rayos y la electricidad no se confirmó hasta que los experimentos propuestos por Benjamin Franklin  en 1752 fueron llevados a cabo el 10 de mayo de 1752 por Thomas-François Dalibard de Francia, quien utilizó una barra de hierro de 12 m (40 pies) de altura en lugar de una cometa y logró extraer chispas eléctricas de una nube. [ 15 ] [ 16 ] 

Uno de los primeros en descubrir y publicar una relación entre la corriente eléctrica artificial y el magnetismo fue Gian Romagnosi , quien en 1802 observó que al conectar un cable a través de una pila voltaica, la aguja de una brújula cercana se desviaba . Sin embargo, el efecto no se popularizó hasta 1820, cuando Ørsted realizó un experimento similar. [ 17 ] El trabajo de Ørsted influyó en Ampère para que realizara más experimentos, que finalmente dieron origen a una nueva área de la física: la electrodinámica. Al determinar una ley de fuerza para la interacción entre elementos de corriente eléctrica, Ampère sentó las bases matemáticas del tema. [ 18 ]

Una teoría del electromagnetismo, conocida como electromagnetismo clásico , fue desarrollada por varios físicos durante el período comprendido entre 1820 y 1873, cuando se publicó el tratado de James Clerk Maxwell , que unificó desarrollos previos en una sola teoría, proponiendo que la luz era una onda electromagnética que se propagaba en el éter luminífero . [ 19 ] En el electromagnetismo clásico, el comportamiento del campo electromagnético se describe mediante un conjunto de ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell , y la fuerza electromagnética viene dada por la ley de Lorentz . [ 20 ]

Una de las peculiaridades del electromagnetismo clásico es su difícil conciliación con la mecánica clásica , aunque es compatible con la relatividad especial. Según las ecuaciones de Maxwell, la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal que depende únicamente de la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del espacio libre . Esto viola la invariancia galileana , un pilar fundamental de la mecánica clásica. Una forma de conciliar ambas teorías (electromagnetismo y mecánica clásica) consiste en asumir la existencia de un éter luminífero a través del cual se propaga la luz. Sin embargo, los posteriores experimentos no lograron detectar la presencia de dicho éter. Tras importantes contribuciones de Hendrik Lorentz y Henri Poincaré , en 1905, Albert Einstein resolvió el problema con la introducción de la relatividad especial, que sustituyó la cinemática clásica por una nueva teoría cinemática compatible con el electromagnetismo clásico. (Para más información, véase Historia de la relatividad especial ).

Además, la teoría de la relatividad implica que, en sistemas de referencia móviles, un campo magnético se transforma en un campo con componente eléctrica no nula y, a la inversa, un campo eléctrico en movimiento se transforma en un campo magnético con componente magnética no nula, demostrando así claramente que ambos fenómenos son dos caras de la misma moneda. De ahí el término «electromagnetismo». (Para más información, véase Electromagnetismo clásico y relatividad especial y Formulación covariante del electromagnetismo clásico ).

Hoy en día quedan pocos problemas sin resolver en electromagnetismo. Estos incluyen: la falta de monopolos magnéticos , la controversia Abraham-Minkowski , la ubicación en el espacio de la energía del campo electromagnético, [ 21 ] y el mecanismo por el cual algunos organismos pueden percibir campos eléctricos y magnéticos .

Extensión a fenómenos no lineales

Las ecuaciones de Maxwell son lineales, ya que un cambio en las fuentes (las cargas y las corrientes) produce un cambio proporcional en los campos. La dinámica no lineal puede ocurrir cuando los campos electromagnéticos se acoplan a la materia que sigue leyes dinámicas no lineales. [ 22 ] Esto se estudia, por ejemplo, en el campo de la magnetohidrodinámica , que combina la teoría de Maxwell con las ecuaciones de Navier-Stokes . [ 23 ] Otra rama del electromagnetismo que trata la no linealidad es la óptica no lineal .

Cantidades y unidades

Aquí hay una lista de unidades comunes relacionadas con el electromagnetismo: [ 24 ]

En el sistema electromagnético CGS , la corriente eléctrica es una magnitud fundamental definida por la ley de Ampère y toma la permeabilidad como una magnitud adimensional (permeabilidad relativa) cuyo valor en el vacío es la unidad . [ 25 ] Como consecuencia, el cuadrado de la velocidad de la luz aparece explícitamente en algunas de las ecuaciones que interrelacionan magnitudes en este sistema.

Las fórmulas de las leyes físicas del electromagnetismo (como las ecuaciones de Maxwell ) deben ajustarse según el sistema de unidades que se utilice. Esto se debe a que no existe una correspondencia biunívoca entre las unidades electromagnéticas del SI y las del CGS, como sí ocurre con las unidades mecánicas. Además, dentro del CGS, existen varias opciones plausibles de unidades electromagnéticas, lo que da lugar a diferentes subsistemas de unidades, como el gaussiano , el ESU, el EMU y el de Heaviside-Lorentz . Entre estas opciones, las unidades gaussianas son las más comunes en la actualidad, y de hecho, la expresión «unidades CGS» se utiliza a menudo para referirse específicamente a las unidades CGS-gaussianas . [ 27 ]

Aplicaciones

La teoría del electromagnetismo se utiliza para comprender y diseñar circuitos eléctricos , circuitos magnéticos y dispositivos semiconductores .

Historia

mundo antiguo

La investigación sobre los fenómenos electromagnéticos comenzó hace unos 5000 años. Hay evidencia de que las antiguas civilizaciones china , [ 28 ] maya , [ 29 ] [ 30 ] y posiblemente incluso egipcia sabían que el mineral magnetita, naturalmente magnético , tenía propiedades atractivas, y muchas lo incorporaron a su arte y arquitectura. [ 31 ] Los antiguos también conocían los rayos y la electricidad estática , aunque no tenían idea de los mecanismos detrás de estos fenómenos. El filósofo griego Tales de Mileto descubrió alrededor del 600 a. C. que el ámbar podía adquirir una carga eléctrica al frotarlo con un paño, lo que le permitía atraer objetos ligeros como trozos de paja. Tales también experimentó con la capacidad de las rocas magnéticas para atraerse entre sí e hipotetizó que este fenómeno podría estar relacionado con el poder de atracción del ámbar, anticipando las profundas conexiones entre electricidad y magnetismo que se descubrirían más de 2000 años después. A pesar de toda esta investigación, las civilizaciones antiguas no comprendían la base matemática del electromagnetismo y, a menudo, analizaban sus impactos desde la perspectiva de la religión en lugar de la ciencia (el rayo, por ejemplo, era considerado una creación de los dioses en muchas culturas). [ 32 ]

siglo XIX

Portada de Un tratado sobre electricidad y magnetismo

La electricidad y el magnetismo se consideraban originalmente dos fuerzas separadas. Esta visión cambió con la publicación de *A Treatise on Electricity and Magnetism* de James Clerk Maxwell en 1873 [ 33 ] , en la que se demostró que las interacciones de cargas positivas y negativas estaban mediadas por una sola fuerza. Existen cuatro efectos principales resultantes de estas interacciones, todos los cuales han sido claramente demostrados mediante experimentos:

  1. Cargas eléctricasatractor​se repelen entre sí con una fuerzainversamente proporcionalal cuadrado de la distancia entre ellas: las cargas opuestas se atraen, las cargas iguales se repelen. [ 34 ]
  2. Los polos magnéticos (o estados de polarización en puntos individuales) se atraen o repelen entre sí de manera similar a las cargas positivas y negativas, y siempre existen en pares: cada polo norte está unido a un polo sur. [ 35 ]
  3. Una corriente eléctrica dentro de un cable crea un campo magnético circunferencial correspondiente fuera del cable. Su dirección (en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario) depende de la dirección de la corriente en el cable. [ 36 ]
  4. Se induce una corriente en una espira de alambre cuando se mueve hacia o desde un campo magnético, o cuando se mueve un imán hacia o desde él; la dirección de la corriente depende de la del movimiento. [ 36 ]

En abril de 1820, Hans Christian Ørsted observó que una corriente eléctrica en un cable provocaba el movimiento de la aguja de una brújula cercana. En el momento del descubrimiento, Ørsted no propuso ninguna explicación satisfactoria del fenómeno, ni intentó representarlo en un marco matemático. Sin embargo, tres meses después comenzó investigaciones más exhaustivas. [ 37 ] [ 38 ] Poco después publicó sus hallazgos, demostrando que una corriente eléctrica produce un campo magnético al fluir a través de un cable. La unidad CGS de inducción magnética ( oersted ) recibe su nombre en honor a sus contribuciones al campo del electromagnetismo. [ 39 ] Sus hallazgos influyeron en los desarrollos del físico francés André-Marie Ampère de una forma matemática única para representar las fuerzas magnéticas entre conductores por los que circula corriente. [ 40 ]

Esta unificación, observada por Michael Faraday , ampliada por James Clerk Maxwell y parcialmente reformulada por Oliver Heaviside y Heinrich Hertz , es uno de los logros clave de la física matemática del siglo XIX . [ 41 ] Ha tenido consecuencias de gran alcance, una de las cuales fue la comprensión de la naturaleza de la luz . A diferencia de lo que proponía la teoría electromagnética de la época, la luz y otras ondas electromagnéticas se consideran actualmente como perturbaciones del campo electromagnético oscilatorias , cuantizadas y autopropagantes, llamadas fotones . Las diferentes frecuencias de oscilación dan lugar a las distintas formas de radiación electromagnética , desde las ondas de radio en las frecuencias más bajas, hasta la luz visible en frecuencias intermedias, y los rayos gamma en las frecuencias más altas.

Véase también

Notas

  1. ↑ En unidades del SI, B se mide en teslas (símbolo: T). En unidades cgs de Gauss , B se mide en gauss (símbolo: G). [ 5 ] H se mide en amperios por metro (A/m) en unidades del SI y en oersteds (Oe) en unidades cgs. [ 6 ]

Referencias

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Lecturas adicionales

Fuentes web

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  • Convertidor de intensidad de campo magnético
  • Fuerza electromagnética – del libro El mundo de la física de Eric Weisstein