Electromagnetismo

Interacción fundamental entre partículas cargadas

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. Es la fuerza dominante en las interacciones de átomos y moléculas . El electromagnetismo puede considerarse como una combinación de electrostática y magnetismo , que son fenómenos distintos pero estrechamente entrelazados. Las fuerzas electromagnéticas ocurren entre dos partículas cargadas cualesquiera. Las fuerzas eléctricas causan una atracción entre partículas con cargas opuestas y repulsión entre partículas con la misma carga, mientras que el magnetismo es una interacción que ocurre entre partículas cargadas en movimiento relativo. Estas dos fuerzas se describen en términos de campos electromagnéticos. Los objetos cargados macroscópicos se describen en términos de la ley de Coulomb para la electricidad y la ley de fuerza de Ampère para el magnetismo; la fuerza de Lorentz describe partículas cargadas microscópicas.

La fuerza electromagnética es responsable de muchos de los fenómenos químicos y físicos observados en la vida diaria. 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 en moléculas, incluidas las macromoléculas como las proteínas que forman la base de la vida . Mientras tanto, las interacciones magnéticas entre los momentos magnéticos de espín y momento angular de los electrones también juegan un papel en la reactividad química; tales relaciones se estudian en la química del espín . El electromagnetismo también juega varios papeles cruciales en la tecnología moderna : producción, transformación y distribución de energía eléctrica; producción y detección de luz, calor y sonido; comunicación inalámbrica y por fibra óptica; sensores; computación; electrólisis; galvanoplastia; y motores y actuadores mecánicos.

El electromagnetismo se ha estudiado desde la antigüedad. Muchas civilizaciones antiguas, incluidas la griega y la maya , crearon teorías de amplio alcance para explicar los rayos , la electricidad estática y la atracción entre piezas magnetizadas de mineral de hierro . Sin embargo, no fue hasta finales del siglo XVIII que los científicos comenzaron a desarrollar una base matemática para comprender la naturaleza de las interacciones electromagnéticas. En los siglos XVIII y XIX, científicos y matemáticos destacados como Coulomb , Gauss y Faraday desarrollaron leyes homónimas que ayudaron a explicar la formación e interacción de los campos electromagnéticos. Este proceso culminó en la década de 1860 con el descubrimiento de las ecuaciones de Maxwell , un conjunto de cuatro ecuaciones diferenciales parciales que proporcionan una descripción completa de los campos electromagnéticos clásicos. Las ecuaciones de Maxwell proporcionaron una base matemática sólida para las relaciones entre la electricidad y el magnetismo que los científicos habían estado explorando durante siglos, y predijeron la existencia de ondas electromagnéticas autosostenidas . Maxwell postuló que tales ondas forman la luz visible , lo que más tarde se demostró que era cierto. Se determinó que los rayos gamma, los rayos X, la radiación ultravioleta, la radiación visible, la radiación infrarroja, las microondas y las ondas de radio eran radiaciones electromagnéticas que se diferenciaban únicamente en su rango de frecuencias.

En la era moderna, los científicos continúan refinando la teoría del electromagnetismo para explicar los efectos de la física moderna , incluida la mecánica cuántica y la relatividad . Las implicaciones teóricas del electromagnetismo, en particular el requisito de que las observaciones permanezcan consistentes cuando se ven desde varios marcos de referencia móviles ( electromagnetismo relativista ) y el establecimiento de la velocidad de la luz basada en propiedades del medio de propagación ( permeabilidad y permitividad ), ayudaron a inspirar la teoría de la relatividad especial de Einstein en 1905. La electrodinámica cuántica (EDQ) modifica las ecuaciones de Maxwell para que sean consistentes con la naturaleza cuantizada de la materia. En la EQQ, los cambios en el campo electromagnético se expresan en términos de excitaciones discretas, partículas conocidas como fotones , los cuantos de luz.

Historia

Mundo antiguo

La investigación de los fenómenos electromagnéticos comenzó hace unos 5.000 años. Hay evidencia de que las antiguas civilizaciones china , ^[1] maya , ^[2]^[3] y potencialmente incluso egipcia sabían que el mineral naturalmente magnético magnetita tenía propiedades atractivas, y muchos lo incorporaron a su arte y arquitectura. ^[4] Los pueblos antiguos también eran conscientes de 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 cuando se frotaba con un paño, lo que le permitía recoger objetos ligeros como trozos de paja. Tales también experimentó con la capacidad de las rocas magnéticas para atraerse entre sí, y planteó la hipótesis de que este fenómeno podría estar relacionado con el poder de atracción del ámbar, presagiando las profundas conexiones entre la electricidad y el magnetismo que se descubrirían más de 2.000 años después. A pesar de toda esta investigación, las civilizaciones antiguas no comprendían la base matemática del electromagnetismo y a menudo analizaban sus impactos a través de la lente de la religión en lugar de la ciencia (los rayos, por ejemplo, se consideraban una creación de los dioses en muchas culturas). ^[5]

Siglo XIX

En un principio se consideraba que la electricidad y el magnetismo eran dos fuerzas independientes. Esta idea cambió con la publicación en 1873 de Tratado sobre electricidad y magnetismo de James Clerk Maxwell ^[6], en el que se demostró que las interacciones de las cargas positivas y negativas estaban mediadas por una sola fuerza. Existen cuatro efectos principales resultantes de estas interacciones, todos ellos claramente demostrados mediante experimentos:

Cargas eléctricasatractorse repelen entre sí con una fuerzainversamente proporcionalal cuadrado de la distancia entre ellas: las cargas opuestas se atraen, las cargas iguales se repelen.^[7]
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 como pares: cada polo norte está unido a un polo sur. ^[8]
Una corriente eléctrica en el interior de un cable crea un campo magnético circunferencial correspondiente en el exterior del cable. Su dirección (en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario) depende de la dirección de la corriente en el cable. ^[9]
Se induce una corriente en un bucle de alambre cuando éste se mueve hacia o desde un campo magnético, o cuando un imán se mueve hacia o desde éste; la dirección de la corriente depende de la del movimiento. ^[9]

En abril de 1820, Hans Christian Ørsted observó que una corriente eléctrica en un cable hacía que la aguja de una brújula cercana se moviera. En el momento del descubrimiento, Ørsted no sugirió ninguna explicación satisfactoria del fenómeno, ni intentó representarlo en un marco matemático. Sin embargo, tres meses después comenzó investigaciones más intensivas. ^[10]^[11] Poco después publicó sus hallazgos, demostrando que una corriente eléctrica produce un campo magnético a medida que fluye a través de un cable. La unidad CGS de inducción magnética ( oersted ) recibe su nombre en honor a sus contribuciones al campo del electromagnetismo. ^[12]

Sus hallazgos dieron lugar a una intensa investigación en el campo de la electrodinámica por parte de la comunidad científica. Influyeron en el desarrollo de una única forma matemática para representar las fuerzas magnéticas entre conductores que transportan corriente por parte del físico francés André-Marie Ampère . El descubrimiento de Ørsted también representó un gran paso hacia un concepto unificado de la energía.

Esta unificación, que fue observada por Michael Faraday , extendida 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 . ^[13] Ha tenido consecuencias de largo alcance, una de las cuales fue la comprensión de la naturaleza de la luz . A diferencia de lo propuesto por la teoría electromagnética de esa época, la luz y otras ondas electromagnéticas se consideran en la actualidad como perturbaciones del campo electromagnético oscilatorias autopropagadas y cuantificadas llamadas fotones . Diferentes frecuencias de oscilación dan lugar a las diferentes formas de radiación electromagnética , desde ondas de radio en las frecuencias más bajas, hasta luz visible en frecuencias intermedias, hasta rayos gamma en las frecuencias más altas.

Ørsted no fue la única persona que examinó la relación entre la electricidad y el magnetismo. En 1802, Gian Domenico Romagnosi , un erudito en derecho italiano, desvió una aguja magnética utilizando una pila voltaica. La configuración real del experimento no está completamente clara, ni tampoco si la corriente fluyó a través de la aguja o no. Un relato del descubrimiento fue publicado en 1802 en un periódico italiano, pero fue en gran medida pasado por alto por la comunidad científica contemporánea, porque Romagnosi aparentemente no pertenecía a esta comunidad. ^[14]

Un Dr. Cookson informó sobre una conexión anterior (1735), y a menudo descuidada, entre la electricidad y el magnetismo. ^[15] El relato decía:

Un comerciante de Wakefield, en Yorkshire, había colocado una gran cantidad de cuchillos y tenedores en una gran caja... y había colocado la caja en la esquina de una gran habitación, cuando de repente se desató una tormenta de truenos, relámpagos, etc.... El propietario vació la caja sobre un mostrador donde había algunos clavos, y las personas que recogieron los cuchillos que estaban sobre los clavos observaron que los cuchillos cogían los clavos. Se probó con todo el conjunto y se descubrió que hacía lo mismo, y que, hasta el punto de coger clavos grandes, agujas de embalaje y otros objetos de hierro de peso considerable...

ET Whittaker sugirió en 1910 que este evento en particular fue el responsable de que a los rayos se les atribuyera "el poder de magnetizar el acero; y fue sin duda esto lo que llevó a Franklin en 1751 a intentar magnetizar una aguja de coser mediante la descarga de botellas de Leyden". ^[16]

Una fuerza fundamental

La fuerza electromagnética es la segunda más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas y tiene un alcance ilimitado. ^[17] Todas las demás fuerzas, conocidas como fuerzas no fundamentales . ^[18] (por ejemplo, fricción , fuerzas de contacto) se derivan de las cuatro fuerzas fundamentales. A alta energía, la fuerza débil y la fuerza electromagnética se unifican como una única interacción llamada interacción electrodébil . ^[19]

La mayoría de las fuerzas que intervienen 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 todas las formas de fenómenos químicos .

El electromagnetismo explica cómo los materiales tienen impulso a pesar de estar compuestos de partículas individuales y espacio vacío. Las fuerzas que experimentamos cuando "empujamos" o "tiramos" de objetos materiales ordinarios son resultado de fuerzas intermoleculares entre moléculas individuales en nuestros cuerpos y en los objetos.

Las fuerzas efectivas generadas por el momento del movimiento de los electrones son una parte necesaria para comprender las interacciones atómicas e intermoleculares. A medida que los electrones se mueven entre átomos que interactúan, llevan consigo un momento. A medida que un conjunto de electrones se vuelve más confinado, su momento mínimo aumenta necesariamente debido al principio de exclusión de Pauli . El comportamiento de la materia a escala molecular, incluida 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. ^[20]

Electrodinámica clásica

En 1600, William Gilbert propuso, en su De Magnete , que la electricidad y el magnetismo, si bien ambos son capaces de causar atracción y repulsión de objetos, son efectos distintos. ^[21] Los marineros habían notado que los rayos tenían la capacidad de 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 realizados el 10 de mayo de 1752 por Thomas-François Dalibard de Francia usando una barra de hierro de 40 pies de alto (12 m) en lugar de una cometa y extrajo con éxito chispas eléctricas de una nube. ^[22]^[23]

Uno de los primeros en descubrir y publicar un vínculo entre la corriente eléctrica creada por el hombre y el magnetismo fue Gian Romagnosi , quien en 1802 notó que conectar un cable a través de una pila voltaica desviaba la aguja de una brújula cercana . Sin embargo, el efecto no se hizo ampliamente conocido hasta 1820, cuando Ørsted realizó un experimento similar. ^[24] El trabajo de Ørsted influyó en Ampère para realizar más experimentos, que finalmente dieron lugar a una nueva área de la física: la electrodinámica. Al determinar una ley de fuerza para la interacción entre elementos de la corriente eléctrica, Ampère colocó el tema sobre una base matemática sólida. ^[25]

Una teoría del electromagnetismo, conocida como electromagnetismo clásico , fue desarrollada por varios físicos durante el período entre 1820 y 1873, cuando se publicó el tratado de James Clerk Maxwell , que unificó los desarrollos anteriores en una sola teoría, proponiendo que la luz era una onda electromagnética que se propagaba en el éter luminífero . ^[26] 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 está dada por la ley de fuerza de Lorentz . ^[27]

Una de las peculiaridades del electromagnetismo clásico es que es difícil de conciliar con la mecánica clásica , pero 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 , una piedra angular de larga data de la mecánica clásica. Una forma de conciliar las dos teorías (electromagnetismo y mecánica clásica) es asumir la existencia de un éter luminífero a través del cual se propaga la luz. Sin embargo, los esfuerzos experimentales posteriores no lograron detectar la presencia del éter. Después de importantes contribuciones de Hendrik Lorentz y Henri Poincaré , en 1905, Albert Einstein resolvió el problema con la introducción de la relatividad especial, que reemplazó la cinemática clásica por una nueva teoría de la cinemática compatible con el electromagnetismo clásico. (Para más información, consulte 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 un componente eléctrico distinto de cero y, a la inversa, un campo eléctrico en movimiento se transforma en un componente magnético distinto de cero, lo que demuestra firmemente que los fenómenos son dos caras de la misma moneda. De ahí el término "electromagnetismo". (Para obtener más información, consulte Electromagnetismo clásico y relatividad especial y Formulación covariante del electromagnetismo clásico ).

En la actualidad, quedan por resolver algunos problemas en el campo del electromagnetismo, entre ellos: la falta de monopolos magnéticos , la controversia de Abraham-Minkowski , la ubicación en el espacio de la energía del campo electromagnético ^[28] 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, en el sentido de que un cambio en las fuentes (las cargas y las corrientes) da como resultado un cambio proporcional de los campos. La dinámica no lineal puede ocurrir cuando los campos electromagnéticos se acoplan a la materia que sigue leyes dinámicas no lineales. ^[29] Esto se estudia, por ejemplo, en el tema de la magnetohidrodinámica , que combina la teoría de Maxwell con las ecuaciones de Navier-Stokes . ^[30] Otra rama del electromagnetismo que trata la no linealidad es la óptica no lineal .

Cantidades y unidades

A continuación se muestra una lista de unidades comunes relacionadas con el electromagnetismo: ^[31]

amperio (corriente eléctrica, unidad SI )
culombio (carga eléctrica)
faradio (capacitancia)
henry (inductancia)
ohmio (resistencia)
Siemens (conductancia)
tesla (densidad de flujo magnético)
voltio (potencial eléctrico)
vatio (potencia)
Weber (flujo magnético)

En el sistema CGS electromagnético , la corriente eléctrica es una cantidad fundamental definida a través de la ley de Ampère y toma la permeabilidad como una cantidad adimensional (permeabilidad relativa) cuyo valor en el vacío es la unidad . ^[32] En consecuencia, el cuadrado de la velocidad de la luz aparece explícitamente en algunas de las ecuaciones que interrelacionan cantidades en este sistema.

Unidades de electromagnetismo del SI
en
a
mi
Símbolo ^[33]	Nombre de la cantidad	Nombre de la unidad	Símbolo	Unidades base
$mi$	energía	joule	J = C⋅V = W⋅s	kg⋅m2⋅s − ²
$Q$	carga eléctrica	culombio	do	A⋅s
$I$	corriente eléctrica	amperio	A = C/s = W/V	A
$Yo$	densidad de corriente eléctrica	amperio por metro cuadrado	A/ ^m2	A⋅m ⁻²
$U$ , $Δ V$ ; $Δ ϕ$ ; E , $ξ$	diferencia de potencial ; voltaje ; fuerza electromotriz	voltio	V = J/C	kg⋅m2⋅s ⁻ 3⋅A ⁻ 1
$R$ ; $Z$ ; $X$	resistencia eléctrica ; impedancia ; reactancia	ohm	Ω = V/A	kg⋅m2⋅s ⁻ 3⋅A ⁻ 2
$ρ$	resistividad	ohmímetro	Ω⋅m	kg⋅m3⋅s ⁻ 3⋅A ⁻ 2
$PAG$	energía eléctrica	vatio	W = V⋅A	kg⋅m2⋅s − ³
$do$	capacidad	faradio	F = C/V	kg ⁻¹ m ⁻² A ² s ⁴
$Φ mi$	flujo eléctrico	voltímetro	V⋅m	kg⋅m3⋅s ⁻ 3⋅A ⁻ 1
$mi$	intensidad del campo eléctrico	voltio por metro	V/m = N/C	kg⋅m⋅A ⁻ 1⋅s ⁻³
$D$	campo de desplazamiento eléctrico	culombio por metro cuadrado	C/ ^m2	A⋅s⋅m ⁻²
$mi$	permitividad	faradio por metro	Mujer/hombre	kg ⁻¹ m ⁻³ A ² s ⁴
$χ y$	susceptibilidad eléctrica	( sin dimensiones )	1	1
$pag$	momento dipolar eléctrico	coulombímetro	C⋅m	A⋅s⋅m
$G$ ; $Y$ ; $B$	conductancia ; admitancia ; susceptancia	Siemens	S = Ω ⁻¹	kg ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅s ³ ⋅A ²
$κ$ , $γ$ , $σ$	conductividad	siemens por metro	Hombre	kg ^- 1m ^- 3s3A2
$B$	densidad de flujo magnético, inducción magnética	tesla	T = Wb/m2 ⁼ N⋅A ⁻¹ ⋅m ⁻¹	kg⋅s ⁻² ⋅A ⁻¹
$Φ$ , $ΦM$ , $ΦB$ $$ $$	flujo magnético	Weber	Wb = V⋅s	kg⋅m2⋅s ⁻^2⋅A⁻ 1
$yo$	Intensidad del campo magnético	amperio por metro	Soy	A⋅m ⁻¹
F	fuerza magnetomotriz	amperio	A = Bb/H	A
R	reluctancia magnética	henry inverso	H ⁻¹ = A/Wb	kg ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅s ² ⋅A ²
PAG	permeabilidad magnética	Enrique	H = Wb/A	kg⋅m2⋅s ^- 2⋅A - ²
$Yo$ , $yo$	inductancia	Enrique	H = Wb/A = V⋅s/A	kg⋅m2⋅s ⁻^2⋅A⁻ 2
$micras$	permeabilidad	henry por metro	Hombre	kilogramo⋅m⋅s ⁻² ⋅A ⁻²
$χ$	susceptibilidad magnética	( sin dimensiones )	1	1
$metro$	momento dipolar magnético	amperio metro cuadrado	A⋅m2 ⁼ J⋅T ⁻¹	Soy ²
$σ$	magnetización de masa	amperio metro cuadrado por kilogramo	A⋅m2 ^/ kg	Un metro ^cuadrado de masa corporal (kg) ^-1

Las fórmulas para las leyes físicas del electromagnetismo (como las ecuaciones de Maxwell ) deben ajustarse dependiendo del sistema de unidades que se use. Esto se debe a que no hay una correspondencia uno a uno entre las unidades electromagnéticas del SI y las del CGS, como es el caso de las unidades mecánicas. Además, dentro del CGS, hay varias opciones plausibles de unidades electromagnéticas, lo que lleva a diferentes "subsistemas" de unidades, incluyendo la gaussiana , "ESU", "EMU" y Heaviside–Lorentz . Entre estas opciones, las unidades gaussianas son las más comunes hoy en día y, de hecho, la frase "unidades CGS" se usa a menudo para referirse específicamente a las unidades CGS-gaussianas . ^[34]

Aplicaciones

El estudio del electromagnetismo informa la construcción de circuitos eléctricos , circuitos magnéticos y dispositivos semiconductores .

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

Recursos de la biblioteca sobre
electromagnetismo

Recursos en tu biblioteca

Fuentes web

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Enlaces externos

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

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