Campo electromagnetico

Un campo electromagnético (también campo EM o EMF) es un campo clásico (es decir, no cuántico) producido por cargas eléctricas en movimiento. Es el campo descrito por la electrodinámica clásica (una teoría de campo clásica) y es la contraparte clásica del tensor de campo electromagnético cuantificado en la electrodinámica cuántica (una teoría de campo cuántica). El campo electromagnético se propaga a la velocidad de la luz (de hecho, este campo se puede identificar como luz) e interactúa con cargas y corrientes. Su contraparte cuántica es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (las otras son la gravitación, la interacción débil y la interacción fuerte).

El campo puede verse como la combinación de un campo eléctrico y un campo magnético. El campo eléctrico es producido por cargas estacionarias y el campo magnético por cargas en movimiento (corrientes eléctricas); estos dos se describen a menudo como las fuentes del campo. La forma en que las cargas y las corrientes interactúan con el campo electromagnético se describe en las ecuaciones de Maxwell (que también describen cómo un campo variable en el tiempo puede producir otros campos y explica por qué la radiación electromagnética no necesita ningún medio para propagarse).) y la ley de fuerza de Lorentz.

Desde una perspectiva clásica en la historia del electromagnetismo, el campo electromagnético puede ser considerado como un campo suave y continuo, propagado de manera onda. Por el contrario, desde la perspectiva de la teoría del campo cuántico, este campo se ve como cuantizado; lo que significa que el campo cuántico libre (es decir, campo no interaccionante) se puede expresar como la suma Fourier de la creación y los operadores de aniquilación en el espacio de energía-momentum mientras que los efectos del campo cuántico interactuando pueden ser analizados en la teoría de perturbación a través de la matriz S Tenga en cuenta que el campo cuantificado sigue siendo espacialmente continuo; su estados de energía Sin embargo, son discretos; Es... valores energéticos debe ser múltiples enteros de ${displaystyle hnu }$, discreta quanta de energía llamada fotones creados por los operadores de creación del campo cuántico. En general, la frecuencia ${displaystyle nu }$ del campo cuantificado puede ser cualquier valor por encima de cero, y por lo tanto el valor del cuántico de energía (fotón) puede ser cualquier valor por encima de cero, o incluso variar continuamente en el tiempo.

Una onda electromagnética sinusoidal propagando a lo largo del eje z positivo, mostrando el campo eléctrico (azul) y el campo magnético (rojo) vectores.

Estructura

El campo electromagnético se puede ver de dos maneras distintas: una estructura continua o una estructura discreta.

Estructura continua

Clásicamente, se piensa que los campos eléctricos y magnéticos son producidos por movimientos suaves de objetos cargados. Por ejemplo, las cargas oscilantes producen variaciones en los campos eléctricos y magnéticos que se pueden ver de forma "suave", continua y similar a una onda. En este caso, se considera que la energía se transfiere continuamente a través del campo electromagnético entre dos ubicaciones cualesquiera. Por ejemplo, los átomos de metal en un transmisor de radio parecen transferir energía continuamente. Esta vista es útil hasta cierto punto (radiación de baja frecuencia), sin embargo, se encuentran problemas a altas frecuencias (ver catástrofe ultravioleta).

Estructura discreta

Se puede pensar en el campo electromagnético de una manera más 'gruesa' forma. Los experimentos revelan que, en algunas circunstancias, la transferencia de energía electromagnética se describe mejor como transportada en forma de paquetes llamados cuantos con una frecuencia fija. La relación de Planck vincula la energía fotónica E de un fotón con su frecuencia f a través de la ecuación:

$${displaystyle E=,hf}$$

donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia del fotón. Aunque la óptica cuántica moderna nos dice que también existe una explicación semiclásica del efecto fotoeléctrico (la emisión de electrones de superficies metálicas sujetas a radiación electromagnética), el fotón se utilizó históricamente (aunque no estrictamente necesariamente) para explicar ciertas observaciones. Se encuentra que al aumentar la intensidad de la radiación incidente (siempre que uno permanezca en el régimen lineal) solo aumenta el número de electrones expulsados y casi no tiene efecto sobre la distribución de energía de su eyección. Solo la frecuencia de la radiación es relevante para la energía de los electrones expulsados.

Esta imagen cuántica del campo electromagnético (que lo trata como análogo a los osciladores armónicos) ha resultado muy exitosa y ha dado lugar a la electrodinámica cuántica, una teoría del campo cuántico que describe la interacción de la radiación electromagnética con la materia cargada. También da lugar a la óptica cuántica, que se diferencia de la electrodinámica cuántica en que la materia misma se modela utilizando la mecánica cuántica en lugar de la teoría cuántica de campos.

Dinámica

En el pasado, se pensaba que los objetos cargados eléctricamente producían dos tipos diferentes de campos no relacionados asociados con su propiedad de carga. Se produce un campo eléctrico cuando la carga está estacionaria con respecto a un observador que mide las propiedades de la carga, y un campo magnético, así como un campo eléctrico, se produce cuando la carga se mueve, creando una corriente eléctrica con respecto a este observador. Con el tiempo, se dio cuenta de que es mejor pensar en los campos eléctrico y magnético como dos partes de un todo mayor: el campo electromagnético. Hasta 1820, cuando el físico danés H. C. Ørsted mostró el efecto de la corriente eléctrica en la aguja de una brújula, la electricidad y el magnetismo se consideraban fenómenos no relacionados. En 1831, Michael Faraday hizo la observación seminal de que los campos magnéticos variables en el tiempo podían inducir corrientes eléctricas y luego, en 1864, James Clerk Maxwell publicó su famoso artículo 'Una teoría dinámica del campo electromagnético'.

Una vez que este campo electromagnético se ha producido a partir de una distribución de carga dada, otros objetos cargados o magnetizados en este campo pueden experimentar una fuerza. Si estas otras cargas y corrientes son comparables en tamaño a las fuentes que producen el campo electromagnético anterior, entonces se producirá un nuevo campo electromagnético neto. Por lo tanto, el campo electromagnético puede verse como una entidad dinámica que hace que se muevan otras cargas y corrientes, y que también se ve afectado por ellas. Estas interacciones se describen mediante las ecuaciones de Maxwell y la ley de fuerza de Lorentz.

Bucle de retroalimentación

El comportamiento del campo electromagnético se puede dividir en cuatro partes diferentes de un bucle:

• los campos eléctricos y magnéticos se generan moviendo cargas eléctricas,
• los campos eléctricos y magnéticos interactúan entre sí,
• los campos eléctricos y magnéticos producen fuerzas a cargo eléctrico,
• las cargas eléctricas se mueven en el espacio.

Un malentendido común es que (a) los cuantos de los campos actúan de la misma manera que (b) las partículas cargadas, como los electrones, que generan los campos. En nuestro mundo cotidiano, los electrones viajan lentamente a través de conductores con una velocidad de deriva de una fracción de centímetro por segundo y a través de un tubo de vacío a velocidades de alrededor de 1000 km/s, pero los campos se propagan a la velocidad de la luz, aproximadamente 300 000 kilómetros (o 186 000 millas) por segundo. La relación de velocidad entre las partículas cargadas en un conductor y los cuantos de campo es del orden de uno a un millón. Las ecuaciones de Maxwell relacionan (a) la presencia y movimiento de partículas cargadas con (b) la generación de campos. Esos campos pueden afectar la fuerza y luego pueden mover otras partículas cargadas que se mueven lentamente. Las partículas cargadas pueden moverse a velocidades relativistas cercanas a las velocidades de propagación del campo, pero, como mostró Albert Einstein, esto requiere enormes energías de campo, que no están presentes en nuestras experiencias cotidianas con la electricidad, el magnetismo, la materia y el tiempo y el espacio.

El ciclo de retroalimentación se puede resumir en una lista, incluidos los fenómenos que pertenecen a cada parte del ciclo:

• partículas cargadas generan campos eléctricos y magnéticos
• los campos interactúan entre sí
  • cambiar el campo eléctrico actúa como una corriente, generando 'vortex' del campo magnético
  • Inducción de Faraday: cambio de campo magnético induce (negativo) vórtice de campo eléctrico
  • Ley de Lenz: bucle de retroalimentación negativa entre campos eléctricos y magnéticos
• los campos actúan sobre las partículas
  • Fuerza Lorentz: fuerza debida al campo electromagnético
    • fuerza eléctrica: la misma dirección que el campo eléctrico
    • fuerza magnética: perpendicular tanto al campo magnético como a la velocidad de carga
• movimiento de partículas cargadas
  • corriente es movimiento de partículas
• partículas cargadas generan más campos eléctricos y magnéticos; repite ciclo

Descripción matemática

Existen diferentes formas matemáticas de representar el campo electromagnético. El primero ve los campos eléctricos y magnéticos como campos vectoriales tridimensionales. Cada uno de estos campos vectoriales tiene un valor definido en cada punto del espacio y el tiempo y, por lo tanto, a menudo se consideran funciones de las coordenadas de espacio y tiempo. Como tales, a menudo se escriben como E(x, y, z, t) (campo eléctrico) y B(x, y , z, t) (campo magnético).

Si solo el campo eléctrico (E) es distinto de cero y es constante en el tiempo, se dice que el campo es un campo electrostático. De manera similar, si solo el campo magnético (B) es distinto de cero y es constante en el tiempo, se dice que el campo es un campo magnetostático. Sin embargo, si el campo eléctrico o magnético tiene una dependencia del tiempo, ambos campos deben considerarse juntos como un campo electromagnético acoplado utilizando las ecuaciones de Maxwell.

Con el advenimiento de la relatividad especial, las leyes físicas se volvieron susceptibles al formalismo de los tensores. Las ecuaciones de Maxwell se pueden escribir en forma de tensor, generalmente vistas por los físicos como un medio más elegante para expresar las leyes físicas.

El comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, ya sea en casos de electrostática, magnetostática o electrodinámica (campos electromagnéticos), se rige por las ecuaciones de Maxwell. En el formalismo de campo vectorial, estos son:

Ley de Gauss

${displaystyle nabla cdot mathbf {E} ={frac {rho }{varepsilon ♪♪$

Ley de Gauss para el magnetismo

${displaystyle nabla cdot mathbf {B} =0}$

Ley de Faraday

${displaystyle nabla times mathbf {E} =-{frac {partial mathbf {B}{partial t}}$

Ley Maxwell-Ampère

${displaystyle nabla times mathbf {B} =mu _{0}mathbf {J} +mu} _{0}varepsilon {fnMicrosoft Sans Serif} {E} {fn} {fn}} {fn}}} {fn}} {fn}}} {fn}}} {fn}}}}}} {fn}}}}}}} {fn}}}} {f}}}}}}}}}}}}}} {$

Donde ${displaystyle rho }$ es la densidad de carga, que puede (y a menudo depende de tiempo y posición, ${displaystyle varepsilon ¿Qué?$ es la autorización del espacio libre, ${displaystyle mu _{0}}$ es la permeabilidad del espacio libre, y J es el vector de densidad actual, también una función de tiempo y posición. Las unidades utilizadas anteriormente son las unidades estándar SI. Dentro de un material lineal, las ecuaciones de Maxwell cambian cambiando la permeabilidad y la permitibilidad del espacio libre con la permeabilidad y la permitibilidad del material lineal en cuestión. Dentro de otros materiales que poseen respuestas más complejas a los campos electromagnéticos, estos términos son a menudo representados por números complejos, o tensores.

La ley de fuerza de Lorentz gobierna la interacción del campo electromagnético con la materia cargada.

Cuando un campo viaja a través de diferentes medios, las propiedades del campo cambian según las distintas condiciones de contorno. Estas ecuaciones se derivan de las ecuaciones de Maxwell. Las componentes tangenciales de los campos eléctrico y magnético según se relacionan en la frontera de dos medios son las siguientes:

$${displaystyle mathbf {E} {fn}=fnMitbf {E}$$

$${displaystyle mathbf {H} _{1}=mathbf {H} _{2}$$

$${displaystyle mathbf {D} {fn}=fnMitbf {fnK}$$

$${displaystyle mathbf {B} ♪♪♪ {B} _{2}$$

El ángulo de refracción de un campo eléctrico entre los medios está relacionado con la permitibilidad ${displaystyle (varepsilon)}$ de cada medio:

$${displaystyle {frac {tan theta {cHFF} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {ccHFF} {cHFF} {ccHFF} {cHFF} {cHFF}} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {ccHFF} {cHFF} {cHFF} {cccccHFF}}}} {cccccccccccHFFFFFFFFFFFF}cccccccccccccccccHFF} {cHFFFF} {cHFF} {cHFFFFFF} {ccccccccccHFFFF}}cHFFFF}}cccccccccc ¿Qué?$$

El ángulo de refracción de un campo magnético entre los medios está relacionado con la permeabilidad ${displaystyle (mu)}$ de cada medio:

$${displaystyle {frac {tan theta {cHFF} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {ccHFF} {cHFF} {ccHFF} {cHFF} {cHFF}} {cHFF} {cHFF} {cHFF} {ccHFF} {cHFF} {cHFF} {cccccHFF}}}} {cccccccccccHFFFFFFFFFFFF}cccccccccccccccccHFF} {cHFFFF} {cHFF} {cHFFFFFF} {ccccccccccHFFFF}}cHFFFF}}cccccccccc {fnK} {fnh} {fnh}} {fnh}} {fnh}}} {fn}}} {fn}}} {fn}}} {fnK}}}}}}}}} {m} {fnK}}}}}}} {fnf}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}} {m}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}} {m}} {m}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {m} {m} {m}}}}}}}} {m}}} {m}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$$

Propiedades del campo

Comportamiento recíproco de campos eléctricos y magnéticos

Las dos ecuaciones de Maxwell, la Ley de Faraday y la Ley de Ampère-Maxwell, ilustran una característica muy práctica del campo electromagnético. La Ley de Faraday puede expresarse aproximadamente como 'un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico'. Este es el principio detrás del generador eléctrico.

La ley de Ampere establece aproximadamente que 'un campo eléctrico cambiante crea un campo magnético'. Por lo tanto, esta ley se puede aplicar para generar un campo magnético y hacer funcionar un motor eléctrico.

Comportamiento de los campos en ausencia de cargas o corrientes

Las ecuaciones de Maxwell toman la forma de una onda electromagnética en un volumen de espacio que no contiene cargas o corrientes (espacio libre) – es decir, donde ${displaystyle rho }$ y J son cero. Bajo estas condiciones, los campos eléctricos y magnéticos satisfacen la ecuación de onda electromagnética:

${displaystyle left(nabla ^{2}-{1over {c}{2}{partial ^{2} over partial t^{2}right)mathbf {E} = 0}$

${displaystyle left(nabla ^{2}-{1over {c}{2}{partial ^{2} over partial t^{2}right)mathbf {B} = 0}$

James Clerk Maxwell fue el primero en obtener esta relación al completar las ecuaciones de Maxwell con la adición de un término de corriente de desplazamiento a la ley del circuito de Ampere.

Relación y comparación con otros campos físicos

Al ser una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, es útil comparar el campo electromagnético con los campos gravitatorios, fuertes y débiles. La palabra 'fuerza' a veces se reemplaza por 'interacción' porque la física de partículas moderna modela el electromagnetismo como un intercambio de partículas conocidas como bosones de medida.

Campos electromagnéticos y gravitacionales

Las fuentes de campos electromagnéticos constan de dos tipos de carga: positiva y negativa. Esto contrasta con las fuentes del campo gravitatorio, que son las masas. Las masas a veces se describen como cargas gravitatorias, cuya característica importante es que solo hay masas positivas y no masas negativas. Además, la gravedad difiere del electromagnetismo en que las masas positivas atraen otras masas positivas, mientras que las mismas cargas en el electromagnetismo se repelen entre sí.

Las fortalezas y rangos relativos de las cuatro interacciones y otra información se tabulan a continuación:

Aplicaciones

Campos E y M estáticos y campos EM estáticos

Cuando un campo EM (ver tensor electromagnético) no varía en el tiempo, puede verse como un campo puramente eléctrico o un campo puramente magnético, o una mezcla de ambos. Sin embargo, el caso general de un campo EM estático con componentes eléctricos y magnéticos presentes, es el caso que aparece para la mayoría de los observadores. Los observadores que ven solo un componente de campo eléctrico o magnético de un campo EM estático, tienen suprimido el otro componente (eléctrico o magnético), debido al caso especial del estado inmóvil de las cargas que producen el campo EM en ese caso. En tales casos, el otro componente se manifiesta en otros marcos de observación.

Una consecuencia de esto, es que cualquier caso que parezca consistir en un "puro" campo eléctrico o magnético estático, se puede convertir en un campo EM, con componentes E y M presentes, simplemente moviendo al observador a un marco de referencia que se mueve con respecto al marco en el que solo el "puro&# 34; Aparece un campo eléctrico o magnético. Es decir, un campo eléctrico estático puro mostrará el campo magnético familiar asociado con una corriente, en cualquier marco de referencia donde se mueva la carga. Del mismo modo, cualquier nuevo movimiento de una carga en una región que antes parecía contener solo un campo magnético, mostrará que el espacio ahora contiene también un campo eléctrico, que se encontrará que produce una fuerza de Lorentz adicional sobre la carga en movimiento.

Por lo tanto, la electrostática, así como el magnetismo y la magnetostática, ahora se consideran estudios del campo EM estático cuando se ha seleccionado un marco particular para suprimir el otro tipo de campo, y dado que un campo EM con voluntad tanto eléctrica como magnética aparecen en cualquier otro marco, estos "más simples" los efectos son simplemente del observador. Las "aplicaciones" de todos estos campos que no varían en el tiempo (estáticos) se analizan en los artículos principales vinculados en esta sección.

Tenga en cuenta que la noción de un "puro" el campo eléctrico o magnético estático es una imagen de la teoría de campo clásica, que no considera los efectos de la cuantización; Viola la relación de incertidumbre de Heisenberg ya que no hay incertidumbre en ninguno de estos campos estáticos.

Campos EM variables en el tiempo en las ecuaciones de Maxwell

Un campo EM que varía en el tiempo tiene dos "causas" en las ecuaciones de Maxwell. Una son las cargas y corrientes (las llamadas "fuentes"), y la otra causa de un campo E o M es un cambio en el otro tipo de campo (esta última causa también aparece en "libres). espacio " muy lejos de corrientes y cargas).

Un campo electromagnético muy lejos de las corrientes y cargas (fuentes) se denomina radiación electromagnética (EMR) ya que irradia de las cargas y corrientes en la fuente y no tiene "retroalimentación" efecto sobre ellos, y tampoco se ve afectado directamente por ellos en el tiempo presente (más bien, es indirectamente producido por una secuencia de cambios en los campos que irradian desde ellos en el pasado). EMR consiste en las radiaciones en el espectro electromagnético, incluidas las ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz visible, luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Las muchas aplicaciones comerciales de estas radiaciones se analizan en los artículos nombrados y vinculados.

Una aplicación notable de la luz visible es que este tipo de energía del Sol alimenta toda la vida en la Tierra que produce o usa oxígeno.

Un campo electromagnético cambiante que está físicamente cerca de corrientes y cargas (ver campo cercano y lejano para una definición de "cercano") tendrá una característica de dipolo que está dominada por un dipolo eléctrico cambiante, o un dipolo magnético cambiante. Este tipo de campo dipolar cerca de las fuentes se denomina campo cercano electromagnético.

Los campos dipolares eléctricos cambiantes, como tales, se utilizan comercialmente como campos cercanos principalmente como fuente de calentamiento dieléctrico. De lo contrario, aparecen parasitariamente alrededor de conductores que absorben EMR y alrededor de antenas que tienen el propósito de generar EMR a mayores distancias.

Los campos dipolares magnéticos cambiantes (es decir, campos cercanos magnéticos) se utilizan comercialmente para muchos tipos de dispositivos de inducción magnética. Estos incluyen motores y transformadores eléctricos a bajas frecuencias, y dispositivos como detectores de metales y bobinas de escáner de resonancia magnética a frecuencias más altas. A veces, estos campos magnéticos de alta frecuencia cambian en frecuencias de radio sin ser ondas de campo lejano y, por lo tanto, ondas de radio; ver etiquetas RFID. Véase también comunicación de campo cercano. Se pueden encontrar otros usos comerciales de los efectos EM de campo cercano en el artículo sobre fotones virtuales, ya que a nivel cuántico, estos campos están representados por estas partículas. Los efectos de campo lejano (EMR) en la imagen cuántica de la radiación están representados por fotones ordinarios.

Otro

• El campo electromagnético se puede utilizar para registrar datos sobre electricidad estática.
• Los televisores antiguos se pueden rastrear con campos electromagnéticos.

Salud y seguridad

Los efectos potenciales de los campos electromagnéticos en la salud humana varían ampliamente según la frecuencia y la intensidad de los campos.

Los efectos potenciales para la salud de los campos electromagnéticos de muy baja frecuencia que rodean las líneas eléctricas y los dispositivos eléctricos son objeto de investigaciones en curso y de una gran cantidad de debate público. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. (NIOSH) y otras agencias gubernamentales de EE. UU. no consideran que los campos electromagnéticos sean un peligro comprobado para la salud. NIOSH ha emitido algunos avisos de precaución, pero enfatiza que los datos actualmente son demasiado limitados para sacar buenas conclusiones. En 2011, la OMS/Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) clasificó los campos electromagnéticos de radiofrecuencia como posiblemente cancerígenos para los humanos (Grupo 2B), en función de un mayor riesgo de glioma, un tipo maligno de cáncer cerebral, asociado con el uso de teléfonos inalámbricos.

Siempre se puede asumir que los empleados que trabajan en equipos e instalaciones eléctricas están expuestos a campos electromagnéticos. La exposición de los trabajadores de oficina a los campos generados por computadoras, monitores, etc. es insignificante debido a las bajas intensidades de campo. Sin embargo, las instalaciones industriales para el endurecimiento y la fusión por inducción o en equipos de soldadura pueden producir intensidades de campo considerablemente más altas y requieren un examen más detallado. Si la exposición no se puede determinar a partir de los datos del fabricante, información, comparaciones con sistemas similares o cálculos analíticos, se deben realizar mediciones. Los resultados de la evaluación ayudan a evaluar los posibles peligros para la seguridad y la salud de los trabajadores y para definir medidas de protección. Dado que los campos electromagnéticos pueden influir en los implantes pasivos o activos de los trabajadores, es esencial considerar la exposición en sus lugares de trabajo por separado en la evaluación de riesgos.

Por otro lado, se sabe que la radiación de otras partes del espectro electromagnético, como la luz ultravioleta y los rayos gamma, causan daños significativos en algunas circunstancias.