Electromagnetismo

El electromagnetismo es una rama de la física que involucra el estudio de la fuerza electromagnética, un tipo de interacción física que ocurre entre partículas cargadas eléctricamente. La fuerza electromagnética es transportada por campos electromagnéticos compuestos por campos eléctricos y campos magnéticos, y es responsable de la radiación electromagnética como la luz. Es una de las cuatro interacciones fundamentales (comúnmente llamadas fuerzas) en la naturaleza, junto con la interacción fuerte, la interacción débil y la gravitación. A alta energía, la fuerza débil y la fuerza electromagnética se unifican como una sola fuerza electrodébil.

Los fenómenos electromagnéticos se definen en términos de la fuerza electromagnética, a veces denominada fuerza de Lorentz, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo como manifestaciones diferentes del mismo fenómeno. La fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos que se encuentran en la vida diaria. La atracción electromagnética entre los núcleos atómicos y sus electrones orbitales mantiene unidos a los átomos. Las fuerzas electromagnéticas son responsables de los enlaces químicos entre los átomos que crean moléculas y fuerzas intermoleculares. La fuerza electromagnética gobierna todos los procesos químicos, que surgen de las interacciones entre los electrones de los átomos vecinos. El electromagnetismo es muy utilizado en la tecnología moderna,

Existen numerosas descripciones matemáticas del campo electromagnético. Más prominentemente, las ecuaciones de Maxwell describen cómo los campos eléctricos y magnéticos son generados y alterados entre sí y por cargas y corrientes.

Las implicaciones teóricas del electromagnetismo, particularmente el establecimiento de la velocidad de la luz en base a las propiedades del "medio" de propagación (permeabilidad y permitividad), llevaron al desarrollo de la relatividad especial por parte de Albert Einstein en 1905.

Historia de la teoria

Originalmente, la electricidad y el magnetismo se consideraban dos fuerzas separadas. Este punto de vista cambió con la publicación de 1873 de James Clerk Maxwell, Tratado sobre electricidad y magnetismo, en el que se demostró que las interacciones de las cargas positivas y negativas están mediadas por una fuerza. Hay cuatro efectos principales resultantes de estas interacciones, todos los cuales han sido claramente demostrados mediante experimentos:

1. Cargas eléctricasatraer ose repelen entre sí con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos: las cargas diferentes se atraen, las iguales se repelen.
2. Los polos magnéticos (o estados de polarización en puntos individuales) se atraen o se 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.
3. Una corriente eléctrica dentro de un cable crea un campo magnético circunferencial correspondiente fuera del cable. Su dirección (hacia la derecha o hacia la izquierda) depende de la dirección de la corriente en el cable.
4. Se induce una corriente en una espira de alambre cuando se acerca o se aleja de un campo magnético, o cuando un imán se acerca o se aleja de él; la dirección de la corriente depende de la del movimiento.

En abril de 1820, Hans Christian Ørsted observó que una corriente eléctrica en un cable hacía que se moviera la aguja de una brújula cercana. En el momento del descubrimiento, Ørsted no sugirió ninguna explicación satisfactoria del fenómeno, ni trató de representar el fenómeno en un marco matemático. Sin embargo, tres meses después inició investigaciones más intensas. Poco después publicó sus hallazgos, demostrando que una corriente eléctrica produce un campo magnético cuando 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.

Sus hallazgos dieron como resultado una intensa investigación en toda la comunidad científica en electrodinámica. Influyeron en los desarrollos del físico francés André-Marie Ampère de una sola forma matemática para representar las fuerzas magnéticas entre los conductores que transportan corriente. El descubrimiento de Ørsted también representó un gran paso hacia un concepto unificado de energía.

Esta unificación, que fue 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. Ha tenido consecuencias de largo alcance, una de las cuales fue la comprensión de la naturaleza de la luz. A diferencia de lo que proponía la teoría electromagnética de esa época, actualmente se considera que la luz y otras ondas electromagnéticas toman la forma de perturbaciones de campo electromagnético oscilatorio cuantificadas y autopropagantes llamadas fotones. Las diferentes frecuencias de oscilación dan lugar a las diferentes formas de radiación electromagnética, desde las ondas de radio en las frecuencias más bajas hasta la luz visible en las frecuencias intermedias y los 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 jurista italiano, desvió una aguja magnética utilizando una pila voltaica. La configuración real del experimento no está completamente clara, así que si la corriente fluyó a través de la aguja o no. En 1802 se publicó un relato del descubrimiento en un periódico italiano, pero la comunidad científica contemporánea lo pasó por alto en gran medida, porque aparentemente Romagnosi no pertenecía a esta comunidad.

Una conexión anterior (1735), ya menudo descuidada, entre la electricidad y el magnetismo fue reportada por el Dr. Cookson. La cuenta decía:

Un comerciante en Wakefield en Yorkshire, después de haber colocado una gran cantidad de cuchillos y tenedores en una caja grande... y habiendo colocado la caja en la esquina de una habitación grande, ocurrió una repentina tormenta de truenos, relámpagos, etc.... El dueño vaciando la caja sobre un mostrador donde estaban unos clavos, las personas que cogieron los cuchillos, que estaban sobre los clavos, observaron que los cuchillos cogían los clavos. En esto se probó todo el número, y se encontró que hacía lo mismo, y que, hasta el punto de tomar clavos grandes, agujas de embalar y otras cosas de hierro de peso considerable...

ET Whittaker sugirió en 1910 que este evento en particular fue responsable de que a los rayos se les "acreditara 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 por medio de la descarga de botellas de Leyden".."

Fuerzas fundamentales

La fuerza electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas. Las otras fuerzas fundamentales son:

• la fuerza nuclear fuerte, que une a los quarks para formar nucleones, y une a los nucleones para formar núcleos.
• la fuerza nuclear débil, que se une a todas las partículas conocidas en el modelo estándar y provoca ciertas formas de desintegración radiactiva. (Sin embargo, en la física de partículas, la interacción electrodébil es la descripción unificada de dos de las cuatro interacciones fundamentales conocidas de la naturaleza: el electromagnetismo y la interacción débil);
• la fuerza gravitatoria.

Todas las demás fuerzas (p. ej., fricción, fuerzas de contacto) se derivan de estas cuatro fuerzas fundamentales y se conocen como fuerzas no fundamentales.

La fuerza electromagnética es responsable de prácticamente todos los fenómenos que uno encuentra en la vida diaria por encima de la escala nuclear, a excepción de la gravedad. En términos generales, todas las fuerzas involucradas en las interacciones entre átomos pueden explicarse por la fuerza electromagnética que actúa entre los núcleos atómicos cargados eléctricamente y los electrones de los átomos. Las fuerzas electromagnéticas también explican cómo estas partículas transportan impulso por su movimiento. Esto incluye las fuerzas que experimentamos al "empujar" o "jalar" objetos materiales ordinarios, que resultan de las fuerzas intermoleculares que actúan entre las moléculas individuales de nuestro cuerpo y las de los objetos. La fuerza electromagnética también está involucrada en todas las formas de fenómenos químicos.

Una parte necesaria para comprender las fuerzas intraatómicas e intermoleculares es la fuerza efectiva generada por la cantidad de movimiento del movimiento de los electrones, de modo que cuando los electrones se mueven entre los átomos que interactúan, llevan consigo la cantidad de movimiento. A medida que una colección de electrones se vuelve más confinada, su momento mínimo necesariamente aumenta 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 que llevan los propios electrones.

Electrodinámica clásica

En 1600, William Gilbert propuso, en su De Magnete, que la electricidad y el magnetismo, aunque ambos capaces de causar atracción y repulsión de objetos, eran efectos distintos. 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 los experimentos propuestos por Benjamin Franklin en 1752. Uno de los primeros en descubrir y publicar un vínculo entre la corriente eléctrica artificial y el magnetismo fue Gian Romagnosi, quien en 1802 notó que conectar un cable a través de un voltaje montón desvió la aguja de una brújula cercana. Sin embargo, el efecto no se hizo ampliamente conocido hasta 1820, cuando Ørsted realizó un experimento similar.El trabajo de Ørsted influyó en Ampère para producir una teoría del electromagnetismo que estableció el tema sobre una base matemática.

Varios físicos desarrollaron una teoría del electromagnetismo, conocida como electromagnetismo clásico, durante el período comprendido entre 1820 y 1873, cuando culminó con la publicación de un tratado de James Clerk Maxwell, que unificó los desarrollos precedentes en una sola teoría y descubrió la naturaleza electromagnética. de luz. 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 fuerza de Lorentz.

Una de las peculiaridades del electromagnetismo clásico es que es difícil de reconciliar 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 de Galileo, una piedra angular de larga data de la mecánica clásica. Una forma de reconciliar 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. Tras importantes aportes 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 con una nueva teoría de la cinemática compatible con el electromagnetismo clásico. (Para obtener más información, consulte Historia de la relatividad especial).

Además, la teoría de la relatividad implica que en marcos de referencia en movimiento, 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 lados de la misma. misma moneda. De ahí el término "electromagnetismo". (Para obtener más información, consulte Electromagnetismo clásico y relatividad especial y Formulación covariante del electromagnetismo clásico).

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 las leyes dinámicas no lineales. Esto se estudia, por ejemplo, en la asignatura de magnetohidrodinámica, que combina la teoría de Maxwell con las ecuaciones de Navier-Stokes.

Cantidades y unidades

Las unidades electromagnéticas son parte de un sistema de unidades eléctricas basado principalmente en las propiedades magnéticas de las corrientes eléctricas, siendo la unidad SI fundamental el amperio. Las unidades son:

• amperio (corriente eléctrica)
• culombio (carga eléctrica)
• farad (capacitancia)
• enrique (inductancia)
• ohmio (resistencia)
• siemens (conductancia)
• tesla (densidad de flujo magnético)
• voltio (potencial eléctrico)
• vatio (potencia)
• weber (flujo magnético)

En el sistema electromagnético CGS, la corriente eléctrica es una cantidad fundamental definida por la ley de Ampère y toma la permeabilidad como una cantidad adimensional (permeabilidad relativa) cuyo valor en el vacío es la unidad. Como 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 SIvtmi
Símbolo	Nombre de la cantidad	Nombre de la unidad	Símbolo	Unidades base
mi	energía	joule	j	kg⋅m ⋅s = C⋅V
q	carga eléctrica	culombio	C	A⋅s
yo	corriente eléctrica	amperio	UN	A (= W/V = C/s)
j	densidad de corriente eléctrica	amperio por metro cuadrado	Soy	A⋅m
ΔV; _ Δφ; _ ε	diferencia de potencial; Voltaje; fuerza electromotriz	voltio	V	J/C = kg⋅m ⋅s ⋅A
R; Z; X	resistencia electrica; impedancia; resistencia reactiva	ohm	Ω	V/A = kg⋅m ⋅s ⋅A
ρ	resistividad	medidor de ohmios	Ω⋅m	kg⋅m ⋅s ⋅A
PAG	energia electrica	vatio	W	V⋅A = kg⋅m ⋅s
C	capacidad	faradio	F	C/V = kg ⋅m ⋅A ⋅s
Φ mi	Flujo eléctrico	voltímetro	V⋅m	kg⋅m ⋅s ⋅A
mi	fuerza del campo eléctrico	voltios por metro	V/m	N/C = kg⋅m⋅A ⋅s
D	campo de desplazamiento eléctrico	culombio por metro cuadrado	Cm	A⋅s⋅m
ε	permitividad	farad por metro	F/m	kg ⋅m ⋅A ⋅s
χ mi	susceptibilidad eléctrica	(adimensional)	1	1
G; Y; B	conductancia; entrada; susceptancia	siemens	S	Ω = kg ⋅m ⋅s ⋅A
κ, γ, σ	conductividad	siemens por metro	S/m	kg ⋅m ⋅s ⋅A
B	densidad de flujo magnético, inducción magnética	tesla	T	Wb/m = kg⋅s ⋅A = N⋅A ⋅m
Φ, Φ METRO, Φ segundo	flujo magnético	Weber	Wb	V⋅s = kg⋅m ⋅s ⋅A
H	intensidad del campo magnético	amperio por metro	Soy	A⋅m
L, M	inductancia	Enrique	H	Wb/A = V⋅s/A = kg⋅m ⋅s ⋅A
m	permeabilidad	Enrique por metro	H/m	kg⋅m ⋅s ⋅A
x	Susceptibilidad magnética	(adimensional)	1	1
µ	momento dipolar magnético	amperio metro cuadrado	A⋅m	A⋅m = J⋅T = 10 emú
σ	magnetización de masa	amperio metro cuadrado por kilogramo	A⋅m /kg	A⋅m ⋅kg = emú⋅g = ergio⋅G ⋅g

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 es el caso de las unidades mecánicas. Además, dentro de CGS, hay varias opciones plausibles de unidades electromagnéticas, lo que lleva a diferentes "subsistemas" de unidades, incluidos Gaussian, "ESU", "EMU" y Heaviside-Lorentz. Entre estas opciones, las unidades gaussianas son las más comunes en la actualidad y, de hecho, la frase "unidades CGS" se usa a menudo para referirse específicamente a las unidades gaussianas CGS.