Un campo electromagnético (también campo EM o EMF ) es una representación matemática de las influencias sobre y debido a cargas eléctricas . [1] El campo en cualquier punto del espacio y del tiempo puede considerarse como una combinación de un campo eléctrico y un campo magnético . La forma en que las cargas y las corrientes (es decir, corrientes de cargas) interactúan con el campo electromagnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell [2] y la ley de fuerzas de Lorentz . [3] Las ecuaciones de Maxwell detallan cómo el campo eléctrico converge o se aleja de las cargas eléctricas, cómo el campo magnético se enrolla alrededor de las corrientes eléctricas y cómo los cambios en los campos eléctrico y magnético se influyen entre sí. La ley de fuerza de Lorentz establece que una carga sujeta a un campo eléctrico siente una fuerza en la dirección del campo, y una carga que se mueve a través de un campo magnético siente una fuerza perpendicular tanto al campo magnético como a su dirección de movimiento. Debido a la interrelación entre los campos, una perturbación en el campo eléctrico puede crear una perturbación en el campo magnético que a su vez afecta al campo eléctrico, provocando una oscilación que se propaga por el espacio, conocida como onda electromagnética . [4] [5]
El campo electromagnético se describe mediante la electrodinámica clásica , un ejemplo de teoría de campos clásica . Esta teoría describe con precisión muchos fenómenos físicos macroscópicos. [6] Sin embargo, no pudo explicar el efecto fotoeléctrico y la espectroscopia de absorción atómica , experimentos a escala atómica. Esto requirió el uso de la mecánica cuántica , específicamente la cuantificación del campo electromagnético y el desarrollo de la electrodinámica cuántica .
Este artículo ofrece una descripción general del campo electromagnético clásico e introduce muchos artículos relacionados con más detalles.
La investigación empírica del electromagnetismo es al menos tan antigua como la del filósofo, matemático y científico griego Tales de Mileto , quien alrededor del año 600 a. C. describió sus experimentos frotando pieles de animales sobre diversos materiales, como el ámbar, creando electricidad estática. [7] En el siglo XVIII, se entendía que los objetos pueden llevar carga eléctrica positiva o negativa , que dos objetos que llevan carga del mismo signo se repelen, que dos objetos que llevan cargas de signo opuesto se atraen y que la fuerza de esta fuerza disminuye como el cuadrado de la distancia entre ellos. Michael Faraday visualizó esto en términos de cargas que interactúan a través del campo eléctrico . Se produce un campo eléctrico cuando la carga está estacionaria con respecto a un observador que mide las propiedades de la carga, y se produce un campo magnético y un campo eléctrico cuando la carga se mueve, creando una corriente eléctrica con respecto a este observador. Con el tiempo, se comprendió que es mejor considerar los campos eléctrico y magnético como dos partes de un todo mayor: el campo electromagnético. En 1820, Hans Christian Ørsted demostró que una corriente eléctrica puede desviar la aguja de una brújula cercana, estableciendo que la electricidad y el magnetismo son fenómenos estrechamente relacionados. [8] Faraday luego hizo la observación fundamental de que los campos magnéticos variables en el tiempo podían inducir corrientes eléctricas en 1831.
En 1861, James Clerk Maxwell sintetizó todos los trabajos hasta la fecha sobre fenómenos eléctricos y magnéticos en una única teoría matemática, de la que dedujo que la luz es una onda electromagnética. La teoría del campo continuo de Maxwell tuvo mucho éxito hasta que surgieron pruebas que respaldaban el modelo atómico de la materia. A partir de 1877, Hendrik Lorentz desarrolló un modelo atómico de electromagnetismo y en 1897 JJ Thomson completó experimentos que definieron el electrón . La teoría de Lorentz funciona para cargas libres en campos electromagnéticos, pero no logra predecir el espectro de energía para cargas ligadas en átomos y moléculas. Para ese problema se necesita la mecánica cuántica , que en última instancia conduce a la teoría de la electrodinámica cuántica .
Las aplicaciones prácticas de la nueva comprensión de los campos electromagnéticos surgieron a finales del siglo XIX. El generador eléctrico y el motor se inventaron utilizando únicamente hallazgos empíricos como las leyes de Faraday y Ampere combinados con experiencia práctica.
Existen diferentes formas matemáticas de representar el campo electromagnético. El primero considera los campos eléctrico y magnético 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 del espacio y el 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 depende del tiempo, entonces ambos campos deben considerarse juntos como un campo electromagnético acoplado utilizando las ecuaciones de Maxwell . [9]
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 tensorial, lo que los físicos generalmente consideran una forma más elegante de expresar las leyes físicas.
El comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, ya sea en el caso de la electrostática, la magnetostática o la electrodinámica (campos electromagnéticos), se rige por las ecuaciones de Maxwell. En el formalismo de campos vectoriales, estos son:
donde es la densidad de carga, que es función del tiempo y la posición, es la permitividad del vacío , es la permeabilidad del vacío , y J es el vector de densidad de corriente, también función del tiempo y la posición. Dentro de un material lineal, las ecuaciones de Maxwell cambian al cambiar la permeabilidad y permitividad del espacio libre con la permeabilidad y permitividad del material lineal en cuestión. Dentro de otros materiales que poseen respuestas más complejas a los campos electromagnéticos, estos términos suelen estar representados por números complejos o tensores.
La ley de fuerzas de Lorentz gobierna la interacción del campo electromagnético con la materia cargada.
Cuando un campo viaja a través de diferentes medios, el comportamiento del campo cambia según las propiedades de los medios. [10]
Las ecuaciones de Maxwell se simplifican cuando la densidad de carga en cada punto del espacio no cambia con el tiempo y todas las corrientes eléctricas permanecen constantes. Todas las derivadas del tiempo desaparecen de las ecuaciones, dejando dos expresiones que involucran el campo eléctrico,
Que un efecto físico sea atribuible a un campo eléctrico o a un campo magnético depende del observador, de una manera que la relatividad especial hace matemáticamente precisa. Por ejemplo, supongamos que un laboratorio contiene un cable largo y recto que transporta una corriente eléctrica. En el marco de referencia donde el laboratorio está en reposo, el cable está inmóvil y eléctricamente neutro: la corriente, compuesta de electrones cargados negativamente, se mueve sobre un fondo de iones cargados positivamente, y las densidades de las cargas positivas y negativas se anulan entre sí. . Una carga de prueba cerca del cable no sentiría ninguna fuerza eléctrica proveniente del cable. Sin embargo, si la carga de prueba está en movimiento paralelo a la corriente, la situación cambia. En el marco de reposo de la carga de prueba, las cargas positivas y negativas en el cable se mueven a diferentes velocidades, por lo que las distribuciones de carga positiva y negativa tienen contracción de Lorentz en diferentes cantidades. En consecuencia, el cable tiene una densidad de carga neta distinta de cero y la carga de prueba debe experimentar un campo eléctrico distinto de cero y, por tanto, una fuerza distinta de cero. En el marco de reposo del laboratorio, no hay ningún campo eléctrico que explique que la carga de prueba sea atraída o alejada del cable. Entonces, un observador en el marco de reposo del laboratorio concluye que debe estar presente un campo magnético . [12] [13]
En general, una situación que un observador describe usando sólo un campo eléctrico será descrita por un observador en un marco inercial diferente usando una combinación de campos eléctricos y magnéticos. De manera análoga, un fenómeno que un observador describe utilizando únicamente un campo magnético será descrito, en un marco de referencia relativamente móvil, por una combinación de campos. Las reglas para relacionar los campos requeridos en diferentes marcos de referencia son las transformaciones de Lorentz de los campos . [14]
Por lo tanto, la electrostática y la magnetostática ahora se ven como 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 características tanto eléctricas como magnéticas aparecerá en cualquier otro marco, estos "más simples". "Los efectos son simplemente una consecuencia de diferentes marcos de medición. El hecho de que las dos variaciones de campo puedan reproducirse simplemente cambiando el movimiento del observador es una prueba más de que sólo hay un único campo real involucrado que simplemente se observa de manera diferente.
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 dentro de un bucle crea un voltaje eléctrico alrededor del bucle". Este es el principio detrás del generador eléctrico .
La Ley de Ampère establece aproximadamente que "una corriente eléctrica alrededor de una espira crea un campo magnético a través de la espira". Así, esta ley se puede aplicar para generar un campo magnético y hacer funcionar un motor eléctrico .
Las ecuaciones de Maxwell se pueden combinar para derivar ecuaciones de onda . Las soluciones de estas ecuaciones toman la forma de una onda electromagnética . En un volumen de espacio que no contiene cargas ni corrientes ( espacio libre ), es decir, donde y J son cero, los campos eléctrico y magnético satisfacen estas ecuaciones de ondas electromagnéticas : [15] [16]
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 . Esto unificó la comprensión física de la electricidad, el magnetismo y la luz: la luz visible es solo una porción de la gama completa de ondas electromagnéticas, el espectro electromagnético .
Un campo electromagnético muy alejado de corrientes y cargas (fuentes) se llama radiación electromagnética (REM) ya que irradia desde las cargas y corrientes de la fuente. Dicha radiación puede ocurrir en una amplia gama de frecuencias denominada espectro electromagnético , incluidas ondas de radio , microondas , infrarrojos , luz visible , luz ultravioleta , rayos X y rayos gamma . Las numerosas aplicaciones comerciales de estas radiaciones se analizan en los artículos mencionados 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 utiliza oxígeno.
Un campo electromagnético cambiante que está físicamente cerca de corrientes y cargas (consulte campo cercano y lejano para obtener una definición de "cerca") tendrá una característica dipolar que está dominada por un dipolo eléctrico cambiante o un dipolo magnético cambiante . Este tipo de campo dipolar cercano a 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 de forma parásita alrededor de los conductores que absorben EMR y alrededor de antenas que tienen como objetivo generar EMR a mayores distancias.
Los campos dipolares magnéticos cambiantes (es decir, campos magnéticos cercanos) se utilizan comercialmente para muchos tipos de dispositivos de inducción magnética . Estos incluyen motores y transformadores eléctricos de bajas frecuencias, y dispositivos como etiquetas RFID , detectores de metales y bobinas de escáneres de resonancia magnética de frecuencias más altas.
Los efectos potenciales de los campos electromagnéticos en la salud humana varían ampliamente según la frecuencia, la intensidad de los campos y la duración de la exposición. La exposición de baja frecuencia, baja intensidad y corta duración a la radiación electromagnética generalmente se considera segura. [17] Por otro lado, se sabe que la radiación de otras partes del espectro electromagnético , como la luz ultravioleta [18] y los rayos gamma , [19] causan daños importantes en algunas circunstancias.
Medios relacionados con el campo electromagnético en Wikimedia Commons
