En física, el electromagnetismo es una interacción que se produce 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 . Se puede pensar en el electromagnetismo como una combinación de electrostática y magnetismo , dos fenómenos distintos pero estrechamente entrelazados. Las fuerzas electromagnéticas ocurren entre dos partículas cargadas. Las fuerzas eléctricas provocan una atracción entre partículas con cargas opuestas y una repulsión entre partículas con la misma carga, mientras que el magnetismo es una interacción que se produce 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, la ley de fuerza de Ampère para el magnetismo; la fuerza de Lorentz describe partículas microscópicas cargadas.
La fuerza electromagnética es responsable de muchos de los fenómenos químicos y físicos que se observan 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 desempeñan un papel en la reactividad química; tales relaciones se estudian en la química del espín . El electromagnetismo también desempeña un papel crucial en la tecnología moderna : producción, transformación y distribución de energía eléctrica; producción y detección de luz, calor y sonido; comunicación inalámbrica y de fibra óptica; sensores; cálculo; electrólisis; galvanoplastia; y motores y actuadores mecánicos.
El electromagnetismo se ha estudiado desde la antigüedad. Muchas civilizaciones antiguas, incluidas los griegos y los mayas , 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, destacados científicos y matemáticos como Coulomb , Gauss y Faraday desarrollaron leyes homónimas que ayudaron a explicar la formación y la 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. Además de proporcionar una base matemática sólida para las relaciones entre electricidad y magnetismo que los científicos habían estado explorando durante siglos, las ecuaciones de Maxwell también predijeron la existencia de ondas electromagnéticas autosostenidas . Maxwell postuló que tales ondas constituyen la luz visible , lo que luego se demostró que era cierto. De hecho, se determinó que los rayos gamma, los rayos X, la radiación ultravioleta, visible, infrarroja, las microondas y las ondas de radio eran radiaciones electromagnéticas que sólo diferían en su rango de frecuencias.
En la era moderna, los científicos han seguido perfeccionando el teorema del electromagnetismo para tener en cuenta los efectos de la física moderna , incluida la mecánica cuántica y la relatividad . De hecho, las implicaciones teóricas del electromagnetismo, particularmente el establecimiento de la velocidad de la luz basada en las propiedades del "medio" de propagación ( permeabilidad y permitividad ), ayudaron a inspirar la teoría de la relatividad especial de Einstein en 1905. Mientras tanto, el campo de la electrodinámica cuántica ( QED) ha modificado las ecuaciones de Maxwell para que sean consistentes con la naturaleza cuantificada 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.
La investigación de los fenómenos electromagnéticos comenzó hace 5.000 años. Hay evidencia de que las antiguas civilizaciones china , [1] maya , [2] y potencialmente incluso egipcia sabían que el mineral naturalmente magnético magnetita tenía propiedades atractivas, y muchos lo incorporaron a su arte y arquitectura. [3] Los 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 año 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 entendían las bases matemáticas 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). [4]
Originalmente se consideraba que la electricidad y el magnetismo eran dos fuerzas separadas. Esta visión cambió con la publicación de 1873 de James Clerk Maxwell Tratado sobre electricidad y magnetismo [5] en el que se demostró que las interacciones de cargas positivas y negativas estaban mediadas por una fuerza. Hay cuatro efectos principales que resultan de estas interacciones, todos los cuales han sido claramente demostrados mediante experimentos:
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 inició investigaciones más intensas. [9] [10] Poco después publicó sus hallazgos, demostrando que una corriente eléctrica produce un campo magnético cuando fluye a través de un cable. La unidad de inducción magnética CGS ( oersted ) recibe su nombre en honor a sus contribuciones al campo del electromagnetismo. [11]
Sus hallazgos dieron lugar a una intensa investigación en electrodinámica en toda la comunidad científica. Influyeron en el desarrollo del físico francés André-Marie Ampère de una forma matemática única para representar las fuerzas magnéticas entre conductores portadores de corriente. El descubrimiento de Ørsted también representó un paso importante hacia un concepto unificado de energía.
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 . [12] Ha tenido consecuencias de gran 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, actualmente se considera que la luz y otras ondas electromagnéticas toman la forma de perturbaciones de campos electromagnéticos oscilatorios cuantificados y autopropagados llamados fotones . Las 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 y rayos gamma en las frecuencias más altas.
Ørsted no fue la única persona que examinó la relación entre electricidad y 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, ni 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 los romagnosi aparentemente no pertenecían a esta comunidad. [13]
El Dr. Cookson informó de una conexión anterior (1735), y a menudo ignorada, entre la electricidad y el magnetismo. [14] El relato decía:
Un comerciante de Wakefield en Yorkshire, después de haber colocado una gran cantidad de cuchillos y tenedores en una caja grande... y haber colocado la caja en la esquina de una habitación grande, se produjo una repentina tormenta de truenos, relámpagos, etc. ... El dueño vaciando la caja sobre un mostrador donde estaban unos clavos, las personas que recogieron los cuchillos, que estaban sobre los clavos, observaron que los cuchillos recogían los clavos. En esto se probó todo el número, y se encontró que hacían lo mismo, y eso, hasta el punto de contener clavos grandes, agujas de embalaje y otras cosas de hierro de peso considerable...
ET Whittaker sugirió en 1910 que este evento en particular era 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 por medio de la descarga de frascos de Leyden". ". [15]
La fuerza electromagnética es la segunda más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas . Funciona con alcance infinito. [16] Todas las demás fuerzas (por ejemplo, fricción , fuerzas de contacto) se derivan de estas cuatro fuerzas fundamentales y se conocen como fuerzas no fundamentales . [17] A alta energía, la fuerza débil y la fuerza electromagnética se unifican como una sola fuerza electrodébil . [18]
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 transmiten impulso mediante su movimiento. Esto incluye las fuerzas que experimentamos al "empujar" o "tirar" de objetos materiales ordinarios, que resultan de las fuerzas intermoleculares que actúan entre las moléculas individuales de nuestros cuerpos y las de los objetos. La fuerza electromagnética también interviene en todas las formas de fenómenos químicos .
Una parte necesaria para comprender las fuerzas intraatómicas e intermoleculares es la fuerza efectiva generada por el impulso del movimiento de los electrones, de modo que cuando los electrones se mueven entre átomos que interactúan, llevan consigo el impulso. A medida que un conjunto de electrones se vuelve más confinado, su impulso 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 impulso transportado por los propios electrones. [19]
En 1600, William Gilbert propuso, en su De Magnete , que la electricidad y el magnetismo, si bien eran capaces de provocar atracción y repulsión de objetos, eran efectos distintos. [20] Los marineros habían notado que los rayos tenían la capacidad de alterar la aguja de una brújula. El vínculo entre los rayos y la electricidad no se confirmó hasta que los experimentos propuestos por Benjamín Franklin en 1752 fueron realizados el 10 de mayo de 1752 por Thomas-François Dalibard de Francia utilizando una barra de hierro de 40 pies de altura (12 m) en lugar de una cometa y extrajeron con éxito chispas eléctricas de una nube. [21] [22]
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. [23] El trabajo de Ørsted influyó en Ampère para realizar más experimentos, que eventualmente 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. [24]
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 unificaba desarrollos anteriores en una sola teoría, proponiendo que la luz era una onda electromagnética que se propagaba. en el éter luminífero . [25] 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 . [26]
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 antigua piedra angular de la mecánica clásica. Una forma de conciliar las dos teorías (electromagnetismo y mecánica clásica) es suponer 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 sustituyó la cinemática clásica por 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 ).
Hoy en día quedan pocos problemas sin resolver en el electromagnetismo. Estos incluyen: la falta de monopolos magnéticos , la controversia Abraham-Minkowski y el mecanismo por el cual algunos organismos pueden detectar campos eléctricos y magnéticos .
Las ecuaciones de Maxwell son lineales, en el sentido de que un cambio en las fuentes (las cargas y corrientes) da como resultado un cambio proporcional de los campos. La dinámica no lineal puede ocurrir cuando los campos electromagnéticos se acoplan a materia que sigue leyes dinámicas no lineales. [27] Esto se estudia, por ejemplo, en la materia de magnetohidrodinámica , que combina la teoría de Maxwell con las ecuaciones de Navier-Stokes . [28] Otra rama del electromagnetismo que se ocupa de la no linealidad es la óptica no lineal .
Aquí hay una lista de unidades comunes relacionadas con el electromagnetismo: [29]
En el sistema electromagnético CGS , la corriente eléctrica es una cantidad fundamental definida mediante la ley de Ampère y toma la permeabilidad como una cantidad adimensional (permeabilidad relativa) cuyo valor en el vacío es la unidad . [30] Como consecuencia, el cuadrado de la velocidad de la luz aparece explícitamente en algunas de las ecuaciones que interrelacionan cantidades 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 uno a uno entre las unidades electromagnéticas del SI y las del CGS, como ocurre con las unidades mecánicas. Además, dentro de CGS, existen varias opciones plausibles de unidades electromagnéticas, lo que lleva a diferentes "subsistemas" de unidades, incluidos Gaussiano , "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 utiliza a menudo para referirse específicamente a las unidades CGS-Gaussianas . [32]
El estudio del electromagnetismo influye en la construcción de circuitos eléctricos y dispositivos semiconductores .
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