Un campo electromagnético (también campo EM ) es un campo físico , funciones matemáticas de posición y tiempo, que representa las influencias sobre y debido a las cargas eléctricas . [1] El campo en cualquier punto en el espacio y el tiempo puede considerarse como una combinación de un campo eléctrico y un campo magnético . 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, lo que lleva a una oscilación que se propaga a través del espacio, conocida como onda electromagnética . [2] [3]
La forma en que las cargas y corrientes (es decir, corrientes de cargas) interactúan con el campo electromagnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell [4] y la ley de fuerza de Lorentz . [5] Las ecuaciones de Maxwell detallan cómo el campo eléctrico converge hacia o diverge de las cargas eléctricas, cómo el campo magnético se curva 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 a lo largo de la dirección del campo, y una carga que se mueve a través de un campo magnético siente una fuerza que es perpendicular tanto al campo magnético como a su dirección de movimiento.
El campo electromagnético se describe mediante la electrodinámica clásica , un ejemplo de teoría clásica de campos . Esta teoría describe con precisión muchos fenómenos físicos macroscópicos. [6] Sin embargo, no fue capaz de explicar el efecto fotoeléctrico ni la espectroscopia de absorción atómica , experimentos a escala atómica. Eso requirió el uso de la mecánica cuántica , específicamente la cuantización del campo electromagnético y el desarrollo de la electrodinámica cuántica .
La investigación empírica del electromagnetismo es al menos tan antigua como el filósofo, matemático y científico griego Tales de Mileto , quien alrededor del 600 a. C. describió sus experimentos frotando pieles de animales sobre diversos materiales como el ámbar para crear electricidad estática. [7] En el siglo XVIII, se entendió que los objetos pueden tener carga eléctrica positiva o negativa , que dos objetos con carga del mismo signo se repelen, que dos objetos con cargas de signo opuesto se atraen y que la intensidad de esta fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre ellos. Michael Faraday visualizó esto en términos de las 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 pensar en 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] Luego, en 1831, Faraday hizo la observación fundamental de que los campos magnéticos variables en el tiempo podían inducir corrientes eléctricas.
En 1861, James Clerk Maxwell sintetizó todo el trabajo realizado hasta la fecha sobre fenómenos eléctricos y magnéticos en una única teoría matemática, de la que luego dedujo que la luz es una onda electromagnética. La teoría del campo continuo de Maxwell tuvo mucho éxito hasta que surgieron evidencias que apoyaban el modelo atómico de la materia. A partir de 1877, Hendrik Lorentz desarrolló un modelo atómico del 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 , lo que finalmente conduce a la teoría de la electrodinámica cuántica .
Las aplicaciones prácticas de la nueva comprensión de los campos electromagnéticos surgieron a fines del siglo XIX. El generador y el motor eléctricos 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. La primera considera los campos eléctrico y magnético como campos vectoriales tridimensionales . Estos campos vectoriales tienen cada uno un valor definido en cada punto del espacio y del tiempo y, por lo tanto, a menudo se consideran funciones de las coordenadas del espacio y del tiempo. Como tal, 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, entonces ambos campos deben considerarse juntos como un campo electromagnético acoplado utilizando las ecuaciones de Maxwell . [9]
Con la llegada de la relatividad especial , las leyes físicas se volvieron susceptibles de formalismo tensorial . Las ecuaciones de Maxwell pueden escribirse en forma tensorial, considerada generalmente por los físicos como un medio más elegante de expresar 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), está regido por las ecuaciones de Maxwell. En el formalismo de campos vectoriales, estas son:
donde es la densidad de carga, que es una 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 una función del tiempo y la posición. Dentro de un material lineal, las ecuaciones de Maxwell cambian intercambiando la permeabilidad y la permitividad del espacio libre con la permeabilidad y la permitividad del material lineal en cuestión. Dentro de otros materiales que poseen respuestas más complejas a los campos electromagnéticos, estos términos a menudo se representan mediante números complejos o tensores.
La ley de fuerza de Lorentz rige 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 temporales desaparecen de las ecuaciones, dejando dos expresiones que involucran el campo eléctrico, y junto con dos fórmulas que involucran el campo magnético: y Estas expresiones son las ecuaciones básicas de la electrostática , que se centra en situaciones en las que las cargas eléctricas no se mueven, y la magnetostática , el área correspondiente de los fenómenos magnéticos. [11]
El 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 es eléctricamente neutro: la corriente, compuesta de electrones con carga negativa, se mueve contra un fondo de iones con carga positiva, y las densidades de cargas positivas y negativas se anulan entre sí. Una carga de prueba cerca del cable no sentiría ninguna fuerza eléctrica procedente 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 del cable se mueven a diferentes velocidades, por lo que las distribuciones de carga positiva y negativa están contraídas por Lorentz en cantidades diferentes. 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 campo eléctrico que explique que la carga de prueba se atraiga hacia el cable o se aleje de él. Por lo tanto, 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 utilizando únicamente un campo eléctrico será descrita por un observador en un sistema inercial diferente utilizando una combinación de campos eléctricos y magnéticos. Análogamente, un fenómeno que un observador describe utilizando únicamente un campo magnético será, en un sistema de referencia en movimiento relativo, descrito por una combinación de campos. Las reglas para relacionar los campos requeridos en diferentes sistemas de referencia son las transformaciones de Lorentz de los campos . [14]
Por lo tanto, la electrostática y la magnetostática se consideran ahora como estudios del campo electromagnético estático cuando se ha seleccionado un marco particular para suprimir el otro tipo de campo, y dado que un campo electromagnético con características eléctricas y magnéticas aparecerá en cualquier otro marco, estos efectos "más simples" son simplemente una consecuencia de diferentes marcos de medición. El hecho de que las dos variaciones de campo se puedan reproducir simplemente cambiando el movimiento del observador es una prueba más de que solo 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 resumirse en términos generales como "un campo magnético cambiante dentro de una espira crea un voltaje eléctrico alrededor de la espira". Este es el principio que sustenta el generador eléctrico .
La ley de Ampere establece, a grandes rasgos, que "una corriente eléctrica alrededor de una espira crea un campo magnético a través de la espira". Por lo tanto, esta ley se puede aplicar para generar un campo magnético y hacer funcionar un motor eléctrico .
Las ecuaciones de Maxwell pueden combinarse 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 onda electromagnética : [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 circuital de Ampere . Esto unificó la comprensión física de la electricidad, el magnetismo y la luz: la luz visible es solo una parte de la gama completa de ondas electromagnéticas, el espectro electromagnético .
Un campo electromagnético muy alejado de las corrientes y cargas (fuentes) se denomina radiación electromagnética (REM), ya que irradia desde las cargas y corrientes de la fuente. Dicha radiación puede producirse en un amplio rango de frecuencias llamado espectro electromagnético , que incluye 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 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 utiliza oxígeno.
Un campo electromagnético cambiante que se encuentra físicamente cerca de corrientes y cargas (consulte campo cercano y campo 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 cerca de fuentes se denomina campo electromagnético cercano .
Los campos dipolares eléctricos cambiantes se utilizan comercialmente como campos cercanos, principalmente como fuente de calentamiento dieléctrico . De lo contrario, aparecen de forma parásita alrededor de conductores que absorben la radiación electromagnética y alrededor de antenas que tienen el propósito de generar radiación electromagnética a mayores distancias.
Los campos magnéticos dipolares cambiantes (es decir, los campos magnéticos cercanos) se utilizan comercialmente para muchos tipos de dispositivos de inducción magnética . Entre ellos se incluyen motores y transformadores eléctricos a bajas frecuencias, y dispositivos como etiquetas RFID , detectores de metales y bobinas de escáneres de resonancia magnética a frecuencias más altas.
Los posibles efectos de los campos electromagnéticos sobre la salud humana varían ampliamente dependiendo de la frecuencia, la intensidad de los campos y la duración de la exposición. La exposición a la radiación electromagnética de baja frecuencia, baja intensidad y corta duración 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 significativos en algunas circunstancias.
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