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| Electromagnetismo |
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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 gravitación . [1] 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 llamada fuerza de Lorentz , que incluye tanto la electricidad como el magnetismo como diferentes manifestaciones 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 las 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, y la teoría electromagnética es la base de la ingeniería de energía eléctrica y la electrónica, incluida la tecnología digital.
Existen numerosas descripciones matemáticas del campo electromagnético . De manera más prominente, 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, en particular el establecimiento de la velocidad de la luz en función de las propiedades del "medio" de propagación ( permeabilidad y permitividad ), llevaron al desarrollo de la relatividad especial por 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 del Tratado sobre electricidad y magnetismo de James Clerk Maxwell de 1873, 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 por experimentos:
- Las cargas eléctricas se atraen o repelen entre sí con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas: las cargas diferentes se atraen, las iguales se repelen.
- Los polos magnéticos (o estados de polarización en puntos individuales) se atraen o repelen entre sí de una manera similar a las cargas positivas y negativas y siempre existen como pares: cada polo norte está unido a un polo sur.
- Una corriente eléctrica dentro de un cable crea un campo magnético circunferencial correspondiente fuera del cable. Su dirección (en sentido horario o antihorario) depende de la dirección de la corriente en el cable.
- Se induce una corriente en un bucle 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 intensivas. 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 investigación intensiva en toda la comunidad científica en electrodinámica . Influyeron en los desarrollos del físico francés André-Marie Ampère de una única forma matemática para representar las fuerzas magnéticas entre conductores portadores de 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 . [2] Ha tenido consecuencias de gran alcance, una de las cuales fue la comprensión de la naturaleza de la luz . A diferencia de lo que propuso la teoría electromagnética de esa época, en la actualidad se considera que la luz y otras ondas electromagnéticas toman la forma de perturbaciones cuantificadas del campo electromagnético oscilatorio autopropagado, 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, a la luz visible en las frecuencias intermedias, a 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 usando una pila voltaica. La configuración fáctica del experimento no está completamente clara, por lo que si la corriente fluyó a través de la aguja o no. Un relato del descubrimiento se publicó en 1802 en un periódico italiano, pero la comunidad científica contemporánea lo pasó por alto en gran medida, porque Romagnosi aparentemente no pertenecía a esta comunidad. [3]
Un Dr. Cookson informó sobre una conexión anterior (1735), y a menudo descuidada, entre la electricidad y el magnetismo. [4] La cuenta 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 en un mostrador donde había clavos, las personas que tomaron los cuchillos, que estaban sobre los clavos, observaron que los cuchillos tomaban los clavos. En esto se probó todo el número, y se encontró que hacía lo mismo, y eso, hasta el punto de tomar clavos grandes, agujas de empaque y otras cosas de hierro de peso considerable ...
ET Whittaker sugirió en 1910 que este evento en particular fue responsable de que los rayos fueran "acreditados con 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". . " [5]
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 física de partículas , la interacción electrodébil es la descripción unificada de dos de las cuatro interacciones fundamentales conocidas de la naturaleza: electromagnetismo y la interacción débil);
- la fuerza gravitacional .
Todas las demás fuerzas (por ejemplo, fricción , fuerzas de contacto) se derivan de estas cuatro fuerzas fundamentales y se conocen como fuerzas no fundamentales . [6]
La fuerza electromagnética es responsable de prácticamente todos los fenómenos que uno encuentra en la vida diaria por encima de la escala nuclear, con la 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 llevan 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.en nuestros cuerpos y los 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 el impulso del movimiento de los electrones, de modo que a medida que los electrones se mueven entre los átomos que interactúan, llevan el impulso con ellos. A medida que una colección de electrones se vuelve más confinada, su momento mínimo aumenta necesariamente 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. [7]
Electrodinámica clásica
En 1600, William Gilbert propuso, en su De Magnete , que la electricidad y el magnetismo, si bien eran 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 una pila voltaica desvió una brújula cercanaaguja. Sin embargo, el efecto no se hizo ampliamente conocido hasta 1820, cuando Ørsted realizó un experimento similar. [8] El trabajo de Ørsted influyó en Ampère para producir una teoría del electromagnetismo que colocó al sujeto sobre una base matemática.
Una teoría del electromagnetismo, conocida como electromagnetismo clásico , fue desarrollada por varios físicos 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. [9] 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 está dada por la ley de fuerza de Lorentz . [10]
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 galileana , 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 luminíferoa 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 a 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, mostrando así firmemente que los fenómenos son dos lados del 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 corrientes) resulta en un cambio proporcional de los campos. La dinámica no lineal puede ocurrir cuando los campos electromagnéticos se acoplan a la materia que sigue 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 basadas principalmente en las propiedades magnéticas de las corrientes eléctricas, siendo la unidad SI fundamental el amperio. Las unidades son:
- amperio (corriente eléctrica)
- coulomb (carga eléctrica)
- faradio (capacitancia)
- henry (inductancia)
- ohmio (resistencia)
- siemens (conductancia)
- tesla (densidad de flujo magnético)
- voltio (potencial eléctrico)
- vatio (potencia)
- weber (flujo magnético)
En el sistema cgs electromagnético , 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 . Como consecuencia, el cuadrado de la velocidad de la luz aparece explícitamente en algunas de las ecuaciones que interrelacionan cantidades en este sistema.
SI electromagnetismo unidades | ||||
|---|---|---|---|---|
| Símbolo [11] | Nombre de la cantidad | Nombre de la unidad | Símbolo | Unidades base |
| mi | energía | joule | J | kg⋅m 2 ⋅s −2 = C⋅V |
| Q | carga eléctrica | culombio | C | A⋅s |
| I | corriente eléctrica | amperio | A | A (= W / V = C / s) |
| J | densidad de corriente eléctrica | amperio por metro cuadrado | A / m 2 | A⋅m −2 |
| Δ V ; Δ φ ; ε | diferencia de potencial ; tensión ; fuerza electromotriz | voltio | V | J / C = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1 |
| R ; Z ; X | resistencia eléctrica ; impedancia ; resistencia reactiva | ohm | Ω | V / A = kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −2 |
| ρ | resistividad | medidor de ohmios | Ω⋅m | kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −2 |
| PAG | energia electrica | vatio | W | V⋅A = kg⋅m 2 ⋅s −3 |
| C | capacidad | faradio | F | C / V = kg −1 ⋅m −2 ⋅A 2 ⋅s 4 |
| Φ E | Flujo eléctrico | medidor de voltios | V⋅m | kg⋅m 3 ⋅s −3 ⋅A −1 |
| mi | fuerza del campo eléctrico | voltios por metro | V / m | N / C = kg⋅m⋅A −1 ⋅s −3 |
| D | campo de desplazamiento eléctrico | culombio por metro cuadrado | C / m 2 | A⋅s⋅m −2 |
| ε | permitividad | faradios por metro | F / m | kg −1 ⋅m −3 ⋅A 2 ⋅s 4 |
| χ e | susceptibilidad eléctrica | ( adimensional ) | 1 | 1 |
| G ; Y ; B | conductancia ; admisión ; susceptancia | siemens | S | Ω −1 = kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 ⋅A 2 |
| κ , γ , σ | conductividad | siemens por metro | S / m | kg −1 ⋅m −3 ⋅s 3 ⋅A 2 |
| B | densidad de flujo magnético, inducción magnética | tesla | T | Wb / m 2 = kg⋅s −2 ⋅A −1 = N⋅A −1 ⋅m −1 |
| Φ , Φ M , Φ B | flujo magnético | Weber | Wb | V⋅s = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −1 |
| H | fuerza del campo magnético | amperio por metro | Soy | A⋅m −1 |
| L , M | inductancia | Enrique | H | Wb / A = V⋅s / A = kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅A −2 |
| μ | permeabilidad | Henry por metro | H / m | kg⋅m⋅s −2 ⋅A −2 |
| χ | Susceptibilidad magnética | ( adimensional ) | 1 | 1 |
Las fórmulas para 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, que conducen 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 unidades CGS-Gaussianas .
Ver también
- Fuerza Abraham-Lorentz
- Estudios aeromagnéticos
- Electromagnetismo computacional
- Experimento de doble rendija
- Electroimán
- Inducción electromagnética
- Ecuación de ondas electromagnéticas
- Dispersión electromagnética
- Electromecánica
- Geofísica
- Introducción al electromagnetismo
- Magnetostática
- Campo magnetocuasistático
- Óptica
- Electromagnetismo relativista
- Teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman
Referencias
- ^ Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fundamentos de electromagnetismo aplicado (6ª ed.). Boston: Prentice Hall. pag. 13 . ISBN 978-0-13-213931-1.
- ^ Darrigol, Olivier (2000). Electrodinámica de Ampère a Einstein . Nueva York: Oxford University Press. ISBN 0198505949.
- ^ Martins, Roberto de Andrade. "Pila de Romagnosi y Volta: dificultades tempranas en la interpretación de la electricidad voltaica" (PDF) . En Fabio Bevilacqua; Lucio Fregonese (eds.). Nuova Voltiana: Estudios sobre Volta y su época . 3 . Università degli Studi di Pavia. págs. 81-102. Archivado desde el original (PDF) el 30 de mayo de 2013 . Consultado el 2 de diciembre de 2010 .
- ^ VIII. Un relato de un efecto extraordinario del rayo en la comunicación del magnetismo. Comunicado por Pierce Dod, MDFRS del Dr. Cookson de Wakefield en Yorkshire. Phil. Trans. 1735 39, 74-75, publicado el 1 de enero de 1735
- ^ Whittaker, ET (1910). Una historia de las teorías del éter y la electricidad desde la época de Descartes hasta finales del siglo XIX . Longmans, Green and Company.
- ^ Browne, "Física para la ingeniería y la ciencia", p. 160: "La gravedad es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Las otras fuerzas como la fricción, la tensión y la fuerza normal se derivan de la fuerza eléctrica, otra de las fuerzas fundamentales. La gravedad es una fuerza bastante débil ... la fuerza entre dos protones es mucho más fuerte que la fuerza gravitacional entre ellos ".
- ^ Purcell, "Electricidad y magnetismo, tercera edición", p. 546: Capítulo 11 Sección 6, "Giro electrónico y momento magnético".
- ^ Stern, Dr. David P .; Peredo, Mauricio (25 de noviembre de 2001). "Campos magnéticos - Historia" . Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA . Consultado el 27 de noviembre de 2009 .
- ^ Purcell, pág. 436. Capítulo 9.3, "La descripción de Maxwell del campo electromagnético estaba esencialmente completa".
- ^ Purcell: pág. 278: Capítulo 6.1, "Definición del campo magnético". Fuerza de Lorentz y ecuación de fuerza.
- ^ Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (1993). Cantidades, unidades y símbolos en química física , 2ª edición, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . págs. 14-15. Versión electrónica.
Otras lecturas
Fuentes web
- Nave, R. "Electricidad y magnetismo" . Hiperfísica . Universidad Estatal de Georgia . Consultado el 12 de noviembre de 2013 .
- Khutoryansky, E. "Electromagnetismo - Leyes de Maxwell" . Consultado el 28 de diciembre de 2014 .
Libros de texto
- GAG Bennet (1974). Electricidad y Física Moderna (2ª ed.). Edward Arnold (Reino Unido). ISBN 978-0-7131-2459-0.
- Browne, Michael (2008). Física para la Ingeniería y la Ciencia (2ª ed.). McGraw-Hill / Schaum. ISBN 978-0-07-161399-6.
- Dibner, Berna (2012). Oersted y el descubrimiento del electromagnetismo . Licencias literarias, LLC. ISBN 978-1-258-33555-7.
- Durney, Carl H .; Johnson, Curtis C. (1969). Introducción a la electromagnética moderna . McGraw-Hil]. ISBN 978-0-07-018388-9.
- Feynman, Richard P. (1970). Las Conferencias Feynman sobre Física Vol II . Addison Wesley Longman. ISBN 978-0-201-02115-8.
- Fleisch, Daniel (2008). Una guía del estudiante sobre las ecuaciones de Maxwell . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-70147-1.
- IS Grant; WR Phillips; Manchester Physics (2008). Electromagnetismo (2ª ed.). John Wiley e hijos. ISBN 978-0-471-92712-9.
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Referencias generales
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- JB Marion; WF Hornyak (1984). Principios de la física . Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 978-4-8337-0195-2.
- HJ Pain (1983). La física de las vibraciones y las ondas (3ª ed.). John Wiley e hijos. ISBN 978-0-471-90182-2.
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- PM Whelan; MJ Hodgeson (1978). Principios Esenciales de Física (2ª ed.). John Murray. ISBN 978-0-7195-3382-2.
enlaces externos
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- Convertidor de fuerza de campo magnético
- Fuerza electromagnética : del mundo de la física de Eric Weisstein
- La desviación de una aguja de brújula magnética por una corriente en un cable (video) en YouTube
