Electromagnetismo
Definición
El electromagnetismo es una rama de la física que implica el estudio de la fuerza electromagnética, un tipo de interacción física que se produce entre las partículas cargadas eléctricamente. La fuerza electromagnética generalmente exhibe campos electromagnéticos tales como campos eléctricos, campos magnéticos y luz, y es una de las cuatro interacciones fundamentales (comúnmente llamadas fuerzas) en la naturaleza. Las otras tres interacciones fundamentales son la interacción fuerte, la interacción débil y la gravitación.
La palabra electromagnetismo es una forma compuesta de dos términos griegos, ἤλεκτρον ēlektron , "ámbar", y μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , que significa "piedra Μagnesia", un tipo de mineral de hierro. 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 encontrados en la vida cotidiana. La materia ordinaria toma su forma como resultado de fuerzas intermoleculares entre átomos individuales y moléculas en la materia, y es una manifestación de la fuerza electromagnética. Los electrones están ligados por la fuerza electromagnética a los núcleos atómicos, y la mecánica cuántica describe sus formas orbitales y su influencia en los átomos cercanos con sus electrones. La fuerza electromagnética gobierna todos los procesos químicos, que surgen de las interacciones entre los electrones de los átomos vecinos.
Hay numerosas descripciones matemáticas del campo electromagnético. En la electrodinámica clásica, los campos eléctricos se describen como potencial eléctrico y corriente eléctrica. En la ley de Faraday, los campos magnéticos están asociados con la inducción electromagnética y el magnetismo, y las ecuaciones de Maxwell describen cómo los campos eléctricos y magnéticos son generados y alterados por los demás y por las cargas y las corrientes.
Las implicaciones teóricas del electromagnetismo, particularmente el establecimiento de la velocidad de la luz en función de las propiedades del "medio" de propagación (permeabilidad y permitividad), condujeron al desarrollo de la relatividad especial por Albert Einstein en 1905.
Aunque el electromagnetismo se considera una de las cuatro fuerzas fundamentales, a alta energía, la fuerza débil y la fuerza electromagnética se unifican como una única fuerza electrodébil. En la historia del universo, durante la época quark la fuerza unificada se rompió en las dos fuerzas separadas a medida que el universo se enfriaba.
Historia de la teoría
Originalmente, la electricidad y el magnetismo se consideraban dos fuerzas separadas. Este punto de vista cambió, sin embargo, con la publicación del Tratado de Electricidad y Magnetismo de James Clerk Maxwell de 1873, en el que se demostró que las interacciones entre las cargas positivas y negativas estaban mediadas por una sola 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 que los separa: a diferencia de las cargas, se atraen, al igual que las que se repelen.
- Los polos magnéticos (o estados de polarización en puntos individuales) se atraen o repelen entre sí de manera similar a las cargas positivas y negativas y siempre existen como pares: cada polo norte está unificado 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 cable cuando se mueve hacia o desde un campo magnético, o un imán se mueve hacia o lejos de él; la dirección de la corriente depende de la del movimiento.
Mientras se preparaba para una conferencia vespertina el 21 de abril de 1820, Hans Christian Ørsted hizo una observación sorprendente. Mientras preparaba sus materiales, notó que una aguja de la brújula se desviaba del norte magnético cuando la corriente eléctrica de la batería que estaba utilizando se encendía y apagaba. Esta deflexión lo convenció de que los campos magnéticos irradian desde todos los lados de un cable que transporta una corriente eléctrica, al igual que la luz y el calor, y que confirmó una relación directa entre la electricidad y el magnetismo.
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 comenzó investigaciones más intensivas. Poco después publicó sus hallazgos, demostrando que una corriente eléctrica produce un campo magnético a medida que 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 la comunidad científica en electrodinámica. Influyeron en el desarrollo del físico francés André-Marie Ampère de una forma matemática única para representar las fuerzas magnéticas entre los conductores que llevan corriente. El descubrimiento de Ørsted también representó un gran paso hacia un concepto unificado de energía.
Esta unificación, que fue observada por Michael Faraday, extendida 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 fue propuesto por la teoría electromagnética de ese tiempo, la luz y otras ondas electromagnéticas se consideran en la actualidad como la forma de perturbaciones de campos electromagnéticos oscilantes cuantificadas y autopropagantes llamadas fotones. Diferentes frecuencias de oscilación dan lugar a las diferentes formas de radiación electromagnética, desde ondas de radio en las frecuencias más bajas, a luz visible en frecuencias intermedias, a 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 erudito legal italiano, desvió una aguja magnética usando una pila Voltaic. La configuración fáctica del experimento no está completamente clara, por lo que si la corriente voló a través de la aguja o no. Una cuenta del descubrimiento fue publicada en 1802 en un periódico italiano, pero fue pasada por alto en gran parte por la comunidad científica contemporánea, porque Romagnosi aparentemente no pertenecía a esta comunidad.
Una conexión anterior (1735), ya menudo olvidada, entre la electricidad y el magnetismo fue informada por el Dr. Cookson. La cuenta decía: "Un comerciante en Wakefield en Yorkshire, habiendo puesto una gran cantidad de cuchillos y tenedores en una caja grande ... y habiendo colocado la caja en la esquina de una habitación grande, sucedió una repentina tormenta de truenos, relámpago, & c .... El dueño vaciando la caja sobre un mostrador donde yacían algunos clavos, las personas que tomaron los cuchillos, que yacían sobre las uñas, observaron que los cuchillos tomaron las uñas. En esto se intentó el número entero , y se descubrió que hacía lo mismo, y que, hasta el punto de tomar grandes clavos, agujas de embalaje y otras cosas de hierro de considerable peso ... "ET Whittaker sugirió en 1910 que este evento en particular era responsable del rayo al ser " acreditado 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 mediante la descarga de los frascos de Leyden ".
Fuerzas fundamentales
La fuerza electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas. Las otras fuerzas fundamentales son:
- la fuerza nuclear débil, que se une a todas las partículas conocidas en el Modelo Estándar, y causa ciertas formas de descomposición 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 nuclear fuerte, que une quarks para formar nucleones y une nucleones para formar núcleos
- la fuerza gravitacional.
Todas las otras fuerzas (p. Ej., Fricción, fuerzas de contacto) se derivan de estas cuatro fuerzas fundamentales (incluido el impulso que se transporta por el movimiento de las partículas).
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 por su movimiento. Esto incluye las fuerzas que experimentamos al "empujar" o "tirar" 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 de la comprensión de 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 interactúan con ellos. A medida que una colección de electrones se vuelve más confinada, su impulso mínimo aumenta necesariamente debido al principio de exclusión de Pauli. El comportamiento de la materia a escala molecular, incluida su densidad, viene determinado por el equilibrio entre la fuerza electromagnética y la fuerza generada por el intercambio de momento que llevan los electrones.
Electrodinámica clásica
En 1600, William Gilbert propuso, en su De Magnete , que la electricidad y el magnetismo, aunque eran capaces de causar atracción y repulsión de los objetos, eran efectos distintos. Los marineros habían notado que los rayos tenían la capacidad de alterar una aguja de la brújula. El vínculo entre el rayo 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 y el magnetismo artificiales fue Romagnosi, quien en 1802 notó que conectaba un cable a una pila voltaica desvió una aguja de brújula cercana. Sin embargo, el efecto no se conoció ampliamente hasta 1820, cuando Ørsted realizó un experimento similar. El trabajo de Ørsted influyó en Ampère para producir una teoría del electromagnetismo que establece el tema sobre una base matemática.
Una teoría del electromagnetismo, conocida como electromagnetismo clásico, fue desarrollada por varios físicos durante el período entre 1820 y 1873 cuando culminó con la publicación de un tratado de James Clerk Maxwell, que unificó los desarrollos anteriores 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 está dada por la ley de fuerza de Lorentz.
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 de Galileo, una antigua piedra angular de la mecánica clásica. Una forma de conciliar las dos teorías (electromagnetismo y mecánica clásica) es asumir la existencia de un éter luminífero a través del cual la luz se propaga. Sin embargo, los esfuerzos experimentales posteriores no detectaron 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 reemplazó la cinemática clásica con una nueva teoría de la cinemática compatible con el electromagnetismo clásico. (Para obtener más información, vea Historia de la relatividad especial).
Además, la teoría de la relatividad implica que en marcos de referencia móviles, 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 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.)
Fenómenos caóticos y emergentes
Los modelos matemáticos utilizados en el electromagnetismo clásico, la electrodinámica cuántica (QED) y el modelo estándar, todos ven la fuerza electromagnética como un conjunto lineal de ecuaciones. En estas teorías, el electromagnetismo es una teoría de gauge U (1), cuyas propiedades topológicas no permiten ninguna interacción no lineal compleja de un campo con y sobre sí misma. Por ejemplo, en el vacío QED, el campo fluctúa aleatoriamente como consecuencia del principio de incertidumbre, pero estas fluctuaciones se cancelan entre sí sin ningún efecto general observable. Sin embargo, hay muchos fenómenos electromagnéticos físicos no lineales observados, tales como Aharonov-Bohm (AB) y Altshuler-Aronov-Spivak (AAS), Berry, Aharonov-Anandan, Pancharatnam y Chiao-Wu efectos de rotación de fase, efecto Josephson, efecto Hall cuántico , el efecto de Haas-van Alphen, el efecto Sagnac y muchos otros fenómenos físicamente observables que indicarían que el campo de potencial electromagnético tiene un significado físico real en lugar de ser un artefacto matemático y, por lo tanto, una teoría omnicomprensiva no limitaría el electromagnetismo como una fuerza local como se hace actualmente, sino como un SU (2) teoría del calibre o geometría superior. Las simetrías más altas permiten un comportamiento aperiódico no lineal que se manifiesta como una variedad de fenómenos complejos de no equilibrio que no surgen en la teoría linealizada de U (1), como estados estables múltiples, ruptura de simetría, caos y emergencia. En los grupos de simetría superior, el campo electromagnético no es una sustancia pasiva tranquila, aleatoriamente fluctuante, pero a veces puede verse como un plasma virtual turbulento que puede tener vórtices complejos, estados enredados y una estructura no lineal rica.
Lo que hoy se llama la ecuación de Maxwell es, de hecho, una versión simplificada de las ecuaciones originales reformuladas por Heaviside, FitzGerald, Lodge y Hertz. Las ecuaciones originales usaban la notación de cuaternión más expresiva de Hamilton, una especie de álgebra de Clifford, que subsume por completo las ecuaciones vectoriales estándar de Maxwell, ampliamente utilizadas en la actualidad. A fines de la década de 1880 hubo un debate sobre los méritos relativos del análisis vectorial y los cuaterniones. Según Heaviside, el campo del potencial electromagnético era puramente metafísico, una ficción matemática arbitraria, que debía ser "asesinada".. Se llegó a la conclusión de que no era necesario contar con mayores conocimientos físicos proporcionados por los cuaterniones si la teoría era de naturaleza puramente local. El análisis vectorial local se ha convertido en la forma dominante de usar las ecuaciones de Maxwell desde entonces. Sin embargo, este enfoque estrictamente vectorial ha conducido a una comprensión topológica restrictiva en algunas áreas del electromagnetismo, por ejemplo, una comprensión completa de la dinámica de transferencia de energía en el oscilador-circuito-circuito de Tesla solo se puede lograr en álgebra cuaterniónica o SU superior (2) simetrías A menudo se ha argumentado que los cuaterniones no son compatibles con la relatividad especial, pero múltiples documentos han mostrado formas de incorporar la relatividad.
Un buen ejemplo de electromagnetismo no lineal es en plasmas densos en energía, donde ocurren fenómenos vorticales que aparentemente violan la segunda ley de la termodinámica al aumentar el gradiente de energía dentro del campo electromagnético y violar las leyes de Maxwell al crear corrientes iónicas que capturan y concentran su propia y circundante campos magnéticos. En particular, la ley de fuerza de Lorentz, que elabora las ecuaciones de Maxwell, es violada por estos vórtices libres de fuerza. Estas aparentes violaciones se deben al hecho de que las leyes tradicionales de conservación en electrodinámica clásica y cuántica (QED) solo muestran una simetría lineal de U (1) (en particular, por el teorema de Noether ampliado, las leyes de conservación como las leyes de la termodinámica no siempre aplicar a sistemas disipativos, que se expresan en medidores de mayor simetría). La segunda ley de la termodinámica establece que en un sistema lineal cerrado, el flujo de entropía solo puede ser positivo (o exactamente cero al final de un ciclo). Sin embargo, la entropía negativa (es decir, el orden, la estructura o la autoorganización) puede aparecer espontáneamente en un sistema termodinámico no lineal abierto que está lejos del equilibrio, siempre que este orden emergente acelere el flujo general de entropía en el sistema total.
Dado el comportamiento complejo y adaptativo que surge de los sistemas no lineales, en los últimos años se ha prestado considerable atención al estudio de una nueva clase de transiciones de fase que se producen a temperatura cero absoluta. Estas son transiciones de fase cuántica que son impulsadas por fluctuaciones de campo electromagnético como consecuencia de la energía de punto cero. Un buen ejemplo de transición de fase espontánea que se atribuyen a fluctuaciones de punto cero se puede encontrar en los superconductores. La superconductividad es uno de los fenómenos electromagnéticos macroscópicos cuantificados empíricamente más conocidos cuya base se reconoce como de origen cuántico mecánico. El comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos bajo superconductividad se rige por las ecuaciones de Londres. Sin embargo, se ha cuestionado en una serie de artículos de revistas si las ecuaciones cuánticamente mecánicas canonizadas de Londres pueden tener una derivación puramente clásica. Bostick, por ejemplo, ha afirmado que las ecuaciones de Londres sí tienen un origen clásico que se aplica a los superconductores y también a algunos plasmas sin colisiones. En particular, se ha afirmado que los vórtices de Beltrami en el foco de plasma muestran la misma morfología de tubo de flujo emparejado que los superconductores Tipo II. Otros también han señalado esta conexión, Fröhlich ha demostrado que las ecuaciones hidrodinámicas de los fluidos compresibles, junto con las ecuaciones de Londres, conducen a un parámetro macroscópico ( ha pretendido mostrar que las ecuaciones de Londres sí tienen un origen clásico que se aplica a los superconductores y también a algunos plasmas sin colisiones. En particular, se ha afirmado que los vórtices de Beltrami en el foco de plasma muestran la misma morfología de tubo de flujo emparejado que los superconductores Tipo II. Otros también han señalado esta conexión, Fröhlich ha demostrado que las ecuaciones hidrodinámicas de los fluidos compresibles, junto con las ecuaciones de Londres, conducen a un parámetro macroscópico ( ha pretendido mostrar que las ecuaciones de Londres sí tienen un origen clásico que se aplica a los superconductores y también a algunos plasmas sin colisiones. En particular, se ha afirmado que los vórtices de Beltrami en el foco de plasma muestran la misma morfología de tubo de flujo emparejado que los superconductores Tipo II. Otros también han señalado esta conexión, Fröhlich ha demostrado que las ecuaciones hidrodinámicas de los fluidos compresibles, junto con las ecuaciones de Londres, conducen a un parámetro macroscópico ( = densidad de carga eléctrica / densidad de masa), sin involucrar factores de fase cuántica ni la constante de Planck. En esencia, se ha afirmado que las estructuras de vórtice de plasma de Beltrami son capaces de simular al menos la morfología de los superconductores tipo I y tipo II. Esto ocurre porque la energía disipativa "organizada" de la configuración del vórtice que comprende los iones y los electrones supera con creces la energía térmica aleatoria disipativa "desorganizada" . La transición de las fluctuaciones desorganizadas a las estructuras helicoidales organizadas es una transición de fase que implica un cambio en la energía del condensado (es decir, el estado fundamental o la energía de punto cero) pero sin ningún aumento de temperatura asociado.. Este es un ejemplo de energía de punto cero que tiene múltiples estados estables (ver transición de fase cuántica, punto crítico cuántico, degeneración topológica, orden topológico) y donde la estructura general del sistema es independiente de una visión reduccionista o determinista, ese orden macroscópico "clásico" también puede afectar causalmente los fenómenos cuánticos.
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)
- culombio (carga eléctrica)
- farad (capacitancia)
- henry (inductancia)
- ohmio (resistencia)
- siemens (conductancia)
- tesla (densidad de flujo magnético)
- voltios (potencial eléctrico)
- watt (potencia)
- Weber (flujo magnético)
En el sistema de cg electromagnético, la corriente eléctrica es una cantidad fundamental definida a través de 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 SI | ||||
|---|---|---|---|---|
| Símbolo | Nombre de la cantidad | Nombre de la unidad | Símbolo | Unidades base |
| Q | carga eléctrica | culombio | do | A⋅s |
| yo | corriente eléctrica | amperio | UN | A (= W / V = C / s) |
| J | densidad de corriente eléctrica | amperio por metro cuadrado | A.m | A⋅m |
| U , Δ V , Δ φ; mi | diferencia de potencial; 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 |
| do | capacidad | faradio | F | C / V = kg⋅m⋅A⋅s |
| Φ E | Flujo eléctrico | voltímetro | V⋅m | kg⋅m⋅s⋅A |
| mi | fuerza de campo eléctrico | voltios por metro | V / m | N / C = kg⋅m⋅A⋅s |
| re | campo de desplazamiento eléctrico | culombio por metro cuadrado | Cm | A⋅s⋅m |
| ε | permitividad | Farad por metro | F / m | kg⋅m⋅A⋅s |
| χ e | susceptibilidad eléctrica | (sin dimensiones) | 1 | 1 |
| G ; Y; segundo | conductancia; entrada; Susceptancia | siemens | S | Ω = kg⋅m⋅s⋅A |
| κ , γ , σ | conductividad | siemens por metro | S / m | kg⋅m⋅s⋅A |
| segundo | densidad de flujo magnético, inducción magnética | Tesla | T | Wb / m = kg⋅s⋅A = N⋅A⋅m |
| Φ , Φ M , Φ B | flujo magnético | Weber | Wb | V⋅s = kg⋅m⋅s⋅A |
| H | intensidad del campo magnético | amperio por metro | A.m | A⋅m |
| L , M | inductancia | Enrique | H | Wb / A = V⋅s / A = kg⋅m⋅s⋅A |
| μ | permeabilidad | henry por metro | H / m | kg⋅m⋅s⋅A |
| χ | Susceptibilidad magnética | (sin dimensiones) | 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 correspondencia uno-a-uno entre las unidades electromagnéticas en SI y las de 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 hoy en día, y de hecho la frase "unidades CGS" se usa a menudo para referirse específicamente a unidades CGS-Gaussianas.