Electromagnetismo: Definición, historia y ejemplos

¿Qué es el electromagnetismo? Una descripción general

El electromagnetismo es una fuerza fundamental de la naturaleza que gobierna la relación entre los campos eléctricos y magnéticos y el comportamiento de las partículas cargadas en su presencia. La definición de electromagnetismo es que un campo eléctrico cambiante induce un campo magnético, mientras que un campo magnético cambiante induce un campo eléctrico. Es un concepto de física que trata del comportamiento de cargas eléctricas estáticas y en movimiento y sus interacciones. Una carga eléctrica posee un campo eléctrico, mientras que una carga eléctrica en movimiento genera un campo magnético. En presencia de un campo eléctrico o magnético, se ejerce una fuerza sobre una carga o corriente eléctrica.

Electricidad y magnetismo

La electricidad es un fenómeno de la física que involucra la naturaleza de las cargas eléctricas. La carga eléctrica se presenta en dos variedades: positiva y negativa. Las cargas del mismo signo ejercen una fuerza de repulsión entre sí, mientras que las cargas del signo opuesto ejercen una fuerza de atracción entre sí. Las cargas eléctricas estacionarias poseen un campo eléctrico estático que las rodea. Lo que se conoce como ley de Coulomb cuantifica la fuerza entre cargas que tienen una distancia conocida entre ellas.

El magnetismo es un fenómeno de la física que involucra la naturaleza de las cargas en movimiento o de ciertos materiales como el hierro. A diferencia de las cargas eléctricas, los materiales poseen dos polos magnéticos, el polo norte o el polo sur, y nunca están aislados entre sí. Sin embargo, al igual que las cargas eléctricas, los polos iguales ejercen una fuerza repulsiva entre sí, mientras que los polos opuestos ejercen una fuerza de atracción entre sí. Las cargas eléctricas en movimiento generan un campo magnético que las rodea. La conocida como ley de Ampère cuantifica el campo magnético generado por una corriente.

El electromagnetismo es un fenómeno de la física que implica la relación entre los campos eléctricos y magnéticos. Las cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos y los imanes en movimiento generan campos eléctricos. El fenómeno conocido como onda electromagnética que se propaga por el espacio encarna la relación dinámica entre la electricidad y el magnetismo. Una propagación autosostenida de energía a través del espacio que se llama luz es la manifestación del fenómeno en el que un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético, y un campo magnético cambiante produce un campo eléctrico. La figura 1 muestra la relación entre los campos eléctrico y magnético en una onda electromagnética.

Fuerzas fundamentales

La comprensión actual de la física se da cuenta de que existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza gravitacional. Las interacciones debidas a la fuerza electromagnética dominan en gran medida los fenómenos observados en la vida cotidiana y actualmente son los únicos tipos de interacciones que se comprenden completamente.

• La fuerza nuclear fuerte es una fuerza de alcance extremadamente corto que actúa sólo en distancias del tamaño de los núcleos atómicos y es lo que une a los protones y neutrones en ellos. Tiene una fuerza relativa que es la mayor entre las cuatro fuerzas.
• La fuerza electromagnética es más débil que la fuerza fuerte pero actúa en un rango mayor. La fuerza relativa de la fuerza nuclear fuerte con respecto a la fuerza electromagnética es aproximadamente 100 veces mayor. La fuerza electromagnética determina los tipos de interacciones que ocurren entre partículas cargadas. El electromagnetismo contribuye en gran medida a una serie de fenómenos macroscópicos y a la estructura de los materiales.
• La fuerza nuclear débil es también una fuerza de corto alcance. Ciertos tipos de transformaciones de partículas y desintegración radiactiva ocurren debido a la naturaleza de la fuerza débil. La fuerza débil es más débil que la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética, pero aún así significativamente más fuerte que la fuerza gravitacional.
• La fuerza gravitacional es una fuerza a gran escala que es órdenes de magnitud más débil que las otras tres fuerzas de la naturaleza. Es responsable del movimiento de objetos muy grandes como planetas, estrellas y galaxias. Los efectos de la gravedad entre objetos pueden despreciarse a pequeñas escalas. Para poner esto en perspectiva, la fuerza de repulsión entre dos electrones es 10⁴² veces mayor que la fuerza de atracción entre ellos debido a la gravedad.

Historia del electromagnetismo

Al principio de la historia, se creía que la electricidad y el magnetismo eran dos fuerzas distintas. Sin embargo, el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que una corriente eléctrica podía desviar la aguja de una brújula magnética en 1820. Más tarde, el físico francés André-Marie Ampère postuló que las cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos. El científico inglés Michael Faraday observó más tarde que la relación inversa también era cierta, que un imán en movimiento genera una corriente eléctrica. Finalmente, los físicos James Clerk Maxwell y Hendrik Antoon Lorentz formularon un marco teórico que comprendía que la electricidad y el magnetismo eran dos aspectos de una sola fuerza que ahora se conoce como fuerza electromagnética. El término electromagnetismo probablemente fue utilizado por primera vez por Ampère y llegó a ser ampliamente aceptado a partir del desarrollo de la comprensión de la dinámica entre la electricidad y el magnetismo.

En 1873, Maxwell publicó Tratado sobre electricidad y magnetismo, que proporcionó un marco integral para el tratamiento del electromagnetismo. Contiene las ecuaciones de Maxwell que son fundamentales para comprender los fenómenos electromagnéticos. Las ecuaciones describen las fuentes de campos eléctricos y magnéticos, así como las interacciones electromagnéticas en un formalismo unificado. Dentro del formalismo de Maxwell está la predicción de ondas electromagnéticas u ondas autosostenidas de propagación de energía a través del espacio y el tiempo. La figura 2 muestra un retrato de Maxwell.

La Teoría de la Relatividad de Albert Einstein demuestra que el formalismo de Maxwell para el electromagnetismo es compatible con los principios de la relatividad, incluida su descripción de la propagación de la luz. La Teoría de la Relatividad Especial de Einstein demostró que la velocidad de la luz es constante y las leyes de la física son idénticas en cualquier sistema de referencia inercial. Las teorías de Einstein han tenido un gran impacto en la comprensión de la física y la geometría del universo en el que tienen lugar los fenómenos físicos, incluidas las interacciones electromagnéticas.

Ejemplos de electromagnetismo

En el universo existe una gran cantidad de fenómenos electromagnéticos. La siguiente lista describe sólo algunos:

• Las ondas electromagnéticas son ondas de energía que se propagan y se sostienen a través de la dinámica de ondas eléctricas y magnéticas cambiantes. Las ondas electromagnéticas vienen en una variedad de frecuencias, como ondas de radio, microondas, ondas visibles, ondas infrarrojas y ondas ultravioleta. Las ondas electromagnéticas de una frecuencia específica son características de la energía contenida en ellas.
• Otro ejemplo en el que el electromagnetismo está presente son los circuitos eléctricos. Los campos eléctricos se manipulan con componentes como resistencias, condensadores y cables. Los campos magnéticos se manipulan con componentes como inductores, transformadores e imanes permanentes. Los transformadores, por ejemplo, utilizan campos magnéticos y corriente para cambiar una diferencia de voltaje en una distribución de energía.
• La óptica es otro ejemplo en el que están presentes las interacciones electromagnéticas. Por ejemplo, la óptica como espejos y lentes puede manipular ondas electromagnéticas mediante reflexión o refracción. Además, la polarización de la luz mediante dispositivos ópticos manipula la orientación de las oscilaciones del componente del campo eléctrico de una onda electromagnética.

Resumen de la lección

El electromagnetismo es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que controla la relación entre los campos eléctricos y magnéticos y las interacciones de partículas cargadas que tienen lugar en su presencia. La electricidad es el componente del electromagnetismo que describe el campo debido a cargas puntuales, mientras que el magnetismo es el componente del electromagnetismo que describe el campo debido a cargas en movimiento. Algunos ejemplos que explotan las propiedades del electromagnetismo incluyen componentes de circuitos eléctricos, como resistencias o inductores, y dispositivos ópticos como espejos o lentes. Los campos eléctricos y magnéticos se manipulan en la materia o la radiación para producir ciertos tipos de fenómenos deseados.

Hay cuatro fuerzas de la naturaleza. La fuerza nuclear fuerte es la más fuerte de las cuatro fuerzas y opera sólo a distancias del tamaño de los núcleos atómicos. La fuerza nuclear débil es más débil que la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética y gobierna el comportamiento de ciertos tipos de desintegración radiactiva. La fuerza gravitacional es significativamente más débil que las otras tres fuerzas y es responsable de las interacciones que se producen debido a la presencia de objetos masivos. El electromagnetismo es la fuerza más comprendida en la física en la actualidad y es un formalismo invaluable en la física moderna responsable de muchas tecnologías que existen en la actualidad.