Electromagnetismo

Ferrofluidoque se agrupa cerca de los polos de unmagnetopoderoso.Elelectromagnetismoes una rama de lafsicaque estudia y unifica los fenmenoselctricosymagnticosen una sola teora, cuyos fundamentos fueron sentados porMichael Faradayy formulados por primera vez de modo completo porJames Clerk Maxwell. La formulacin consiste en cuatroecuaciones diferencialesvectorialesque relacionan elcampo elctrico, elcampo magnticoy sus respectivas fuentes materiales (corriente elctrica,polarizacin elctricaypolarizacin magntica), conocidas comoecuaciones de Maxwell.El electromagnetismo es unateora de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan enmagnitudes fsicasvectorialesotensorialesdependientes de laposicin en el espacioy deltiempo. El electromagnetismo describe losfenmenos fsicosmacroscpicos en los cuales intervienencargas elctricasen reposo y en movimiento, usando para ellocampos elctricosymagnticosy sus efectos sobre las sustancias slidas, lquidas y gaseosas. Por ser una teora macroscpica, es decir, aplicable slo a un nmero muy grande de partculas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de stas, el electromagnetismo no describe los fenmenos atmicos y moleculares, para los que es necesario usar lamecnica cuntica.El electromagnetismo es considerado como una de las cuatrofuerzas fundamentalesdel universo actualmente conocido.ndice[ocultar] 1Historia 2Electrosttica 3Magnetosttica 4Electrodinmica clsica 4.1Formulacin covariante 5Electrodinmica cuntica 6Vase tambin 7Referencias 7.1Bibliografa 8Enlaces externosHistoria[editar]Artculo principal:Historia del electromagnetismoDesde laantigua Greciase conocan los fenmenos magnticos y elctricos pero no es hasta inicios del siglo XVII donde se comienza a realizar experimentos y a llegar a conclusiones cientficas de estos fenmenos.1Durante estos dos siglos,XVIIyXVIII, grandes hombres de ciencia comoWilliam Gilbert,Otto von Guericke,Stephen Gray,Benjamin Franklin,Alessandro Voltaentre otros estuvieron investigando estos dos fenmenos de manera separada y llegando a conclusiones coherentes con sus experimentos.

Michael Faraday.A principios delsiglo XIXHans Christian rstedencontr evidencia emprica de que los fenmenos magnticos y elctricos estaban relacionados. De ah es que los trabajos de fsicos comoAndr-Marie Ampre,William Sturgeon,Joseph Henry,Georg Simon Ohm,Michael Faradayen ese siglo, son unificados porJames Clerk Maxwellen1861con un conjunto de ecuaciones que describan ambos fenmenos como uno solo, como un fenmeno electromagntico.1

James Clerk Maxwell.Las ahora llamadasecuaciones de Maxwelldemostraban que los campos elctricos y los campos magnticos eran manifestaciones de un solo campo electromagntico. Adems describa la naturaleza ondulatoria de la luz, mostrndola como unaonda electromagntica.2Con una sola teora consistente que describa estos dos fenmenos antes separados, los fsicos pudieron realizar varios experimentos prodigiosos e inventos muy tiles como la bombilla elctrica porThomas Alva Edisono el generador de corriente alterna porNikola Tesla.3El xito predicitivo de la teora de Maxwell y la bsqueda de una interpretacin coherente de sus implicaciones, fue lo que llev aAlbert Einsteina formular suteora de la relatividadque se apoyaba en algunos resultados previos deHendrik Antoon LorentzyHenri Poincar.En la primera mitad del siglo XX, con el advenimiento de la mecnica cuntica, el electromagnetismo tena que mejorar su formulacin con el objetivo de que fuera coherente con la nueva teora. Esto se logr en la dcada de 1940 cuando se complet una teora cuntica electromagntica o mejor conocida comoelectrodinmica cuntica.Electrosttica[editar]Artculo principal:Electrosttica

Unelectroscopiousado para medir la carga elctrica de un objeto.Cuando hablamos deelectrostticanos referimos a los fenmenos que ocurren debido a una propiedad intrnseca y discreta de lamateria, lacarga, cuando es estacionaria o no depende del tiempo. La unidad de carga elemental, es decir, la ms pequea observable, es la carga que tiene elelectrn.4Se dice que un cuerpo est cargado elctricamente cuando tiene exceso o falta de electrones en lostomosque lo componen. Por definicin el defecto de electrones se la denomina carga positiva y al exceso carga negativa.5La relacin entre los dos tipos de carga es de atraccin cuando son diferentes y de repulsin cuando son iguales.La carga elemental es una unidad muy pequea para clculos prcticos, es por eso que en elsistema internacionala la unidad de carga elctrica, elculombio, se le define como la cantidad de carga de 6,25 x 1018electrones.4El movimiento de electrones por un conductor se denominacorriente elctricay la cantidad de carga elctrica que pasa por unidad de tiempo se la define comointensidad de corriente. Se pueden introducir ms conceptos como el de diferencia de potencial o el de resistencia, que nos conducira ineludiblemente al rea de circuitos elctricos, y todo eso se puede ver con ms detalle en el artculo principal.El nombre de la unidad de carga se debe aCoulombquien en1785lleg a una relacin matemtica de la fuerza elctrica entre cargas puntuales, que ahora se la conoce comoley de Coulomb:

Entre dos cargas puntualesyexiste una fuerza de atraccin o repulsinque vara de acuerdo al cuadrado de la distanciaentre ellas y de direccin radial; yes una constante conocida comopermitividadelctrica.Las cargas elementales al no encontrarse solas se las debe tratar como unadistribucinde ellas. Es por eso que debe implementarse el concepto decampo, definido como una regin del espacio donde existe una magnitudescalarovectorialdependiente o independiente deltiempo. As elcampo elctricoest definido como la regin del espacio donde actan las fuerzas elctricas. Suintensidadse define como el lmite al que tiende la fuerza de una distribucin de carga sobre una carga positiva que tiende a cero, as:

Campo elctricode cargas puntuales.

Y as finalmente llegamos a la expresin matemtica que define el campo elctrico:

Es importante conocer el alcance de este concepto de campo elctrico, ste nos brinda la oportunidad de conocer cul es su intensidad y qu ocurre con una carga en cualquier parte de dicho campo sin importar el desconocimiento de qu lo provoca.6Una forma de obtener qu cantidad de fuerza elctrica pasa por cierto punto o superficie del campo elctrico es que se ide el concepto de flujo elctrico. Este flujo elctricose define como la suma de la cantidad decampoque atraviesa un rea determinada, as:

El matemtico y fsico,Carl Friedrich Gauss, demostr que la cantidad de flujo elctrico en un campo es igual al cociente de la carga encerrada por la superficie en la que se calcula el flujo,, y la permitividad elctrica,. Esta relacin se conoce comoley de Gauss:(1)Vanse tambin:Carga elctrica,Ley de Coulomb,Campo elctrico,Potencial elctricoyLey de Gauss.Magnetosttica[editar]Artculo principal:Magnetosttica

Lneas de fuerza de una barra magntica.No fue sino hasta el ao de1820, cuandoHans Christian rsteddescubri que el fenmeno magntico estaba ligado al elctrico, que se obtuvo una teora cientfica para el magnetismo.7La presencia de unacorriente elctrica, o sea, de un flujo de carga debido a unadiferencia de potencial, genera unafuerza magnticaque no vara en el tiempo. Si tenemos una cargaqa unavelocidad, en uncampo magnticoaparecer una fuerza magntica inducida por el movimiento en esta carga, as:

Para determinar el valor de ese campo magntico,Jean Baptiste Bioten1820,8dedujo una relacin para corrientes estacionarias, ahora conocida comoley de Biot-Savart:

Dondees un coeficiente de proporcionalidad conocido comopermeabilidad magntica,es laintensidad de corriente, eles el diferencial de longitud por el que circula la corriente yes la distancia de este elemento de longitud el punto donde se evala la induccin magntica. De manera ms estricta,es lainduccin magntica, dicho en otras palabras, es elflujo magnticopor unidad de rea. Experimentalmente se lleg a la conclusin que las lneas de fuerza de campos magnticos eran cerradas, eliminando la posibilidad de un monopolo magntico. La relacin matemtica se la conoce comoley de Gauss para el campo magntico:(2)Adems en la magnetosttica existe una ley comparable a la de Gauss en la electrosttica, laley de Ampre. sta ley nos dice que la circulacin en un campo magntico es igual a la densidad de corriente que exista en unasuperficie cerrada:

Cabe indicar que esta ley de Gauss es una generalizacin de la ley de Biot-Savart. Adems que las frmulas expresadas aqu son para cargas en elvaco, para ms informacin consltese los artculos principales.Vanse tambin:Ley de Ampre,Corriente elctrica,Campo magntico,Ley de Biot-SavartyMomento magntico dipolar.Electrodinmica clsica[editar]Artculo principal:ElectrodinmicaEn las secciones anteriores se han descritocampos elctricosymagnticosque no variaban con eltiempo. Pero los fsicos a finales delsiglo XIXdescubrieron que ambos campos estaban ligados y as un campo elctrico en movimiento, unacorriente elctricaque vare, genera un campo magntico y un campo magntico de por si implica la presencia de un campo elctrico. Entonces, lo primero que debemos definir es la fuerza que tendra una partcula cargada que se mueva en un campo magntico y as llegamos a la unin de las dos fuerzas anteriores, lo que hoy conocemos como lafuerza de Lorentz:(3)Entre 1890 y 1900 Linard y Wiechert calcularon el campo electromagntico asociado a cargas en movimiento arbitrario, resultado que se conoce hoy comopotenciales de Linard-Wiechert.Por otro lado, para generar una corriente elctrica en un circuito cerrado debe existir unadiferencia de potencialentre dos puntos delcircuito, a sta diferencia de potencial se la conoce comofuerza electromotrizo fem. sta fuerza electromotriz es proporcional a la rapidez con que elflujo magnticovara en el tiempo, esta ley fue encontrada porMichael Faradayy es la interpretacin de la induccin electromagntica, as un campo magntico que vara en el tiempo induce a un campo elctrico, a una fuerza electromotriz. Matemticamente se representada como:(4)En un trabajo del fsicoJames Clerk Maxwellde1861reuni las tres ecuaciones anteriormente citadas (1), (2) y (4) e introdujo el concepto de una corriente de desplazamiento como una densidad de corriente efectiva y lleg a la ltima de las ecuaciones, laley de Ampre generalizada(5), ahora conocidas comoecuaciones de Maxwell:(5)Las cuatro ecuaciones, tanto en su forma diferencial como en la integral aqu descritas, fueron las revisiones hechas porOliver Heaviside. Pero el verdadero poder de stas ecuaciones, ms la fuerza de Lorentz (3), se centra en que juntas son capaces de describir cualquier fenmeno electromagntico, adems de las consecuencias fsicas que posteriormente se describirn.9

Esquema de unaonda electromagntica.La genialidad del trabajo de Maxwell es que sus ecuaciones describen un campo elctrico que va ligado inequvocamente a un campo magntico perpendicular a ste y a la direccin de su propagacin, ste campo es ahora llamadocampo electromagntico.10Adems la solucin de stas ecuaciones permita la existencia de una onda que se propagaba a lavelocidad de la luz, con lo que adems de unificar los fenmenos elctricos y magnticos la teora formulada por Maxwell predeca con absoluta certeza los fenmenospticos.As la teora predeca a una onda que, contraria a las ideas de la poca, no necesitaba un medio de propagacin; laonda electromagnticase poda propagar en elvacodebido a la generacin mutua de los campos magnticos y elctricos. Esta onda a pesar de tener una velocidad constante, la velocidad de la luzc, puede tener diferentelongitud de onday consecuentemente dicha onda transportaenerga. Laradiacin electromagnticarecibe diferentes nombres al variar su longitud de onda, comorayos gamma,rayos X,espectro visible, etc.; pero en su conjunto recibe el nombre deespectro electromagntico.

Espectro electromagntico.Vanse tambin:Fuerza de Lorentz,Fuerza electromotriz,Ley de Ampre,Ecuaciones de MaxwellyCampo electromagntico(demasiados parmetros en {{VT}})Wikipedia.Formulacin covariante[editar]Artculo principal:Tensor de campo electromagnticoClsicamente, al fijar unsistema de referencia, se puede descomponer los campos elctricos y magnticos del campo electromagntico. Pero al tener a unobservadorcon movimiento relativo respecto al sistema de referencia, ste medir efectos elctricos y magnticos diferentes de un mismo fenmeno electromagntico. El campo elctrico y la induccin magntica a pesar de ser elementosvectorialesno se comportan comomagnitudes fsicasvectoriales, por el contrario la unin de ambos constituye otro ente fsico llamadotensory en este caso eltensor de campo electromagntico.11As, la expresin para el campo electromagntico es:

Y las expresiones covariantes para las ecuaciones de Maxwell (7) y la fuerza de Lorentz (6) se reducen a:(6)(7)Electrodinmica cuntica[editar]

Diagrama de Feynman mostrando la fuerza electromagntica entre dos electrones por medio del intercambio de un fotn virtual.Artculo principal:Electrodinmica cunticaPosteriormente a la revolucin cuntica de inicios delsiglo XX, los fsicos se vieron forzados a buscar una teora cuntica de lainteraccin electromagntica. El trabajo deEinsteincon elefecto fotoelctricoy la posterior formulacin de lamecnica cunticasugeran que la interaccin electromagntica se produca mediante el intercambio departculas elementalesllamadasfotones. La nueva formulacin cuntica lograda en la dcada de losaos 40del siglo XX describa la interaccin de este fotnportador de fuerzay las otras partculasportadoras de materia.12Laelectrodinmica cunticaes principalmente unateora cuntica de camposrenormalizada. Su desarrollo fue obra deSinitiro Tomonaga,Julian Schwinger,Richard FeynmanyFreeman Dysonalrededor de los aos1947a1949.13En la electrodinmica cuntica, la interaccin entre partculas viene descrita por unlagrangianoque poseesimetralocal, concretamentesimetra de gauge. Para la electrodinmica cuntica, elcampo de gaugedonde las partculas interactan es elcampo electromagnticoy esas partculas son los fotones.13Matemticamente, el lagrangiano para la interaccin entrefermionesmediante intercambio de fotones viene dado por:

Donde el significado de los trminos son:son lasmatrices de Dirac.yson los campos oespinores de Diracque representan las partculas cargadas elctricamente.es laderivada covarianteasociada a la simetra gauge.el operador asociado alpotencial vectorcovariante del campo electromagntico yel operador de campo asociadotensor de campo electromagntico.Vanse tambin:Teora cuntica de campos,Ecuacin de DiracyModelo estndar.Vase tambin[editar] Interaccin electromagntica Electrodinmica Electrosttica Ecuaciones de Maxwell Electricidad Magnetismo Historia de la electricidad Superfuerza Teora del absorbedor de Wheeler-FeynmanReferencias[editar]1. Saltar a:abRafael Lpez Valverde.Historia del Electromagnetismo. Consultado el 13 de febrero de 2008.2. Volver arribaClerk Maxwell, James (1873).A Treatise on Electricity and Magnetism(en ingls). Consultado el 20 de noviembre de 2007.3. Volver arribaTesla, Nikola (18561943).Obras de Nikola Tesla en Wikisource en ingls(en ingls). Consultado el 20 de noviembre de 2007.4. Saltar a:abJ Villaruso Gato.Cuestiones:La carga elemental. Consultado el 13 de febrero de 2008.5. Volver arribaMinisterio de Educacin y Ciencia de Espaa.Introduccin a la Electricidad. Consultado el 13 de febrero de 2008.6. Volver arribaAgustn Borrego Colomer.Campo elctrico. Consultado el 14 de febrero de 2008.7. Volver arribaIntroduccin al electromagnetismo. Consultado el 15 de febrero de 2008.8. Volver arribaLey de Biot-Savart. Consultado el 15 de febrero de 2008.9. Volver arribaDavid Stern (2004).Ondas electromagnticas. Consultado el 17 de febrero de 2008.10. Volver arribaCarlos Fenandez.La naturaleza de la luz. Consultado el 17 de febrero de 2008.11. Volver arribaLandau & Lifshitz.Teora clsica de los campos. Ed. Revert.ISBN 84-291-4082-4.12. Volver arribaEnciclopedia Encarta (2007).Electrodinmica cuntica. Consultado el 19 de febrero de 2008.13. Saltar a:abJos Antonio Montiel Tosso (Universidad de Crdoba).Introduccin a la Fsica cuntica. Electrodinmica cuntica. Consultado el 19 de febrero de 2008.Bibliografa[editar] Marcelo Alonso, Edward J. Finn (1976).Fsica. Fondo Educativo Interamericano.ISBN 84-03-20234-2. Richard Feynman (1974).Feynman lectures on Physics Volume 2(en ingls). Addison Wesley Longman.ISBN 0-201-02115-3.Enlaces externos[editar] Wikimedia Commonsalberga contenido multimedia sobreElectromagnetismo. Wikiquotealberga frases clebres de o sobreElectromagnetismo. Wikilibrosalberga un libro o manual sobreElectromagnetismo. Wikiversidadalberga proyectos de aprendizaje sobreElectromagnetismo.Categora: ElectromagnetismoMen de navegacin Crear una cuenta Acceder Artculo Discusin Leer Editar Ver historialPrincipio del formulario

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