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Campo electromagnético

Un campo electromagnético (también llamado campo EM ) es un campo físico que varía en el espacio y el tiempo, y que representa las influencias eléctricas y magnéticas generadas ...

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Un campo electromagnético (también llamado campo EM ) es un campo físico que varía en el espacio y el tiempo, y que representa las influencias eléctricas y magnéticas generadas por las cargas eléctricas y que actúan sobre ellas . [ 1 ] El campo en cualquier punto del 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, dando lugar a una oscilación que se propaga por el espacio, conocida como onda electromagnética . [ 2 ] [ 3 ]

Matemáticamente, el campo electromagnético es un par de campos vectoriales que consisten en un vector para el campo eléctrico y otro para el campo magnético en cada punto del espacio. Los vectores pueden variar en el tiempo y el espacio según las ecuaciones de Maxwell . Los vectores están sujetos a las leyes de la relatividad especial ; diferentes observadores pueden determinar vectores distintos.

La forma en que las cargas y las corrientes (es decir, los flujos de cargas) interactúan con el campo electromagnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell [ 4 ] y la ley de la fuerza de Lorentz [ 5 ] . Las ecuaciones de Maxwell detallan cómo el campo eléctrico converge hacia las cargas eléctricas o diverge de ellas, cómo el campo magnético se curva alrededor de las corrientes eléctricas y cómo los cambios en los campos eléctrico y magnético se influyen mutuamente. La ley de la fuerza de Lorentz establece que una carga sometida a un campo eléctrico experimenta una fuerza en la dirección del campo, y una carga que se mueve a través de un campo magnético experimenta una fuerza 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 pudo explicar el efecto fotoeléctrico ni la espectroscopia de absorción atómica , experimentos a escala atómica. Esto requirió el uso de la mecánica cuántica , específicamente la cuantización del campo electromagnético y el desarrollo de la electrodinámica cuántica .

Historia

Resultados del experimento de Michael Faraday con limaduras de hierro.

La investigación empírica del electromagnetismo es al menos tan antigua como el filósofo, matemático y científico griego Tales de Mileto , quien alrededor del año 600  a. C. describió sus experimentos frotando pieles de animales sobre diversos materiales, como el ámbar, creando electricidad estática. [ 7 ] Para el siglo XVIII, se entendía que los objetos pueden tener carga eléctrica positiva o negativa , que dos objetos con carga del mismo signo se repelen, que dos objetos con carga de signo opuesto se atraen y que la fuerza de esta disminuye con el cuadrado de la distancia entre ellos. Michael Faraday visualizó esto en términos de las cargas interactuando 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 , además de un campo eléctrico, cuando la carga se mueve, creando una corriente eléctrica con respecto a este observador. Con el tiempo, se comprendió que los campos eléctrico y magnético se entienden mejor 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 ] Faraday luego hizo la observación fundamental de que los campos magnéticos variables en el tiempo podían inducir corrientes eléctricas en 1831.

En 1861, James Clerk Maxwell sintetizó todo el trabajo realizado hasta la fecha sobre fenómenos eléctricos y magnéticos en una única teoría matemática, a partir de la cual dedujo que la luz es una onda electromagnética. La teoría del campo continuo de Maxwell tuvo mucho éxito hasta que surgieron pruebas que respaldaban el modelo atómico de la materia. A partir de 1877, Hendrik Lorentz desarrolló un modelo atómico del electromagnetismo y, en 1897, J.J. 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 este 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 finales del siglo XIX. El generador y el motor eléctricos se inventaron utilizando únicamente hallazgos empíricos, como las leyes de Faraday y Ampère, combinados con la experiencia práctica.

Descripción matemática

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 un valor definido en cada punto del espacio y el tiempo, por lo que a menudo se consideran funciones de las coordenadas espaciales y temporales. Por ello, suelen escribirse 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 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 constante en el tiempo, se dice que el campo es un campo magnetostático . Sin embargo, si el campo eléctrico o el magnético dependen del tiempo, ambos campos deben considerarse conjuntamente como un campo electromagnético acoplado utilizando las ecuaciones de Maxwell . [ 9 ]

Con la llegada de la relatividad especial , las leyes físicas se volvieron compatibles con el formalismo de los tensores . Las ecuaciones de Maxwell pueden escribirse en forma tensorial, lo que los físicos consideran generalmente una manera más elegante de expresar las leyes físicas.

El comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, ya sea en casos de electrostática, magnetostática o electrodinámica (campos electromagnéticos), se rige por las ecuaciones de Maxwell. En el formalismo de campos vectoriales, estas son:

Ley de Gauss
∇⋅mi=ρε0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}}
Ley de Gauss para el magnetismo
∇⋅B=0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}
Ley de Faraday
∇×mi=−∂B∂t{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}
Ley de Ampère-Maxwell
∇×B=μ0J+μ0ε0∂mi∂t{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {J} +\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}

dóndeρ{\displaystyle \rho }es la densidad de carga, que es una función del tiempo y la posición,ε0{\displaystyle \varepsilon _{0}}es la permitividad del vacío ,μ0{\displaystyle \mu _{0}}es la permeabilidad del vacío y J es el vector de densidad de corriente, que también depende del tiempo y la posición. Dentro de un material lineal, las ecuaciones de Maxwell cambian al intercambiar la permeabilidad y la permitividad del espacio libre con la permeabilidad y la permitividad del material lineal en cuestión. Dentro de otros materiales que presentan respuestas más complejas a los campos electromagnéticos, estos términos suelen representarse mediante números complejos o tensores.

La ley de la 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 de acuerdo con las propiedades de los medios. [ 10 ]

Propiedades del campo

Electrostática y magnetostática

Campo eléctrico de una carga puntual positiva suspendida sobre una lámina infinita de material conductor. El campo se representa mediante líneas de campo eléctrico , que siguen la dirección del campo eléctrico en el espacio.

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, ∇⋅mi=ρϵ0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}} y ∇×mi=0,{\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =0,} junto con dos fórmulas que involucran el campo magnético: ∇⋅B=0{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0} y ∇×B=μ0J.{\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _ {0}\mathbf {J}.} Estas expresiones son las ecuaciones básicas de la electrostática , que se centra en situaciones donde las cargas eléctricas no se mueven, y de la magnetostática , el área correspondiente de los fenómenos magnéticos. [ 11 ]

Transformaciones de los campos electromagnéticos

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 precisa matemáticamente. Por ejemplo, supongamos que un laboratorio contiene un cable largo y recto por el que circula una corriente eléctrica. En el sistema de referencia donde el laboratorio está en reposo, el cable está inmóvil y es eléctricamente neutro: la corriente, compuesta por electrones con carga negativa, se mueve contra un fondo de iones con carga positiva, y las densidades de cargas positivas y negativas se cancelan entre sí. Una carga de prueba cerca del cable no sentiría ninguna fuerza eléctrica proveniente de este. Sin embargo, si la carga de prueba se mueve paralelamente a la corriente, la situación cambia. En el sistema de referencia en reposo de la carga de prueba, las cargas positivas y negativas del cable se mueven a velocidades diferentes, por lo que las distribuciones de carga positiva y negativa se contraen de Lorentz en diferentes grados. 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 lo tanto, una fuerza distinta de cero. En el sistema de referencia del laboratorio, no existe un campo eléctrico que explique la atracción o repulsión de la carga de prueba hacia el cable. Por lo tanto, un observador en el sistema de referencia del laboratorio concluye que debe existir 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 de referencia inercial diferente utilizando una combinación de campos eléctricos y magnéticos. De forma análoga, un fenómeno que un observador describe utilizando únicamente un campo magnético será descrito, en un sistema de referencia en movimiento relativo, 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 ]

Así, la electrostática y la magnetostática se consideran ahora estudios del campo electromagnético estático cuando se ha seleccionado un sistema de referencia específico para suprimir el otro tipo de campo. Dado que un campo electromagnético con componentes eléctricos y magnéticos aparecerá en cualquier otro sistema de referencia, estos efectos "más simples" son simplemente consecuencia de la diferencia en los sistemas de medición. El hecho de que las dos variaciones del campo puedan reproducirse simplemente cambiando el movimiento del observador es una prueba más de que solo existe un único campo real involucrado, que simplemente se observa de forma diferente.

Comportamiento recíproco de los campos eléctricos y magnéticos.

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 se puede enunciar, a grandes rasgos, como «un campo magnético variable dentro de una espira crea una tensión eléctrica alrededor de la misma». Este es el principio en el que se basa el generador eléctrico .

La ley de Ampère establece, a grandes rasgos, que "una corriente eléctrica que circula por una espira crea un campo magnético a través de ella". Por lo tanto, esta ley puede aplicarse para generar un campo magnético y hacer funcionar un motor eléctrico .

Comportamiento de los campos en ausencia de cargas o corrientes.

Una onda plana electromagnética polarizada linealmente que se propaga paralela al eje z es una posible solución para las ecuaciones de ondas electromagnéticas en el espacio libre . El campo eléctrico , E , y el campo magnético , B , son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.

Las ecuaciones de Maxwell se pueden combinar 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, dondeρ{\displaystyle \rho }y J son cero, los campos eléctrico y magnético satisfacen estas ecuaciones de ondas electromagnéticas : [ 15 ] [ 16 ]

(∇2−1do2∂2∂t2)mi  =  0{\displaystyle \left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {E} \ \ =\ \ 0}
(∇2−1do2∂2∂t2)B  =  0{\displaystyle \left(\nabla ^{2}-{1 \over {c}^{2}}{\partial ^{2} \over \partial t^{2}}\right)\mathbf {B} \ \ =\ \ 0}

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 Ampère . Esto unificó la comprensión física de la electricidad, el magnetismo y la luz: la luz visible es solo una parte del rango completo de ondas electromagnéticas, el espectro electromagnético .

Campos electromagnéticos variables en el tiempo en las ecuaciones de Maxwell

Un campo electromagnético muy alejado de corrientes y cargas (fuentes) se denomina radiación electromagnética (REM), ya que emana de las cargas y corrientes de la fuente. Dicha radiación puede producirse en un amplio rango de frecuencias, denominado 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 mencionados y enlazados.

Una aplicación destacada de la luz visible es que este tipo de energía proveniente del Sol alimenta toda la vida en la Tierra que produce o utiliza oxígeno.

Un campo electromagnético variable que se encuentra físicamente cerca de corrientes y cargas (véase campo cercano y campo lejano para una definición de "cercano") tendrá una característica dipolar dominada por un dipolo eléctrico variable o un dipolo magnético variable . Este tipo de campo dipolar cerca de las fuentes se denomina campo electromagnético cercano .

Los campos dipolares eléctricos variables , como tales, se utilizan comercialmente como campos cercanos, principalmente como fuente de calentamiento dieléctrico . De lo contrario, aparecen de forma parasitaria alrededor de conductores que absorben radiación electromagnética y alrededor de antenas que tienen como objetivo generar radiación electromagnética a mayores distancias.

Los campos dipolares magnéticos variables (es decir, los campos magnéticos cercanos) se utilizan comercialmente en muchos tipos de dispositivos de inducción magnética . Estos 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.

Salud y seguridad

Los posibles efectos de los campos electromagnéticos en la salud humana varían ampliamente según la frecuencia, la intensidad y la duración de la exposición. Generalmente, se considera segura la exposición a la radiación electromagnética de baja frecuencia, baja intensidad y corta duración. [ 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 ] puede causar daños significativos en algunas circunstancias.

Véase también

Referencias

Citas

Fuentes

  • Feynman, Richard ; Leighton, Robert B .; Sands, Matthew (1970). Las conferencias de Feynman sobre física . Vol.  II. Addison Wesley Longman . ISBN 978-0-201-02115-8.
  • Purcell, Edward M.; Morin, David J. (2012). Electricidad y magnetismo (3.ª  ed.). Cambridge University Press . ISBN 9781-10701-4022.
  • Ling, Samuel J.; Moebs, William; Sanny, Jeff (2023). "16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas" . Física Universitaria . Vol.  2. OpenStax. ISBN 978-1-947172-27-2.
  • Stauffer, Robert C. (1957). " Especulación y experimentación en el contexto del descubrimiento del electromagnetismo por Oersted". Isis . 48 (1): 33– 50. doi : 10.1086/348537 . JSTOR 226900. S2CID 120063434 .  
  • Wangsness, Roald K. (1986). Campos electromagnéticos (2.ª  ed.). Wiley. ISBN 0-471-81186-6.
  • Edminister, Joseph A. (1995). Esquema de electromagnetismo de Schaum (2.ª  ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-021234-1.
  • Cheng, David K. (1989). Electromagnetismo de campo y onda (2.ª  ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-201-12819-2.
  • Valentin, J., ed. (2007). Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica . Publicación 103 de la ICRP. Oxford: Elsevier . ISBN 978-0-7020-3048-2.
  • Taylor, David (2012). "Electricidad y magnetismo" . Ideas de física . Universidad Northwestern . Recuperado el 8 de enero de 2023 .
  • "Cronología de los acontecimientos en el electromagnetismo" . ThoughtCo . 2018. Consultado el 28 de octubre de 2023 .
  • "Hoja informativa del NIOSH: Campos electromagnéticos en el lugar de trabajo" . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos . 1996. Consultado el 31 de agosto de 2015 .
  • Guía sobre radiación ultravioleta (PDF) (Informe). Norfolk, Virginia: Centro de Salud Ambiental, Armada de los Estados Unidos . Abril de 1992. Archivado del original (PDF) el 21 de diciembre de 2019. Consultado el 21 de diciembre de 2019 .

Lecturas adicionales

  • Griffiths, David J. (1999). Introducción a la electrodinámica (3.ª  ed.). Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0.
  • Maxwell, JC (1 de enero de 1865). "Una teoría dinámica del campo electromagnético". Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 155 (155): 459– 512. doi : 10.1098/rstl.1865.0008 . S2CID 186207827 . (Este artículo acompañó una presentación que Maxwell realizó ante la Royal Society el 8 de diciembre de 1864).
  • Greene, Brian . El tejido del cosmos . Nueva York: Random House. Cap. 3, §§ "Fuerza", "Materia" y "El campo de Higgs".
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