Por GAYLE TOWELL • Actualizado el 24 de marzo de 2022
La electricidad y el magnetismo son dos fuerzas fundamentales que surgen de partículas cargadas. Aunque se manifiestan de manera diferente, sus principios subyacentes son sorprendentemente similares. A continuación, examinamos los tres principales puntos en común que unen estas fuerzas.
Tanto las cargas eléctricas como los polos magnéticos existen en pares complementarios. Las cargas eléctricas vienen en variedades positivas (+) y negativas (–), transportadas por protones y electrones, respectivamente. Las cargas opuestas se atraen mientras que las cargas similares se repelen, un comportamiento que mantiene eléctricamente neutrales a la mayoría de los objetos macroscópicos.
De manera similar, los imanes poseen polos norte y sur. Dos polos norte (o dos polos sur) se repelen, mientras que un polo norte y un polo sur se atraen. A diferencia de la gravedad, que sólo atrae, la electricidad y el magnetismo presentan interacciones tanto atractivas como repulsivas.
Si bien un imán es inherentemente un dipolo (sus polos no se pueden separar), los dipolos eléctricos se pueden formar colocando una carga positiva y una negativa a una pequeña distancia entre sí. El dipolo se puede neutralizar reorientando una de las cargas, lo que subraya el contraste entre los dipolos magnéticos y eléctricos.
La fuerza electromagnética, que abarca efectos tanto eléctricos como magnéticos, es mucho más fuerte que la gravedad pero más débil que las fuerzas nucleares fuerte y débil. En términos relativos, si la fuerza fuerte se normaliza a 1, la fuerza electromagnética mide aproximadamente 1/137, la fuerza débil aproximadamente 10 -6 , y la gravedad es infinitesimal 6×10 -39 .
A pesar de su magnitud comparativamente débil, el electromagnetismo domina las interacciones cotidianas porque las cargas y los momentos magnéticos normalmente no están neutralizados; pueden ejercer fuerzas que superan fácilmente la atracción gravitacional de la Tierra sobre objetos pequeños.
Históricamente, la electricidad y el magnetismo se descubrieron como fenómenos distintos. Sin embargo, el trabajo de científicos como Michael Faraday y James Clerk Maxwell los reveló como dos facetas de un único campo electromagnético.
Los experimentos de Faraday demostraron que un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica en una bobina, un principio que subyace a todos los generadores eléctricos. Las cuatro ecuaciones de Maxwell formalizaron aún más esta relación, prediciendo que las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz:
\(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}} =299,792,485\;\text{m/s}\)
Por tanto, la luz en sí misma es una onda electromagnética, lo que ilustra la profunda unidad de estas fuerzas.
Así como la gravedad se describe mediante un campo, los campos eléctricos y magnéticos caracterizan cómo actúan las fuerzas en el espacio. El campo eléctrico generado por una carga puntual q a una distancia r es:
\(E =\frac{kq}{r^2}\)
donde k =8,99×10 9 N·m²/C². El campo apunta en sentido contrario a las cargas positivas y apuntando hacia las cargas negativas.
Para un cable largo y recto que transporta corriente, el campo magnético a la distancia r es:
\(B =\frac{\mu_0 I}{2\pi r}\)
con μ ₀ =4π×10 -7 N/A². La dirección sigue la regla de la mano derecha.
La fuerza eléctrica sobre una carga q en un campo eléctrico E es:
\(\vec{F} =q\vec{E}\)
La fuerza magnética sobre una carga en movimiento viene dada por la ley de fuerza de Lorentz:
\(\vec{F} =q\vec{v} \times \vec{B}\)
Para un yo actual fluyendo a través de una longitud L en un campo magnético, la fuerza se convierte en:
\(\vec{F} =I\vec{L} \times \vec{B}\)
En materiales ferromagnéticos como el hierro, el movimiento intrínseco de los electrones produce momentos magnéticos microscópicos que se alinean paralelos entre sí, creando magnetismo macroscópico. Esto demuestra que el magnetismo es fundamentalmente un efecto eléctrico.
Por el contrario, la electricidad se puede generar a partir del magnetismo, un descubrimiento que allanó el camino para los generadores y sistemas de energía modernos.
La ley de Faraday explica que un flujo magnético cambiante induce una fuerza electromotriz que se opone al cambio, incorporando el principio de inducción electromagnética.
Las cuatro ecuaciones de James Clerk Maxwell describen sucintamente cómo evolucionan los campos eléctricos y magnéticos:
\(\nabla \cdot \vec{E} =\frac{\rho}{\varepsilon_0}\)
\(\nabla \cdot \vec{B} =0\)
\(\nabla \times \vec{E} =-\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}\)
\(\nabla \times \vec{B} =\mu_0 \vec{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}\)
Estas ecuaciones predicen la existencia de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz, unificando la luz con la electricidad y el magnetismo.
En general, la naturaleza entrelazada del magnetismo y la electricidad refleja un marco electromagnético único y elegante que gobierna el comportamiento de las partículas cargadas y las fuerzas que ejercen.
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