Electromagnetismo: definición, electricidad y magnetismo

La fuerza electromagnética proviene de algo llamado campo electromagnético. En física, un campo es la forma en que llevamos la cuenta de las cosas que pueden cambiar en el espacio y el tiempo. Es como un conjunto de etiquetas para cada punto del espacio. Por ejemplo, la temperatura del aire en una habitación podría describirse mediante un campo, en el que las etiquetas son sólo números que indican el calor que hace en ese punto de la habitación. También podríamos tener etiquetas más complicadas. En un mapa de la velocidad del viento, la etiqueta puede ser un número que indique la intensidad del viento y una flecha que indique en qué dirección sopla. Lo llamamos campo vectorial porque cada etiqueta es un vector: tiene una dirección (la flecha) y una magnitud (su fuerza).

Los campos eléctricos y magnéticos también son campos. En lugar de llevar la cuenta de la temperatura o la velocidad del viento, nos indican el empuje o la atracción que sentirá una partícula cargada en ese punto del espacio, y en qué dirección será empujada. Al igual que la velocidad del viento, los campos eléctricos también son campos vectoriales, por lo que pueden dibujarse como flechas. Las flechas señalan en qué dirección será empujada una partícula positiva, como un protón, si está en el campo. Las partículas negativas, como los electrones, irán en la dirección opuesta a las flechas. En un campo eléctrico, las flechas apuntarán lejos de las partículas positivas y hacia las negativas. Así, un protón en un campo eléctrico se alejaría de otro protón, o se acercaría a un electrón. Las cargas similares se repelen (se alejan unas de otras), mientras que las cargas opuestas se atraen (se juntan).

Los campos magnéticos son un poco diferentes. Sólo empujan sobre las cargas en movimiento, y empujan más sobre las cargas que se mueven más rápido. Pero no empujan en absoluto a las cargas que están quietas. Sin embargo, un campo magnético cambiante puede producir un campo eléctrico, y un campo eléctrico puede empujar cualquier carga. Esta idea, llamada inducción electromagnética, se utiliza para hacer funcionar generadores eléctricos, motores de inducción y transformadores. Juntos, los campos eléctricos y magnéticos constituyen el campo electromagnético.

Hasta el siglo XIX, la gente solía pensar que la electricidad y el magnetismo eran dos cosas diferentes. Sin embargo, todo cambió cuando científicos como Hans Christian Ørsted y Michael Faraday demostraron que la electricidad y el magnetismo estaban realmente conectados. En 1820, Ørsted descubrió que cuando encendía y apagaba la corriente eléctrica de una pila, ésta movía la aguja de una brújula cercana. Cuando estudió este efecto con más detenimiento, descubrió que la corriente eléctrica producía un campo magnético. Es decir, cuando las cargas eléctricas se mueven, pueden producir una fuerza que empuja a los imanes. Ørsted había encontrado una de las primeras conexiones entre la electricidad y el magnetismo.

Faraday siguió estudiando esta conexión, realizando pruebas con bucles de alambre e imanes. Descubrió que si colocaba dos bucles de alambre y hacía pasar la electricidad por uno de ellos, podía (durante un tiempo) producir también una corriente eléctrica en el otro bucle. Faraday también descubrió que podía producir una corriente moviendo un imán a través de una espira de alambre, o moviendo el alambre sobre un imán. Lo que Faraday había demostrado era que los imanes podían empujar las cargas eléctricas en movimiento, y que los imanes en movimiento podían empujar las cargas que estaban quietas. Esto era como lo que Ørsted había descubierto, pero a la inversa.

En 1873, James Clerk Maxwell resumió estas conexiones en su teoría del "electromagnetismo clásico", la electricidad y el magnetismo juntos. Esta teoría se basaba en un conjunto de cuatro ecuaciones, llamadas ecuaciones de Maxwell, y en la ley de fuerza de Lorentz. Las ecuaciones de Maxwell indicaban cómo relacionar la electricidad y el magnetismo. Decían que las cargas quietas podían empujar a otras cargas, pero las cargas en movimiento podían producir campos magnéticos que empujaban a los imanes. Por otra parte, los imanes quietos sólo pueden empujar a las cargas en movimiento, pero los imanes en movimiento pueden empujar a cualquier carga eléctrica.

Además, los estudios de Maxwell demostraron que la luz podía describirse como una onda en el campo electromagnético. Es decir, la luz se mueve como una onda. Sin embargo, el trabajo de Maxwell no concuerda con la mecánica clásica, la descripción de las fuerzas y el movimiento desarrollada originalmente por Newton. Las ecuaciones de Maxwell predecían que la luz se mueve siempre por el espacio vacío a la misma velocidad. Esto era un problema porque en la mecánica clásica, las velocidades son "aditivas": si una persona A en un tren que se mueve a una velocidad X lanza una pelota con una velocidad Y, entonces una persona B en el suelo ve que la pelota se mueve con una velocidad X+Y. Según Maxwell, si la persona A enciende una linterna, verá la luz alejándose de ella a una velocidad c. Pero la persona B en el suelo también debe ver la luz moviéndose a una velocidad c, no c+X. Esto condujo al desarrollo de la teoría de la relatividad especial por parte de Einstein, que explicaba cómo la velocidad de la luz podía ser la misma para todos, y por qué la mecánica clásica no funciona para las cosas que se mueven muy rápido.

Problemas de electromagnetismo clásico

Los trabajos de Albert Einstein con el efecto fotoeléctrico y los de Max Planck con la radiación del cuerpo negro no se ajustaban a la visión tradicional de la luz como una onda continua. Este problema se resolvería tras el desarrollo de la mecánica cuántica en 1925. Este desarrollo condujo al desarrollo de la electrodinámica cuántica que fue desarrollada por Richard Feynman y Julian Schwinger. La electrodinámica cuántica fue capaz de describir las interacciones de las partículas en detalle.

Se considera que la radiación electromagnética es tanto una partícula como una onda. Esto se debe a que a veces actúa como una partícula y a veces como una onda. Para facilitar las cosas, podemos pensar en una onda electromagnética como una corriente de fotones (símbolo γ).

Fotones

Un fotón es una partícula elemental, lo que significa que no puede descomponerse en partículas más pequeñas. Es la partícula de la que se compone la luz. Los fotones también constituyen todos los demás tipos de radiación electromagnética, como los rayos gamma, los rayos X y los rayos UV. La idea de los fotones se le ocurrió a Einstein. Utilizando su teoría del efecto fotoeléctrico, Einstein dijo que la luz existía en pequeños "paquetes" o bultos a los que llamó fotones.

Los fotones tienen energía y momento. Cuando dos objetos cargados se empujan o tiran el uno del otro, envían fotones de un lado a otro. Así, los fotones transmiten la fuerza electromagnética entre los objetos cargados. Los fotones también se conocen como partículas mensajeras en física porque estas partículas suelen llevar mensajes entre objetos. Los fotones envían mensajes que dicen "acércate" o "aléjate" dependiendo de las cargas de los objetos que se miran. Si existe una fuerza mientras pasa el tiempo, entonces se están intercambiando fotones durante ese tiempo.

Las interacciones electromagnéticas fundamentales se producen entre dos partículas cualesquiera que tengan carga eléctrica. Estas interacciones implican el intercambio o la producción de fotones. Así, los fotones son las partículas portadoras de las interacciones electromagnéticas.

Los procesos de desintegración electromagnética suelen reconocerse por el hecho de que producen uno o más fotones (también conocidos como rayos gamma). Proceden con menos rapidez que los procesos de desintegración fuerte con diferencias de masa comparables, pero con más rapidez que las desintegraciones débiles comparables.