El Electromagnetismo, electrificando los polos

 

    El magnetismo y la electricidad son dos fuerzas conocidas desde la Antigüedad. El estudio del magnetismo surgió de la observación de que unas "piedras" (magnetita) atraen al hierro. A esta fuerza se le dio el nombre del lugar donde se descubrió (Magnesia). Por otra parte, la electricidad surgió de la observación de que dos pedazos de ámbar (elektron en griego) frotados atraían la paja. Pero hasta los siglos XVII y XVIII no se estudiaron científicamente ambas fuerzas.

    La electrostática engloba los fenómenos que ocurren a partir de una propiedad de la materia llamada carga cuando no depende del tiempo, es decir, cuando se encuentra en reposo. La unidad de carga más pequeña es el electrón. Cuando el número de electrones es menor al número de protones (es decir, las partículas de carga positiva) se dice que es de carga positiva, y cuando el número es mayor es de carga negativa. Las cargas diferentes se atraen y las cargas iguales se repelen.

Las cargas opuestas se atraen, y las iguales se repelen

    El movimiento de electrones por un conductor se denomina corriente eléctrica y la cantidad de carga eléctrica que pasa por una unidad de tiempo se denomina intensidad de corriente. La relación entre las cargas eléctricas viene dada por la Ley de Coulomb:

    

    Donde K es la constante eléctrica, q representa las cargas y r la distancia entre ellas. Las cargas eléctricas no pueden encontrarse solas, por lo tanto necesitan encontrarse en un campo. El campo es una región del espacio donde existe una magnitud dependiente o independiente del tiempo. Por ejemplo, el campo eléctrico es la región del espacio donde actúan las fuerzas eléctricas. Este campo nos permite conocer su intensidad y cómo se comporta una carga en cualquier parte del campo.

    Para conocer cuánta fuerza posee una carga al pasar por un campo eléctrico se introduce el flujo eléctrico. El flujo es la suma de la cantidad de campo que atraviesa un área determinada. Carl Friedrich Gauss demostró que la cantidad de flujo eléctrico se expresaba en la siguiente ecuación, conocida como la Ley de Gauss, esencial en la electrostática:

    En 1820, Hans Christian Ørsted descubrió que la electricidad y el magnetismo estaban relacionados, comenzando con el estudio de la magnetostática. Descubrió que la presencia de una corriente eléctrica generaba una fuerza magnética independiente del tiempo. Gauss llegó a la conclusión de que no existían monopolos magnéticos, es decir, todo polo magnético debía incluir dos cargas. Esta conclusión se conoce como Ley de Gauss para el campo magnético:

    Más tarde, André-Marie Ampère descubrió que el movimiento a través del campo magnético era igual a la densidad de corriente, expresándolo en la Ley de Ampère:

    A finales del siglo XIX, los físicos descubrieron que un campo eléctrico genera un campo magnético y que uno magnético implica la existencia de otro eléctrico. Para unir las dos fuerzas, se definió la fuerza que tendría una partícula cargada al pasar un campo magnético. Esto se expresa en la fuerza de Lorentz, representada por la fómula F=q(E+v·B), donde se incluyen E, el campo eléctrico, y B, el campo magnético.

    Michael Faraday descubrió la fuerza electromotriz. Esta fuerza expresa cómo se puede generar un voltaje gracias a una fuerza magnética. Para expresarla propuso una ley que explica la inducción electromagnética, es decir, que un campo magnético que varía en el tiempo (es decir, que se mueve) produce un campo eléctrico, una fuerza electromotriz. Esta ley es conocida como Ley de Faraday:

Forma diferencial de la Ley de Faraday

    En 1865, James Clerk Maxwell aplicó un cambio a la Ley de Ampère, transformándola en la Ley de Ampère generalizada (cuyo cambio ya está incluido en la ecuación anterior) y unió esta con las leyes de Gauss, Gauss para el campo magnético y Faraday y las recogió en las denominadas ecuaciones de Maxwell, que incluían un nuevo tipo de campo, el campo electromagnético. Estas ecuaciones, junto a la fuerza de Lorentz, son capaces de describir cualquier efecto electromagnético. Además, estas ecuaciones predicen la existencia de una onda que viaja a la velocidad de la luz.

Campo electromagnético, donde E es el campo eléctrico y B el campo magnético.

    Esta onda, la luz, podía desplazarse en el vacío gracias a la unificación de los campos eléctricos y magnéticos. Además, aunque la velocidad era constante, la longitud de onda variaba. El conjunto de tipos de longitud de onda producidos por radiación electromagnética se engloba en el espectro electromagnético. Esto suponía que las ecuaciones de Maxwell, además de unificar la electricidad y el magnetismo, unificaban también a la óptica.

Espectro electromagnético

    El electromagnetismo supuso un gran avance, y originó toda una revolución en la tecnología. Además, los efectos que precedía sobre el comportamiento de la luz llevarían a Einstein a formular su teoría de la Relatividad Especial.

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