Electromagnetismo

Qué es el electromagnetismo

El electromagnetismo es una fuerza de las más importantes, ya que junto con la gravitatoria, nuclear fuerte y nuclear débil, forma parte de las Fuerzas Fundamentales del Universo, que son aquellas que no pueden ser explicadas en función de otras fuerzas más básicas.

En la naturaleza el electromagnetismo tiene presencia en fenómenos tales como en las ondas radiales provenientes de la Vía Láctea, la radiación infrarroja provenientes de los cuerpos a temperatura ambiente, la luz, la radiación ultravioleta derivada del Sol, la radiación gamma, las auroras boreales y australes, entre otros.

Por otra parte, la aplicación del electromagnetismo en la vida cotidiana es diversa. Tal es el caso de la brújula, cuyo movimiento de agujas es generado por los principios magnéticos polares y los eléctricos por la interacción del mecanismo y fricción que se origina. El timbre, la guitarra eléctrica, el motor eléctrico, transformadores, microondas, pendrives, micrófonos, aviones, cámaras digitales, celulares, termómetros, planchas, ecógrafos, módems, tomógrafos, son algunos de los objetos más conocidos en los que este fenómeno toma lugar y que, en aplicaciones prácticas, ejemplifica lo que es el electromagnetismo.

Conceptos básicos

En esta vertiente se definirán términos concordantes con el electromagnetismo.

Campo electromagnético

Es un campo físico sensorial en el cual interactúan partículas eléctricas producidas por cuerpos u objetos cargados eléctricamente. En dicho campo, existe una cantidad de energía electromagnética. Pero para comprender mejor el concepto, es importante entender cómo y por qué se genera el campo eléctrico y el campo magnético.

El campo eléctrico toma lugar cuando existen diferencias de voltaje y mientras más elevado sea el mismo, mayor campo existirá. Este es, entonces, el espacio donde las fuerzas eléctricas actúan. Conocer el alcance del campo eléctrico permitirá conocer el nivel de intensidad y qué sucede con una carga en determinada parte del campo, sin importar desconocer qué lo provoca.

Por su parte, el campo magnético, se origina en las corrientes eléctricas, y mientras mayor sea la corriente, mayor será el campo. Es la agitación que produce el imán a la región alrededor del mismo, cómo lo afecta y hacia qué dirección. Es representado por líneas de campo que van desde el exterior del polo norte al polo sur del imán, y por su interior desde el polo sur al polo norte. Dichas líneas jamás se cruzarán, por lo que se separan unas de otras y del imán, de forma paralela y tangencial a la dirección del campo en los puntos.

Espectro electromagnético

Es el conjunto de energías electromagnéticas de las ondas, es decir, a todas las radiaciones electromagnéticas que abarcan desde las de menor longitud de onda (rayos X, rayos gamma), la radiación ultravioleta, la luz y la radiación infrarroja, hasta las de mayor longitud (ondas radiales).

El espectro de un objeto o fluido será la distribución característica de su radiación electromagnética. Existe la teoría que el límite de la longitud de onda más corta es aproximadamente la longitud Planck (una medida de longitud subatómica) y el límite superior de la longitud de onda larga es del tamaño del universo mismo, aunque el espectro sea continuo e infinito.

Ondas electromagnéticas

Son las ondas que no necesitan un medio material para su propagación, por lo que pueden viajar a través del vacío y a una velocidad constante de 299.792 kilómetros por segundo. Varios ejemplos de este tipo de ondas son la luz, el microondas, los rayos X y las transmisiones de televisión y radio.

Las radiaciones del espectro electromagnético presentan difracción (desviación al conseguir un objeto opaco) e interferencia (superposición de ondas), que son las propiedades típicas del movimiento ondulatorio.
La aplicación de las ondas electromagnéticas ha tenido un fuerte impacto en el mundo de las telecomunicaciones al hacer posible la comunicación inalámbrica a través de las ondas de radio.

Radiación electromagnética

Es la propagación de las partículas eléctricas y magnéticas oscilando, y en donde cada una genera un campo (eléctrico y magnético). Dicha radiación origina unas ondas que pueden propagarse a través del aire y del vacío: las ondas electromagnéticas.

Teoría Electromagnética

James Maxwell logró formular la teoría electromagnética, englobando la electricidad, el magnetismo y la luz como distintas expresiones de un mismo fenómeno. A esta hipótesis desarrollada por el físico se le denominó Teoría Clásica de la Radiación Electromagnética.

Desde tiempos remotos, los científicos y las personas observaban con fascinación los fenómenos electromagnéticos, tales como la electrostática, magnetismo y otras manifestaciones dentro de este campo, pero no fue sino hasta el siglo XIX, cuando gracias al trabajo de distintos científicos, se lograron explicar parte de las piezas que conformaban el rompecabezas del electromagnetismo tal como se conoce hoy día.

Fue Maxwell quien unificó todas ellas en cuatro ecuaciones: la Ley de Gauss, la Ley de Gauss para el campo magnético, la Ley de Faraday y la Ley de Ampère generalizada, que ayudó a definir qué es el electromagnetismo.

1. La Ley de Gauss: describe cómo las cargas afectan al campo eléctrico y establece que dichas cargas son fuentes de campo eléctrico siempre y cuando sean positivas, o sumideros del mismo si éstas son negativas. De ahí que las cargas iguales tienden a repelerse y las distintas tienden a atraerse. Esta ley de igual forma establece que el campo eléctrico se debilitará con la distancia bajo la ley cuadrática inversa (la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de distancia al centro de origen), y dotándolo de propiedades geométricas.
2. La Ley de Gauss del magnetismo: establece que ni las fuentes ni los sumideros existen dentro del campo magnético, por lo tanto, no hay cargas magnéticas. Ante la ausencia de fuentes y sumideros, los campos magnéticos generados por objetos deben cerrarse sobre sí mismos. Es por ello que, si se dividiera por la mitad un imán, el campo magnético se cerrará en la zona por donde fue cortado, así que se originarán dos imanes con dos polos cada uno. Esto sugiere que los monopolos en la tierra serían imposibles.
3. La Ley de Faraday: dice que si un campo magnético se modifica en el tiempo, esto lo activará cerrándose. Si el mismo aumenta, el campo eléctrico se orientará en el sentido de las agujas del reloj, y si disminuye, se orientará al contrario. Se cumple entonces, que no solamente las cargas y los imanes podrán influir en los campos, sino también entre ellos, en ambas direcciones.
   Dentro de esta ley se observa la inducción electromagnética, que es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos que varían con el tiempo. Este fenómeno produce fuerza electromotriz o voltaje en un cuerpo expuesto a un campo magnético y, al ser conductor dicho objeto, se produce la corriente inducida.
4. La Ley de Ampère: explica que un campo eléctrico con cargas en movimiento (corriente eléctrica), activan el campo magnético cerrándose. La corriente eléctrica es muy útil, ya que con ella se pueden crear imanes artificiales, haciendo pasar dicho elemento a través de una bobina y, teniendo un campo magnético, lo que ocasiona que mientras mayor sea la intensidad de la corriente, más se amplificará la intensidad del campo magnético. A este tipo de imán se le denomina electroimán, y la mayoría de los campos magnéticos en el planeta son generados de esta manera.

Ramas del electromagnetismo

Para comprender por completo lo que es el electromagnetismo, deben comprenderse las distintas manifestaciones existentes en estos fenómenos electromagnéticos: electrostática, magnetostática, electrodinámica y magnetismo.

Electrostática

La electrostática se refiere al estudio de los fenómenos electromagnéticos que se originan en los cuerpos cargados eléctricamente (tiene exceso – carga positiva – o falta – carga negativa – de electrones en los átomos que lo componen) en reposo.

Se conoce que si los objetos cargados con electricidad poseen exceso de electrones en los átomos que los componen, entonces tendrán carga positiva, y tendrán una carga negativa cuando hay deficiencia de los mismos.

Estos cuerpos ejercen fuerzas entre sí. Cuando un objeto cargado es sometido a un campo perteneciente a otro objeto cargado, estará sujeto a una fuerza proporcional a la magnitud de su carga y la del campo en su ubicación. La polaridad de la carga decidirá si la fuerza será atractiva (cuando son distintos) o repulsiva (cuando son iguales). La electrostática tiene utilidad para el estudio y observación de las tormentas eléctricas.

El magnetismo

Es el fenómeno por el cual los cuerpos se atraen o repelen dependiendo del tipo de carga que estos tengan. Todos los materiales que existen serán más o menos influidos de acuerdo a su composición, pero el único imán en la naturaleza que se conoce es la magnetita (que es un mineral compuesto por dos óxidos de hierro y tiene la propiedad de atraer el hierro, acero y otros cuerpos).

Los imanes poseen dos zonas donde las fuerzas se manifiestan con mayor magnitud, situadas a los extremos y se les denomina polos magnéticos (norte y sur).

La propiedad fundamental de la interacción entre imanes es que sus polos iguales se repelen, mientras que los distintos se atraen. Esto es, porque dicho efecto se relaciona a las líneas de campo magnéticas (del polo norte al sur), y cuando se aproximan dos contrarios, las líneas saltan de un polo al otro (se adhieren) dicho efecto se reducirá a medida que la distancia entre ambos sea mayor; cuando se acercan dos polos iguales, las líneas se comienzan a comprimir hacia su mismo polo, y si se les comprime, las líneas se expanden, por lo que ambos imanes no pueden acercarse y se repelen.

La electrodinámica

Estudia los fenómenos electromagnéticos de los cuerpos cargados en movimiento y a los campos, tanto eléctricos como magnéticos variables. Dentro de la misma, existen tres subdivisiones: la clásica, la relativista y la cuántica.

• La clásica incluye otros efectos, como la inducción y radiación electromagnética, el magnetismo y la inducción y motor eléctrico.
• La relativista establece que, teniendo un observador con movimiento desde su sistema de referencia, medirá efectos eléctricos y magnéticos diferentes de un mismo fenómeno, ya que ni el campo eléctrico ni la inducción magnética se comportan como magnitudes físicas vectoriales.
• La cuántica, describe la interacción entre los bosones (partículas portadoras de la interacción) y los fermiones (partículas portadoras de materia), y se utiliza para explicar estructuras atómicas y relaciones entre moléculas complejas.

La magnetostática

Es el estudio de los fenómenos físicos en los que intervienen campos magnéticos constantes en el tiempo, es decir, que han sido producidos por corrientes estacionarias. Esto incluye la atracción que el imán y el electroimán ejerce sobre el hierro y distintos metales. Los fenómenos producidos en esta área se caracterizan por la creación de un campo magnético alrededor del cuerpo magnetizado que va perdiendo intensidad con la distancia.