Electromagnetismo

El electromagnetismo es la rama de la física que estudia y unifica los fenómenos

eléctricos y magnéticos en una sola teoría. El electromagnetismo describe la
interacción de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos. La
interacción electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales del
universo conocido.

El electromagnetismo abarca diversos fenómenos del mundo real como por

ejemplo la luz. La luz es un campo electromagnético oscilante que se irradia desde
Ferrofluido que se agrupa cerca de
partículas cargadas aceleradas. Aparte de la gravedad, la mayoría de las fuerzas en
los polos de un magneto poderoso.
la experiencia cotidiana son consecuencia de electromagnetismo.

Los principios del electromagnetismo encuentran aplicaciones en diversas

disciplinas afines, tales como las microondas, antenas, máquinas eléctricas, comunicaciones por satélite, bioelectromagnetismo,
plasmas, investigación nuclear, la fibra óptica, la interferencia y la compatibilidad electromagnéticas, la conversión de energía
electromecánica, la meteorología por radar, y la observación remota. Los dispositivos electromagnéticos incluyen transformadores,
relés, radio/TV, teléfonos, motores eléctricos, líneas de transmisión, guías de onda, fibras ópticas y láseres.

Los fundamentos de la teoría electromagnética fueron presentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo
completo por James Clerk Maxwell en 1865. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan
el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y
polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell, lo que ha sido considerada como la «segunda gran unificación de
la física», siendo la primera realizada por Isaac Newton.

La teoría electromagnética se puede dividir en electrostática —el estudio de las interacciones entre cargas en reposo— y la
electrodinámica —el estudio de las interacciones entre cargas en movimiento y la radiación. La teoría clásica del electromagnetismo
se basa en la fuerza de Lorentz y en las ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es llamada también teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en
magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe
los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello
campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es
decir, aplicable a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de estas, el
electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

Índice
 Ramas
Electrostática
Magnetostática
Electrodinámica clásica
Formulación covariante
Electrodinámica cuántica
Historia
Véase también
Referencias
Bibliografía
Enlaces externos

Ramas

Electrostática
La electrostática es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en reposo. Como describe la ley de Coulomb,
estos cuerpos ejercen fuerzas entre sí. Su comportamiento se puede analizar en términos de la idea de un campo eléctrico que rodea
cualquier cuerpo cargado, de manera que otro cuerpo cargado colocado dentro del campo estará sujeto a una fuerza proporcional a la
magnitud de su carga y de la magnitud del campo en su ubicación. El que la fuerza sea atractiva o repulsiva depende de la polaridad
de la carga. La electrostática tiene muchas aplicaciones, que van desde el análisis de fenómenos como tormentas eléctricas hasta el
estudio del comportamiento de los tubos electrónicos.

Cuando hablamos de electrostática nos referimos a los fenómenos que ocurren

debido a una propiedad intrínseca y discreta de la materia, la carga, cuando es
estacionaria o no depende del tiempo. La unidad de carga elemental, es decir, la
más pequeña observable, es la carga que tiene el electrón.1 Se dice que un cuerpo
está cargado eléctricamente cuando tiene exceso o falta de electrones en los átomos
que lo componen. Por definición el defecto de electrones se la denomina carga
positiva y al exceso carga negativa.2 La relación entre los dos tipos de carga es de
atracción cuando son diferentes y de repulsión cuando son iguales.

La carga elemental es una unidad muy pequeña para cálculos prácticos, por eso en
el Sistema Internacional la unidad de carga eléctrica, el culombio, se define como
la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de
intensidad de corriente eléctrica.

Un electroscopio usado para medir la

que equivale a la carga de 6,25 x 1018 electrones.1 El movimiento de electrones carga eléctrica de un objeto.

por un conductor se denomina corriente eléctrica y la cantidad de carga eléctrica

que pasa por unidad de tiempo se define como la intensidad de corriente. Se
pueden introducir más conceptos como el de diferencia de potencial o el de resistencia, que nos conducirían ineludiblemente al área
de circuitos eléctricos, y todo eso se puede ver con más detalle en el artículo principal.

El nombre de la unidad de carga se debe a Coulomb, quien en 1785 llegó a una relación matemática de la fuerza eléctrica entre
cargas puntuales, que ahora se la conoce como ley de Coulomb:
Entre dos cargas puntuales y existe una fuerza de atracción o repulsión que varía de acuerdo al cuadrado de la distancia
entre ellas y de dirección radial ;y es una constante conocida como permitividad eléctrica.

Las cargas elementales al no encontrarse solas se las debe tratar como una distribución de ellas. Por eso debe implementarse el
concepto de campo, definido como una región del espacio donde existe una magnitud escalar o vectorial dependiente o
independiente del tiempo. Así el campo eléctrico está definido como la región del espacio donde actúan las fuerzas eléctricas. Su
intensidad se define como el límite al que tiende la fuerza de una distribución de carga sobre una carga positiva que tiende a cero,
así:

Y así finalmente llegamos a la expresión matemática que define el

campo eléctrico:

Es importante conocer el alcance de este concepto de campo Campo eléctrico de cargas puntuales.
eléctrico: nos brinda la oportunidad de conocer cuál es su intensidad
y qué ocurre con una carga en cualquier parte de dicho campo sin
importar el conocimiento de qué lo provoca.3

Una forma de obtener qué cantidad de fuerza eléctrica pasa por cierto punto o superficie del campo eléctrico es usar el concepto de
flujo eléctrico. Este flujo eléctrico se define como la suma de la cantidad de campo que atraviesa un área determinada, así:

El matemático y físico, Carl Friedrich Gauss, demostró que la cantidad de flujo eléctrico en un campo es igual al cociente entre la
carga encerrada por la superficie en la que se calcula el flujo, , y la permitividad eléctrica, . Esta relación se conoce como ley
de Gauss:

(1)

Véanse también: Carga eléctrica, Ley de Coulomb, Campo eléctrico, Potencial eléctrico y Ley de Gauss.

Magnetostática
No fue sino hasta el año de 1820, cuando Hans Christian Ørsted descubrió que el fenómeno magnético estaba ligado al eléctrico,
que se obtuvo una teoría científica para el magnetismo.4 La presencia de una corriente eléctrica, o sea, de un flujo de carga debido a
una diferencia de potencial, genera una fuerza magnética que no varía en el tiempo. Si tenemos una carga q a una velocidad , en un
campo magnético aparecerá una fuerza magnética inducida por el movimiento en esta carga, así:
Para determinar el valor de ese campo magnético, Jean Baptiste Biot en 1820,5
dedujo una relación para corrientes estacionarias, ahora conocida como ley de Biot-
Savart:

Donde es un coeficiente de proporcionalidad conocido como permeabilidad Líneas de fuerza de una barra
magnética, es la intensidad de corriente, el es el diferencial de longitud por el magnética.
que circula la corriente y es la distancia de este elemento de longitud el punto
donde se evalúa la inducción magnética. De manera más estricta, es la inducción
magnética, dicho en otras palabras, es el flujo magnético por unidad de área.
Experimentalmente se llegó a la conclusión que las líneas de fuerza de campos
magnéticos eran cerradas, eliminando la posibilidad de un monopolo magnético. La
relación matemática se la conoce como ley de Gauss para el campo magnético:

(2)
Magnetósfera terrestre.

Además en la magnetostática existe una ley comparable a la de Gauss en la electrostática, la ley de Ampère. Esta ley nos dice que la
circulación en un campo magnético es igual a la densidad de corriente que exista en una superficie cerrada:

Cabe indicar que esta ley de Gauss es una generalización de la ley de Biot-Savart. Además que las fórmulas expresadas aquí son
para cargas en el vacío, para más información consúltese los artículos principales.

Véanse también: Ley de Ampère, Corriente eléctrica, Campo magnético, Ley de Biot-Savart y Momento
magnético dipolar.

Electrodinámica clásica
La electrodinámica es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en movimiento y a los campos eléctricos y
magnéticos variables. Dado que una carga en movimiento produce un campo magnético, la electrodinámica se refiere a efectos tales
como el magnetismo, la radiación electromagnética, y la inducción electromagnética, incluyendo las aplicaciones prácticas, tales
como el generador eléctrico y el motor eléctrico. Esta área de la electrodinámica, conocida como electrodinámica clásica, fue
sistemáticamente explicada por James Clerk Maxwell, y las ecuaciones de Maxwell describen los fenómenos de esta área con gran
generalidad. Una novedad desarrollada más reciente es la electrodinámica cuántica, que incorpora las leyes de la teoría cuántica a
fin de explicar la interacción de la radiación electromagnética con la materia. Paul Dirac, Heisenberg y Wolfgang Pauli fueron
pioneros en la formulación de la electrodinámica cuántica. La electrodinámica es inherentemente relativista y da unas correcciones
que se introducen en la descripción de los movimientos de las partículas cargadas cuando sus velocidades se acercan a la velocidad
de la luz. Se aplica a los fenómenos involucrados con aceleradores de partículas y con tubos electrónicos funcionando a altas
tensiones y corrientes.

En las secciones anteriores se han descrito campos eléctricos y magnéticos que no variaban con el tiempo. Pero los físicos a finales
del siglo XIX descubrieron que ambos campos estaban ligados y así un campo eléctrico en movimiento, una corriente eléctrica que
varíe, genera un campo magnético y un campo magnético de por si implica la presencia de un campo eléctrico. Entonces, lo primero
que debemos definir es la fuerza que tendría una partícula cargada que se mueva en un campo magnético y así llegamos a la unión
de las dos fuerzas anteriores, lo que hoy conocemos como la fuerza de Lorentz:

(3)

Entre 1890 y 1900 Liénard y Wiechert calcularon el campo electromagnético asociado a cargas en movimiento arbitrario, resultado
que se conoce hoy como potenciales de Liénard-Wiechert.

Por otro lado, para generar una corriente eléctrica en un circuito cerrado debe existir una diferencia de potencial entre dos puntos del
circuito, a esta diferencia de potencial se la conoce como fuerza electromotriz o fem. Esta fuerza electromotriz es proporcional a la
rapidez con que el flujo magnético varía en el tiempo, esta ley fue encontrada por Michael Faraday y es la interpretación de la
inducción electromagnética, así un campo magnético que varía en el tiempo induce a un campo eléctrico, a una fuerza electromotriz.
Matemáticamente se representa como:

(4)

En un trabajo del físico James Clerk Maxwell de 1861 reunió las tres ecuaciones anteriormente citadas (1 (https://es.wikipedia.org/
wiki/Electromagnetismo#Equation_1)), (2 (https://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo#Equation_2)) y (4 (https://es.wikipedi
a.org/wiki/Electromagnetismo#Equation_4)) e introdujo el concepto de una corriente de desplazamiento como una densidad de
corriente efectiva y llegó a la última de las ecuaciones, la ley de Ampère generalizada (5 (https://es.wikipedia.org/wiki/Electromagn
etismo#Equation_5)), ahora conocidas como ecuaciones de Maxwell:

(5)

Las cuatro ecuaciones, tanto en su forma diferencial como en la integral aquí descritas, fueron las revisiones hechas por Oliver
Heaviside. Pero el verdadero poder de estas ecuaciones, más la fuerza de Lorentz (3 (https://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetis
mo#Equation_3)), se centra en que juntas son capaces de describir cualquier fenómeno electromagnético, además de las
consecuencias físicas que posteriormente se describirán.6

La genialidad del trabajo de Maxwell es que sus ecuaciones describen un campo

eléctrico que va ligado inequívocamente a un campo magnético perpendicular a
este y a la dirección de su propagación, este campo es ahora llamado campo
electromagnético.[cita requerida] Además la solución de estas ecuaciones permitía la Esquema de una onda
existencia de una onda que se propagaba a la velocidad de la luz, con lo que electromagnética.
además de unificar los fenómenos eléctricos y magnéticos la teoría formulada por
Maxwell predecía con absoluta certeza los fenómenos ópticos.

Así la teoría predecía a una onda que, contraria a las ideas de la época, no necesitaba un medio de propagación; la onda
electromagnética se podía propagar en el vacío debido a la generación mutua de los campos magnéticos y eléctricos. Esta onda a
pesar de tener una velocidad constante, la velocidad de la luz c, puede tener diferente longitud de onda y consecuentemente dicha
onda transporta energía. La radiación electromagnética recibe diferentes nombres al variar su longitud de onda, como rayos gamma,
rayos X, espectro visible, etc.; pero en su conjunto recibe el nombre de espectro electromagnético.
 Véanse también: Fuerza de Lorentz, Fuerza electromotriz, Ley de Ampère, Ecuaciones de Maxwell y
Campo electromagnético (demasiados parámetros en {{VT}}) Wikipedia.

Formulación covariante
Clásicamente, al fijar un sistema de referencia, se puede descomponer los campos eléctricos y magnéticos del campo
electromagnético. Pero al tener a un observador con movimiento relativo respecto al sistema de referencia, este medirá efectos
eléctricos y magnéticos diferentes de un mismo fenómeno electromagnético. El campo eléctrico y la inducción magnética a pesar de
ser elementos vectoriales no se comportan como magnitudes físicas vectoriales, por el contrario la unión de ambos constituye otro
ente físico llamado tensor y en este caso el tensor de campo electromagnético.7

Así, la expresión para el campo electromagnético es:

Y las expresiones covariantes para las ecuaciones de Maxwell (7 (https://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo#Equation_7)) y

la fuerza de Lorentz (6 (https://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo#Equation_6)) se reducen a:

(6)

(7)

Electrodinámica cuántica
Posteriormente a la revolución cuántica de inicios del siglo XX, los
físicos se vieron forzados a buscar una teoría cuántica de la
interacción electromagnética. El trabajo de Einstein con el efecto
fotoeléctrico y la posterior formulación de la mecánica cuántica
sugerían que la interacción electromagnética se producía mediante
el intercambio de partículas elementales llamadas fotones. La nueva
formulación cuántica lograda en la década de 1940 describía la
interacción de este fotón portador de fuerza y las otras partículas
portadoras de materia.8

La electrodinámica cuántica es principalmente una teoría cuántica

Diagrama de Feynman mostrando la fuerza
de campos renormalizada. Su desarrollo fue obra de Sinitiro
electromagnética entre dos electrones por medio
Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman y Freeman Dyson del intercambio de un fotón virtual.
alrededor de los años 1947 a 1949.9 En la electrodinámica
cuántica, la interacción entre partículas viene descrita por un
lagrangiano que posee simetría local, concretamente simetría de gauge. Para la electrodinámica cuántica, el campo de gauge donde
las partículas interactúan es el campo electromagnético y esas partículas son los fotones.9

Matemáticamente, el lagrangiano para la interacción entre fermiones mediante intercambio de fotones viene dado por:

Donde el significado de los términos son:

son las matrices de Dirac.

y son los campos o espinores de Dirac que representan las partículas cargadas
eléctricamente.
es la derivada covariante asociada a la simetría gauge.
el operador asociado al potencial vector covariante del campo electromagnético y
el operador de campo asociado tensor de campo electromagnético.

Véanse también: Teoría cuántica de campos, Ecuación de Dirac y Modelo estándar.

Historia
La historia del electromagnetismo, considerada como el conocimiento y el uso
registrado de las fuerzas electromagnéticas, data de hace más de dos mil años.

En la antigüedad ya estaban familiarizados con los efectos de la electricidad

atmosférica, en particular del rayo10 ya que las tormentas son comunes en las
latitudes más meridionales, ya que también se conocía el fuego de San Telmo. Sin
embargo, se comprendía poco la electricidad y no eran capaces de producir estos
fenómenos.11 12

Durante los siglos XVII y XVIII, William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen El físico danés Hans Christian
Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Volta entre otros investigaron estos dos Ørsted, realizando el experimento
fenómenos de manera separada y llegaron a conclusiones coherentes con sus que le permitió descubrir la relación
experimentos. entre la electricidad y el magnetismo
en 1820.
A principios del siglo XIX, Hans Christian Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos
estaban relacionados. De ahí es que los trabajos de físicos como André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg
Simon Ohm, Michael Faraday en ese siglo, son unificados por James Clerk Maxwell en 1861 con un conjunto de ecuaciones que
describían ambos fenómenos como uno solo, como un fenómeno electromagnético.12

Las ahora llamadas ecuaciones de Maxwell demostraban que los campos eléctricos y los campos magnéticos eran manifestaciones
de un solo campo electromagnético. Además describía la naturaleza ondulatoria de la luz, mostrándola como una onda
electromagnética.13 Con una sola teoría consistente que describía estos dos fenómenos antes separados, los físicos pudieron realizar
varios experimentos prodigiosos e inventos muy útiles como la bombilla eléctrica por Thomas Alva Edison o el generador de
corriente alterna por Nikola Tesla.14 El éxito predictivo de la teoría de Maxwell y la búsqueda de una interpretación coherente de
sus implicaciones, fue lo que llevó a Albert Einstein a formular su teoría de la relatividad que se apoyaba en algunos resultados
previos de Hendrik Antoon Lorentz y Henri Poincaré.

En la primera mitad del siglo XX, con el advenimiento de la mecánica cuántica, el electromagnetismo tuvo
que mejorar su formulación para que fuera coherente con la nueva teoría. Esto se logró en la década de
1940 cuando se completó una teoría cuántica electromagnética o mejor conocida como electrodinámica
cuántica.

Véase también
Interacción electromagnética
Electrodinámica
Electrostática
Ecuaciones de Maxwell
Electricidad
Magnetismo
Historia de la electricidad
Superfuerza
Teoría del absorbedor de Wheeler-Feynman

Referencias
Consultado el 15 de febrero de 2008.
1. Villaruso Gato, J. «Cuestiones:La carga elemental» (h
6. Stern, David (2004). «Ondas electromagnéticas» (htt
ttps://web.archive.org/web/20080228091455/http://ne
p://www-istp.gsfc.nasa.gov/Education/Memwaves.htm
wton.cnice.mecd.es/3eso/electricidad3E/cuestiones3.
l). Consultado el 17 de febrero de 2008.
htm). Archivado desde el original (http://newton.cnice.
mecd.es/3eso/electricidad3E/cuestiones3.htm) el 28 7. Landau & Lifshitz. Teoría clásica de los campos. Ed.
de febrero de 2008. Consultado el 13 de febrero de Reverté. ISBN 84-291-4082-4.
2008. 8. «Electrodinámica cuántica» (https://web.archive.org/w
2. Ministerio de Educación y Ciencia de España. eb/20081219093126/http://es.encarta.msn.com/encne
«Introducción a la Electricidad» (http://w3.cnice.mec.e t/refpages/RefArticle.aspx?refid=761563893).
s/recursos/fp/electricidad/ud1/inicio_elect_1.html). Enciclopedia Encarta. 2007. Archivado desde el
Consultado el 13 de febrero de 2008. original (http://es.encarta.msn.com/encnet/refpages/R
efArticle.aspx?refid=761563893) el 19 de diciembre
3. Borrego Colomer, Agustín. «Campo eléctrico» (https://
de 2008. Consultado el 19 de febrero de 2008.
web.archive.org/web/20080913093414/http://usuarios.
iponet.es/agusbo/uned/propios/apuntes/electrico.PDF) 9. Montiel Tosso, José Antonio (Universidad de
. Archivado desde el original (http://usuarios.iponet.es/ Córdoba). «Introducción a la Física cuántica.
agusbo/uned/propios/apuntes/electrico.PDF) el 13 de Electrodinámica cuántica» (https://web.archive.org/we
septiembre de 2008. Consultado el 14 de febrero de b/20081219053046/http://www.fq.profes.net/apieaula
2008. 2.asp?id_contenido=48464). Archivado desde el
original (http://www.fq.profes.net/apieaula2.asp?id_co
4. «Introducción al electromagnetismo» (http://www.socie
ntenido=48464) el 19 de diciembre de 2008.
dadelainformacion.com/departfqtobarra/magnetismo/i
Consultado el 19 de febrero de 2008.
ntroduccion/introduccion.htm). Consultado el 15 de
febrero de 2008. 10. Bruno Kolbe, Francis ed Legge, Joseph Skellon, tr.,
«An Introduction to Electricity (http://books.google.co
5. «Ley de Biot-Savart» (http://www.sociedadelainformac
m/books?vid=0o90G64Z2FDIyKUsLs9&id=150IAAAAI
ion.com/departfqtobarra/magnetismo/biot/biot.htm).
AAJ)». Kegan Paul, Trench, Trübner, 1908. 429
 páginas. página 391 (http://books.google.com/books?i 10723041432/http://www.juntadeandalucia.es/averroe
d=150IAAAAIAAJ&printsec=títulopágina&source=gbs_ s/~29009272/1999/articulos/articulo1.PDF). Archivado
summary_r&cad=0#PPA391,M1). (cf., «[...] high poles desde el original (http://www.juntadeandalucia.es/aver
covered with copper plates and with gilded tops were roes/~29009272/1999/articulos/articulo1.PDF) el 23
erected 'to break the stones coming from on high'. J. de julio de 2011. Consultado el 13 de febrero de 2008.
Dümichen, Baugeschichte des Dendera-Tempels, 13. Clerk Maxwell, James (1873). «A Treatise on
Strassburg, 1877») Electricity and Magnetism» (https://en.wikisource.org/
11. Urbanitzky, A. v., & Wormell, R. (1886). Electricity in wiki/A_Treatise_on_Electricity_and_Magnetism) (en
the service of man: a popular and practical treatise on inglés). Consultado el 20 de noviembre de 2007.
the applications of electricity in modern life (http://book 14. Tesla, Nikola (1856-1943). «Obras de Nikola Tesla en
s.google.com/books?id=rkgOAAAAYAAJ). London: Wikisource en inglés» (https://en.wikisource.org/wiki/A
Cassell &. uthor:Nikola_Tesla) (en inglés). Consultado el 20 de
12. López Valverde, Rafael. «Historia del noviembre de 2007.
Electromagnetismo» (https://web.archive.org/web/201

Bibliografía
Alonso, Marcelo y Edward J. Finn (1976). Física. Fondo Educativo Interamericano. ISBN 84-03-20234-2.
Feynman, Richard (1974). Feynman lectures on Physics Volume 2 (en inglés). Addison Wesley Longman. ISBN 0-
201-02115-3.

Enlaces externos
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