Las Interacciones Electromagnéticas

LAS INTERACCIONES ELECTROMAGNÉTICAS
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. Las partículas cargadas interactúan
electromagnéticamente mediante el intercambio de fotones.
El electromagnetismo abarca diversos fenómenos del mundo real, como por ejemplo
la luz. La luz es un campo electromagnético oscilante que se irradia desde partículas
cargadas aceleradas. Aparte de la gravedad, la mayoría de las fuerzas en 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 y láseres.
HISTORIA DEL ELECTROMAGNETISMO.
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 rayo1 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.
Durante los siglos XVII y XVIII, William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen
Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Volta entre otros investigaron estos dos fenómenos
de manera separada y llegaron a conclusiones coherentes con sus experimentos.
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.
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 conocida como electrodinámica cuántica.
HISTORIA DE LA TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA
Originalmente, la electricidad y el magnetismo se consideraban dos fuerzas separadas.

Este punto de vista cambió, sin embargo, con la publicación en 1873 del Tratado de
electricidad y magnetismo de James Maxwell , que mostró que la interacción de cargas
positivas y negativas está gobernada por una sola fuerza. Hay cuatro efectos principales,
resultantes de estas interacciones, que han sido claramente demostrados por experimentos:
1. Las cargas eléctricas son atraídas o repelidas entre sí con una fuerza inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas: las cargas diferentes se atraen,
las cargas iguales se repelen.
2. Los polos magnéticos (o estados de polarización en puntos separados) se atraen o
repelen entre sí de manera similar y siempre van en pares: cada polo norte no existe
por separado del polo sur.
3. La corriente eléctrica en un cable crea un campo magnético circular alrededor del
cable, dirigido (en sentido horario o antihorario) según el flujo de corriente.
4. Se induce una corriente en el bucle del cable cuando se acerca o aleja con relación
al campo magnético, o cuando el imán se acerca o aleja del bucle del cable; la
dirección de la corriente depende de la dirección de estos movimientos.
RAMAS ELECTROMAGNÉTICAS
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.
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.
Que equivale a la carga de 6,25 x 1018 electrones.
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 con el cuadrado de la distancia entre ellas y de dirección radial ; y es una
constante conocida como permisividad eléctrica.
Y así finalmente llegamos a la expresión matemática que define el campo eléctrico:
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. 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 1820,12
dedujo una relación para corrientes estacionarias, ahora conocida como ley de Biot-Savart:
La relación matemática se la conoce como ley de Gauss para el campo magnético:
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:
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.
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:
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:
El físico James Clerk Maxwell de 1861 relacionó las anteriormente citadas

ecuaciones para la ley de Gauss ((1)), ley de Gauss para el campo magnético ((2)), ley de
Faraday ((4)) e introdujo el concepto de una corriente de desplazamiento como una
densidad de corriente efectiva para llegar a la ley de Ampère generalizada (5):
La solución de las ecuaciones de Maxwell implicaba la existencia de una onda que
se propagaba a la velocidad de la luz, con lo que además de unificar los fenómenos
eléctricos y magnéticos la teoría formulada por Maxwell predecía con absoluta certeza los
fenómenos ópticos.
ELECTRODINÁMICA RELATIVISTA
Clásicamente, al fijar un sistema de referencia, se puede descomponer los campos

eléctricos y magnéticos del campo electromagnético. Pero, en la teoría de la relatividad
especial, 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.
Así, la expresión para el campo electromagnético es:

Esta representación se conoce como formulación covariante tetradimensional del
electromagnetismo. Las expresiones covariantes para las ecuaciones de Maxwell (7) y la
fuerza de Lorentz (6) se reducen a:
Dada la forma de las ecuaciones anteriores, si el dominio sobre el que se extiende el

campo electromagnético es simplemente conexo el campo electromagnético puede
expresarse como la derivada exterior de un cuadrivector llamado potencial vector,
relacionado con los potenciales del electromagnetismo clásico de la siguiente manera:
La relación entre el cuadrivector potencial y el tensor de campo electromanético

resulta ser:
ELECTRODINÁMICA CUÁNTICA
La electrodinámica cuántica es principalmente una teoría cuántica de campos

renormalizada. Su desarrollo fue obra de Sinitiro Tomonaga, Julian Schwinger, Richard
Feynman y Freeman Dyson alrededor de los años 1947 a 1949. 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 los fermiones interactúan es el campo electromagnético, descrito en esta
teoría como los estados de bosones (fotones, en este caso) portadores de la interacción.
Matemáticamente, el lagrangiano para la interacción entre fermiones mediante

intercambio de fotones viene dado por:

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

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HISTORIA DE LA TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA

Originalmente, la electricidad y el magnetismo se consideraban dos fuerzas separadas.

La electrostática es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en

Que equivale a la carga de 6,25 x 1018 electrones.

El nombre de la unidad de carga se debe a Coulomb, quien en 1785 llegó a una

Entre dos cargas puntuales y existe una fuerza de atracción o repulsión que varía

La relación matemática se la conoce como ley de Gauss para el campo magnético:

Además en la magnetostática existe una ley comparable a la de Gauss en la

La electrodinámica es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados

Una novedad desarrollada más reciente es la electrodinámica cuántica, que

Esta fuerza electromotriz es proporcional a la rapidez con que el flujo magnético

El físico James Clerk Maxwell de 1861 relacionó las anteriormente citadas

Clásicamente, al fijar un sistema de referencia, se puede descomponer los campos

Así, la expresión para el campo electromagnético es:

Dada la forma de las ecuaciones anteriores, si el dominio sobre el que se extiende el

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