El Campo Electromagnético, cómo surgen las fuerzas Eléctricas y Magnéticas

[Música] Hola hoy en Science click el campo electromagnético imaginemos a dos personas en el vacío espacial que intercambian una pelota al enviar la pelota la primera persona se impartirá a sí misma una cierta velocidad de reacción del mismo modo Al momento de recibirla la otra persona absorberá al impacto del movimiento de la pelota al intercambiar la pelota ambos individuos han acelerado inicialmente estaban inmóviles ahora están en movimiento alejándose el uno del otro a cierta velocidad si continúan intercambiando la pelota sus respectivas velocidades aumentarán en cada ocasión y se alejarán cada vez más rápido es como

si fueran repelidos por una fuerza la acción de la pelota puede interpretarse como una fuerza de repulsión en la escala cuántica este mismo fenómeno funciona entre ciertas partículas como los electrones que intercambian constantemente fotones virtuales un fotón virtual es una partícula resultante de las leyes de la física cuántica que puede aparecer de la nada a condición de que desaparezca lo suficientemente rápido y sea imposible de detectar un fotón virtual tiene una energía determinada y su tiempo de vida es tanto más corto cuanto mayor sea su energía cuanto menor sea la energía de un fotón virtual

mayor será la distancia que pueda recorrer pues mayor Será su tiempo de vida al intercambiar fotones virtuales los electrones Sienten una repulsión una fuerza que los aleja algo parecido a las dos personas que intercambian la pelota esta fuerza es tanto más fuerte Cuanto más cerca esté en los electrones entre sí ya que los fotones virtuales tienen menos distancia que recorrer y por tanto pueden ser más energéticos muchas otras partículas intercambian fotones virtuales Y a esta tendencia de algunas partículas interactuar se le llama su carga eléctrica el electrón tiene una carga eléctrica de menos e y

representa simplemente la unidad de base de la carga eléctrica una partícula tendrá como carga eléctrica un múltiplo de este ladrillo elemental algunos objetos interactúan más que un electrón podemos imaginar un objeto que contenga dos electrones y cuya carga eléctrica sería Entonces menos 2e además algunas partículas como el protón interactúan con los fotones virtuales de forma inversa su carga eléctrica es entonces positiva La carga del protón es más 1e al igual que los electrones dos partículas con cargas positivas se repelen pero una partícula negativa y una partícula positiva se atraerán mutuamente las cargas del mismo signo

se repelen mientras que las cargas opuestas se atraen para tener en cuenta todas estas interacciones introducimos la noción de campo eléctrico imaginemos una especie de tejido en presente en todo el espacio si ponemos un electrón con carga negativa el campo se teñirá de azul a su alrededor por el contrario si ponemos un protón con carga positiva el campo Se volverá rojo de forma natural las partículas escaparán de las zonas que tengan el mismo color que ellas una particular neutra sin carga eléctrica no sentirá nada se moverá en línea recta como si nada pero una carga

eléctrica positiva como un protón será repelida por la zona rojas y atraída por las zonas Azules a la inversa una carga negativa es atraída por las zonas rojas y repelida por las zonas Azules ilustremos el campo eléctrico con varios ejemplos Aquí está el campo creado por dos electrones podemos ver por ejemplo que la posición Central es una posición de equilibrio si se pusieron a particular allí quedaría en móvil un poco con una canica entre dos crestas he aquí el campo creado por un electrón y un protón podemos ver que las dos partículas se atraen el

campo eléctrico forma una especie de puente entre una y otra finalmente colocando una cadena de electrones en un lado y una cadena de protones en el otro podemos crear un campo eléctrico uniforme una partícula en este campo sentiría la misma fuerza donde quiera que esté de esta manera podemos por ejemplo poner en movimiento electrones dentro de un cable eléctrico una corriente eléctrica es Entonces cuando entra en juego un curioso experimento imaginemos un cable eléctrico formado por una larguísima cadena de protones y electrones por el que circula una corriente eléctrica que es simplemente un movimiento de

electrones a lo largo del cable imaginemos que situamos un objeto a cierta distancia del cable Como por ejemplo una manzana que tiene una determinada carga eléctrica positiva según las interacciones que hemos visto antes cada protón del cable empuja la manzana pero al mismo tiempo Cada electrón atrae a la manzana con la misma intensidad al sumar todas estas fuerzas se compensan perfectamente y la manzana no siente finalmente ninguna fuerza de hecho cuando la observamos permanece inmóvil ahora le daremos una velocidad de desplazamiento hacia la derecha curiosamente La manzana es progresivamente repelida por el cable aunque no

siente ninguna fuerza eléctrica es como si otra fuerza desconocida actuará sutilmente sobre la manzana esta nueva fuerza es un poco particular no actúa cuando la manzana Está quieta sino Solo cuando se mueve además esta fuerza depende de la dirección y la velocidad a la que se mueve la manzana está sorprendente fuerza se denomina fuerza magnética para comprender el origen de esta fuerza es necesario estudiar lo que nos enseña la reactividad especial para empezar observaremos la situación no Desde un punto de vista externo sino tal y como la percibe nuestra manzana nos situaremos en su punto

de vista en el punto de vista de la manzana no es la manzana la que se mueve hacia la derecha sino el cable el que se mueve hacia la izquierda según la relatividad especial Cuanto más rápido se mueva un objeto más se contraerá su longitud en la dirección del movimiento en nuestro experimento los protones del cable se mueven ahora con respecto a la manzana de este modo se contraerán en la longitud del cable como si los protones se hubieran acercado ligeramente entre sí en cambio los electrones parecen moverse ahora más lentamente porque todo el cable

se mueve ahora hacia la izquierda así que están ligeramente alargados En comparación con el punto de vista anterior como si los electrones se hubieran alejado unos de otros cuando se suman las fuerzas que actúan sobre la manzana desde su punto de vista ya no se equilibran hay más cargas eléctricas positivas que cargas negativas como resultado el cable ejercerá una fuerza de repulsión sobre la manzana que la alejará progresivamente teniendo en cuenta la relatividad especial podemos ver que el campo eléctrico generado por una carga se deforma cuando se mueve este fenómeno conduce a la aparición de

una nueva fuerza la fuerza magnética que es en realidad una simple fuerza eléctrica pero percibida desde un punto de vista diferente al igual que el campo eléctrico todos estos comportamientos pueden resumirse en el campo magnético cuando una carga eléctrica se mueve crea un campo magnético a su alrededor que puede representarse mediante flechas que giran en torno a la dirección de su movimiento la fuerza magnética es una consecuencia de la relatividad especial por lo que el comportamiento del campo magnético es bastante sorprendente en un campo magnético una partícula inmóvil no siente ninguna fuerza una partícula en

movimiento sentirá una fuerza que será mayor Cuanto más se mueva la partícula perpendicularmente a la dirección del campo magnético esta fuerza tenderá a hacer que las partículas giren en hélices y círculos cuyo tamaño depende de su masa velocidad intensidad de campo o carga eléctrica Aunque es difícil de visualizar uno puede hacerse una idea del campo magnético imaginando el siguiente experimento enrollamos un alambre sobre sí mismo para formar una larga bobina y le aplicamos una corriente eléctrica a medida que los electrones se mueven dentro del cable cada uno de ellos creará un pequeño campo magnético todos

estos pequeños Campos magnéticos se suman a un campo a gran escala que forma una especie de bucle que sale de un extremo de la bobina y entra por el otro de este modo nuestra bobina se comporta como una especie de imán un objeto que tiene un Polo Norte y un Polo Sur magnético este tipo de objetos se llama electroimán como las cargas eléctricas los polos del mismo tipo se repelen mientras que los Polos opuestos se atraen en el centro de la bobina el campo magnético es relativamente uniforme dirigido a lo largo del eje de enrollamiento

del cable si lanzamos un electrón protón las dos partículas formarán trayectorias circulares a causa del campo magnético pero en direcciones opuestas porque el electrón es de carga negativa Mientras que el protón de carga positiva [Música] pero por lo general la mayoría de los imanes no necesitan de una corriente eléctrica para funcionar algunos imanes tienen naturalmente un campo magnético los llamados imanes permanentes las partículas elementales como el electrón tienen una propiedad llamada espín aunque esta no sea la realidad se puede interpretar al Spin como una rotación de la partícula sobre sí misma al girar sobre sí

misma la partícula genera una especie de corriente eléctrica que como en el caso de la bobina engendrará un campo magnético las partículas elementales se comportan así como diminutos imanes y el agruparlas de forma alineada podemos crear materiales magnetizados [Música] por último como los campos eléctricos y magnéticos son inseparables siendo uno la base del otro es natural unificarlos en un solo concepto el campo electromagnético este campo electromagnético se comporta De evoluciona de una manera muy específica que puede resumirse en cuatro principios fundamentales las cuatro ecuaciones de Maxwell la primera ecuación nos dice que una carga actúa

como origen del campo eléctrico la segunda ecuación afirma que por el contrario no puede existir una carga magnética un objeto que solo tenga un Polo Norte magnético sin un Polo Sur o viceversa un Polo Norte magnético siempre viene acompañado de un Polo Sur Y si intentamos cortar un imán en dos inevitablemente acabamos con dos nuevos imanes más pequeños Las dos últimas ecuaciones muestran cómo evolucionan los campos eléctricos y magnéticos entre sí la primera de estas dos ecuaciones nos dice que un cambio en el campo magnético perturbará al campo eléctrico si movemos un imán dentro de

una bobina de alambre variamos el campo magnético lo que perturba el campo eléctrico y pondrá en movimiento a los electrones al agitar un imán dentro de una bobina podemos generar una corriente eléctrica esto se llama inducción porque una variación del campo magnético puede inducir una corriente eléctrica en un cable Esta técnica se utiliza ampliamente en las turbinas eólicas las centrales nucleares y en los teléfonos para convertir el movimiento en un corriente finalmente la cuarta ecuación nos dice que una corriente eléctrica o una variación del campo eléctrico provoca por sí misma una perturbación del campo magnético

Esta última ecuación es crucial porque nos remite a la ecuación anterior la variación de un campo eléctrico perturba el campo magnético pero esta perturbación del campo magnético perturbará a su vez el campo eléctrico esta alternancia entre Campos eléctricos y magnéticos permite que la energía electromagnética se propague en el espacio en forma de una onda electromagnética que se mueve la velocidad de los fotones virtuales incluyen las microondas los rayos x los infrarrojos y la luz un gran número de experimentos interesantes pueden explicarse mediante las leyes de electromagnetismo como también se puede frenar la gravedad de alguna

manera para ello basta con dejar caer un imán sobre una bobina de alambre inicialmente el imán cae cada vez más rápido al ser arrastrado por la tierra pero al acercarse a la bobina su movimiento hace que cambie el campo magnético del cable esta variación del campo magnético pondrá en movimiento los electrones del interior del cable imán que cae genera una corriente eléctrica en la bobina una bobina que transporta una corriente eléctrica también genera un campo magnético como un imán este nuevo campo magnético se opondrá ligeramente al movimiento del imán que cae frenando así su caída

dentro de la bobina el imán cae más lentamente [Música] [Música]