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CIENCIA. Las cuatro fuerzas del universo: (II) Electromagnetismo


El electromagnetismo es un área de la física que implica el estudio de la fuerza electromagnética, un tipo de interacción física que ocurre entre partículas cargadas eléctricamente.


El electromagnetismo es una de las cuatro fuerzas fundamentales existentes en el universo. Describe cómo reaccionan las partículas cargadas a los campos eléctricos y magnéticos, así como los enlaces fundamentales entre ellas. Como la gravedad, afecta a todo el universo pero, a diferencia de ella no actúa a gran escala sino que nos es posible percibirla y sentirla.


El término electromagnetismo combina las fuerzas eléctricas y magnéticas en una sola palabra porque ambas fuerzas se deben al mismo fenómeno subyacente. Las partículas cargadas generan campos eléctricos, y las cargas positivas y negativas reaccionan a ese campo de manera diferente, lo que explica la fuerza que observamos. Para las interacciones eléctricas, las partículas cargadas positivamente (como los protones) alejan las partículas cargadas positivamente y atraen las cargadas negativamente (como los electrones), y viceversa. Las líneas de campo eléctrico se extienden directamente hacia afuera desde las cargas eléctricas positivas, y esto empuja las partículas en la dirección de las líneas de campo, o en la dirección opuesta a ellas.

Un electroimán simple muestra cómo interactuan la electricidad y el magnetismo. Jasmin Awad / EyeEm / Getty Images
El magnetismo proviene de campos magnéticos, que son generados por cargas móviles. Las partículas no responden a los campos magnéticos de la misma manera que lo hacen a los campos eléctricos. Las líneas del campo magnético forman círculos, sin principio ni fin. En respuesta a ellas, las partículas se mueven en una dirección perpendicular tanto a su movimiento como a la línea de campo. Al igual que con las fuerzas eléctricas, las partículas con carga positiva y las cargadas negativamente se mueven en direcciones opuestas.

Hasta 1820, el único magnetismo conocido era el de los imanes de hierro y el de las "piedras preciosas", imanes naturales de mineral rico en hierro. Se creía que el interior de la Tierra estaba magnetizado de la misma manera, y los científicos quedaron muy desconcertados cuando descubrieron que la dirección de la aguja de la brújula en cualquier lugar cambiaba lentamente, década por década, lo que sugiere una variación lenta del campo magnético de la Tierra. 

Un experimento temprano en electromagnetismo. El electromagnetismo es quizás la fuerza más frecuente en nuestro mundo, ya que puede afectar las cosas a una distancia razonable y con una buena cantidad de fuerza. Oxford Science Archive / Print Collector / Getty Images
Electricidad y magnetismo se mostraron como dos expresiones de una única fuerza desde que en 1865 el físico escocés James Clerk Maxwell elaboró, lo que para muchos constituyen las ecuaciones más bellas de la física. James Clerk Maxwell demostró una conexión sutil entre los dos tipos de fuerza, que inesperadamente involucraba la velocidad de la luz. De esta conexión surgió la idea de que la luz era un fenómeno eléctrico, el descubrimiento de ondas de radio, la teoría de la relatividad y una gran parte de la física actual.

Vemos el Electromagnetismo en muchas formas en la vida cotidiana y en la física. Los átomos se mantienen unidos por la fuerza de atracción electromagnética entre los protones del núcleo y los electrones que lo orbitan. Toda la biología molecular existe también debido a esta fuerza. También es responsable de la fricción, de la elasticidad, de la fuerza que mantiene unidos los sólidos en una forma dada y de la orientación de las aves en sus migraciones. Es mucho más fuerte que la gravedad. Esto lo vemos cuando ponemos un libro encima de una mesa. Lo que lo mantiene sobre ella, contrarrestando el empuje hacia el suelo de la fuerza de la gravedad, es consecuencia de que los electrones presentes en los átomos de la madera de la mesa que repelen a los electrones de los átomos del libro.

James C. Maxwell
James Clerk Maxwell fue un físico escocés mejor conocido por combinar los campos de electricidad y magnetismo para crear una teoría del campo electromagnético. Su artículo Physical Lines of Force, escrito en el transcurso de dos años (1861-1862) y finalmente publicado en varias partes, introdujo su teoría fundamental del electromagnetismo. Entre los principios de su teoría estaban (1) que las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz, y (2) que la luz existe en el mismo medio que los fenómenos eléctricos y magnéticos. Antes de la teoría unificada del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, los científicos creían que la electricidad y el magnetismo eran fuerzas separadas. 
Considerada una de las mentes científicas más grandes que el mundo haya visto jamás, al nivel de Einstein e Isaac Newton, Maxwell y sus contribuciones se extienden más allá del ámbito de la teoría electromagnética para incluir: un aclamado estudio de la dinámica de los anillos de Saturno; la captura algo accidental, aunque importante, de la primera fotografía en color; y su teoría cinética de los gases, que condujo a una ley relacionada con la distribución de las velocidades moleculares.

Aún así, los hallazgos más cruciales de su teoría electromagnética: que la luz es una onda electromagnética, que los campos eléctricos y magnéticos viajan en forma de ondas a la velocidad de la luz, que las ondas de radio pueden viajar a través del espacio, constituyen su legado más importante.

PRINCIPIOS BÁSICOS DEL ELECTROMAGNETISMO
La teoría conocida como electromagnetismo no se describió hasta que James Clerk Maxwell publicó A Treatise on Electricity and Magnetism en 1873. El trabajo de Maxwell incluyó veinte ecuaciones, que se han condensado en cuatro ecuaciones diferenciales. Los conceptos básicos representados por las ecuaciones son los siguientes:

1. Las cargas eléctricas similares se repelen, y  cargas eléctricas de distinto signo se atraen. 
La fuerza de atracción o de repulsión es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
2. Los polos magnéticos siempre existen como pares norte-sur. Los polos iguales se repelen y los de diferente signo, se atraen.
3. Una corriente eléctrica que circula por un cable, genera un campo magnético alrededor del mismo. La dirección del campo magnético (en sentido horario o antihorario) depende de la dirección de la corriente. Esta es la "regla de la mano derecha", donde la dirección del campo magnético sigue los dedos de la mano derecha si el pulgar apunta en la dirección de la corriente.
4. Mover un lazo de cable hacia o desde un campo magnético induce una corriente en el cable. La dirección de la corriente depende de la dirección del movimiento.

RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA
La radiación electromagnética es una energía autosustentable con componentes de campo eléctrico y magnético. La radiación electromagnética se conoce comúnmente como "luz", EM, EMR u ondas electromagnéticas. Las ondas se propagan a través del vacío a la velocidad de la luz. Las oscilaciones de los componentes del campo eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y en la dirección en que se mueve la onda. Las ondas se pueden caracterizar según sus longitudes de onda, frecuencias o energía.

Los paquetes o cuantos de ondas electromagnéticas se llaman fotones. Los fotones tienen una masa en reposo cero, pero tienen un impulso o una masa relativista, por lo que todavía se ven afectados por la gravedad como la materia normal. La radiación electromagnética se emite cada vez que se aceleran las partículas cargadas.

Espectro electromagnético

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
El espectro electromagnético abarca todos los tipos de radiación electromagnética. Desde la longitud de onda más larga / energía más baja hasta la longitud de onda más corta / energía más alta, el orden del espectro es radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Una manera fácil de recordar el orden del espectro es usar el mnemotécnico "Rabbits Mate In Very Inusual eXpensive Gardens".

1. Las ondas de radio son emitidas por estrellas y son generadas por el hombre para transmitir datos de audio.
2. La radiación de microondas es emitida por estrellas y galaxias. Se observa mediante radioastronomía (que incluye microondas). Los humanos lo usan para calentar alimentos y transmitir datos.
3. La radiación infrarroja es emitida por cuerpos calientes, incluidos los organismos vivos. También es emitido por el polvo y los gases entre las estrellas.
4. El espectro visible es la pequeña porción del espectro percibido por los ojos humanos. Es emitido por estrellas, lámparas y algunas reacciones químicas.
5. La radiación ultravioleta es emitida por las estrellas, incluido el Sol. Los efectos de la sobre-exposición en la salud incluyen quemaduras solares, cáncer de piel y cataratas.
6. Los gases calientes en el universo emiten rayos X. Son generados y utilizados por el hombre para el diagnóstico por imágenes.

7. El universo emite radiación gamma. Se puede aprovechar para obtener imágenes, de forma similar a cómo se usan las radiografías.

Campo magnético terrestre.

PROTECTOR DE LA TIERRA
La tierra está compuesta de dos núcleos. El interno, solidificado debido a las altas presiones y con temperaturas próximas a las de la superficie del sol (5700 º C) y el externo, formado por una mezcla de metales líquidos.  Las diferencias de temperatura, presión y composición dentro del núcleo externo causan corrientes de convección en el metal fundido a medida que la materia fría y densa se hunde mientras que la materia caliente y menos densa se eleva.

Este flujo de hierro líquido genera corrientes eléctricas, que a su vez producen campos magnéticos.  Los metales cargados que pasan por estos campos crean sus propias corrientes eléctricas, por lo que el ciclo continúa.  Este circuito autosuficiente se conoce como geodinamo y genera un vasto campo magnético que envuelve al planeta.

Este campo protege a la tierra del viento solar, una corriente de partículas energéticas cargadas que emana del Sol y es desviada por acción de dicho campo magnético. Un número menor de partículas del “viento solar” logra viajar, como en una línea de transmisión electromagnética, a la atmósfera superior de la Tierra y a la ionosfera en las regiones aurorales. El único momento en que el viento solar es observable en la Tierra es cuando es lo suficientemente intenso como para producir fenómenos tales como las auroras boreales y las tormentas geomagnéticas.

Fuentes: 
- Hunt, Bruce J. (2005). The Maxwellians
- Cornell: Cornell University Press. pp. 165–166. ISBN 978-0-8014-8234-2.
- International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. pp. 14–15.

- Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fundamentals of applied electromagnetics (6th ed.). Boston: Prentice Hall. p. 13. ISBN 978-0-13-213931-1.

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