¿Qué es la fuerza electromagnética?

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May 31, 2023

¿Qué es la fuerza electromagnética?

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Jonathan Pie/Unsplash

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La fuerza electromagnética es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza y es fácilmente la más importante para nuestro mundo moderno, incluso cuando la mayoría de nosotros probablemente la damos por sentada.

Como una de las cuatro fuerzas fundamentales en el modelo estándar, ha estado en el centro del estudio científico durante siglos, e incluso los antiguos entendieron que efectos como la electricidad estática eran parte de algo más grande. Es una fuerza que nos rodea y está involucrada en una amplia gama de fenómenos cotidianos, desde el movimiento de los electrones en los cables hasta el comportamiento de los imanes y la misma luz que vemos. Comprender las propiedades de esta fuerza es crucial para comprender todo, desde el comportamiento de las partículas subatómicas hasta el diseño de dispositivos electrónicos.

Desde las partículas subatómicas más pequeñas hasta las estructuras más grandes del universo, la fuerza electromagnética juega un papel vital en la configuración del mundo que nos rodea. Al comprender esta fuerza más profundamente, podemos obtener información sobre el comportamiento de la materia y la energía que puede ayudarnos a comprender mejor el mundo y desarrollar nuevas tecnologías que puedan beneficiarnos a todos.

La fuerza electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y la gravedad. Es responsable de la interacción entre partículas cargadas eléctricamente, como protones, electrones e iones.

La importancia de la fuerza electromagnética en la física no puede subestimarse porque desempeña un papel en prácticamente todos los fenómenos que observamos en el mundo que nos rodea. Es responsable del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, que están presentes en todo, desde la caída de rayos hasta el funcionamiento de motores y generadores.

Además, la fuerza electromagnética es responsable del comportamiento de la luz y otras formas de radiación electromagnética, como las ondas de radio, las microondas y los rayos X.

A nivel subatómico, la fuerza electromagnética es responsable del comportamiento de las partículas cargadas dentro de los átomos y moléculas. Esta fuerza determina la estructura de los átomos y las propiedades químicas de los elementos, lo que permite la formación de enlaces químicos que mantienen unidas a las moléculas.

Sin la fuerza electromagnética, sería imposible que se formaran moléculas, y la química compleja que es necesaria para la vida tal como la conocemos no sería posible.

Una de las aplicaciones más significativas de la fuerza electromagnética es la electrónica y la tecnología de las comunicaciones. Mediante la manipulación de campos eléctricos y magnéticos, podemos crear y controlar el flujo de electrones, lo que nos permite crear circuitos y dispositivos que realizan cálculos complejos y transmiten información a largas distancias. Desde teléfonos celulares hasta satélites, la fuerza electromagnética juega un papel vital en nuestra infraestructura tecnológica moderna.

La fuerza electromagnética también juega un papel crucial en muchas otras áreas de la física, incluida la física de partículas, la astrofísica y la cosmología. Es responsable del comportamiento de las partículas cargadas en presencia de campos magnéticos, lo cual es importante para comprender fenómenos como la aurora boreal y para el estudio de partículas de alta energía en aceleradores de partículas.

En resumen, está prácticamente en todas partes y está involucrado, de alguna manera, en casi todo lo que hacemos.

Fermilab

La evidencia de la fuerza electromagnética es vasta y se ha acumulado durante siglos de investigación científica. Algunas de las primeras evidencias de la fuerza electromagnética se remontan a los antiguos griegos, quienes observaron que frotar ciertos materiales podría crear electricidad estática.

Esta observación fue posteriormente estudiada y ampliada por científicos como Benjamin Franklin, quien realizó experimentos con cargas eléctricas y creó el concepto de cargas positivas y negativas.

Otra prueba clave de la fuerza electromagnética es el comportamiento de las partículas cargadas en presencia de un campo eléctrico o magnético. Por ejemplo, las partículas cargadas eléctricamente pueden ser aceleradas por un campo eléctrico, mientras que las partículas cargadas magnéticamente (es decir, aquellas con un momento magnético) pueden ser desviadas por un campo magnético. El comportamiento de estas partículas es consistente con las predicciones de la teoría electromagnética.

Además, la fuerza electromagnética se ha observado y estudiado directamente a través de experimentos que involucran electromagnetismo, como el uso de campos magnéticos en aceleradores de partículas para estudiar el comportamiento de partículas subatómicas. La fuerza electromagnética también es responsable del fenómeno de la radiación electromagnética, incluida la luz visible, los rayos X y las ondas de radio, que se pueden observar y medir a través de una variedad de métodos experimentales.

Institución Real de Londres

Es imposible decir quién "descubrió" la fuerza electromagnética, ya que es una fuerza fundamental que siempre ha existido, muy obviamente, en la naturaleza.

Sin embargo, el estudio de la electricidad y el magnetismo, que son los dos fenómenos que componen la fuerza electromagnética, se remonta a la antigüedad. Los antiguos griegos conocían la electricidad estática y el ejército chino ya usaba brújulas magnéticas en el siglo III d.C.

La aclaración más "moderna" de la fuerza electromagnética se atribuye a varios científicos a lo largo de la historia, pero uno de los primeros científicos modernos en asociarse realmente con ella es William Gilbert. Gilbert, médico y filósofo natural inglés del siglo XVI, realizó una extensa investigación sobre el magnetismo y la electricidad y fue el primero en utilizar los términos "fuerza eléctrica", "atracción eléctrica" ​​y "polo magnético" para describir el fenómeno de la atracción entre electrificados. cuerpos.

En el siglo XVIII, Charles-Augustin de Coulomb, un físico francés, formuló la ley de Coulomb, que describe la interacción electrostática entre partículas cargadas eléctricamente. También fue el primero en reconocer que la intensidad de la fuerza electromagnética entre dos cargas es proporcional al producto de sus respectivas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Y aunque los mitos populares en los EE. UU. marcan a Benjamin Franklin como el "descubridor" de la electricidad (o al menos su asociación con los rayos), este no es realmente el caso. La conexión entre los rayos y la electricidad se había discutido mucho antes del experimento de la cometa de Franklin, pero lo que más le interesaba a Franklin era cómo proteger las casas de madera para que no se incendiaran por la caída de un rayo. Su experimento con la cometa usando una llave de metal como conductor fue más para desarrollar una forma temprana de pararrayos para canalizar la electricidad de los rayos lejos de las estructuras de madera de la época.

Otro gran contribuyente a nuestra comprensión de la fuerza electromagnética fue el físico británico Michael Faraday, quien descubrió la inducción electromagnética, la innovación clave que ayuda a impulsar motores y generadores eléctricos.

Muchos más científicos contribuyeron a la comprensión incremental de la fuerza electromagnética hasta el día de hoy, siendo Albert Einstein y Richard Feynman dos de los mayores contribuyentes durante el siglo XX.

PiccoloNamek / Wikimedia Commons

La electricidad se refiere al flujo de carga eléctrica, generalmente a través de un conductor como un cable. El movimiento de la carga eléctrica crea un campo magnético y la interacción entre las cargas eléctricas y los campos magnéticos da lugar a la fuerza electromagnética.

La fuerza electromagnética es una fuerza fundamental de la naturaleza que describe las interacciones entre partículas cargadas eléctricamente como electrones y protones, así como el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos.

En esencia, la electricidad es un fenómeno que surge del movimiento de la carga eléctrica, mientras que la fuerza electromagnética es una fuerza fundamental que describe las interacciones entre partículas cargadas eléctricamente. Si bien los dos están íntimamente relacionados, la electricidad y la fuerza electromagnética son dos cosas diferentes y no deben considerarse sinónimos.

D-Cuervo / Wikimedia Commons

Al igual que la electricidad y la fuerza electromagnética son conceptos separados pero relacionados, la radiación electromagnética está profundamente ligada a la fuerza electromagnética, pero no es lo mismo.

La fuerza electromagnética surge de la interacción entre partículas cargadas eléctricamente. Puede ser tanto atractivo como repulsivo, y es responsable de una amplia gama de fenómenos, desde el comportamiento de los átomos y moléculas hasta las propiedades de los materiales y el funcionamiento de los dispositivos electrónicos.

Por otro lado, la radiación electromagnética se refiere a las ondas o partículas de energía que se producen por el movimiento de partículas cargadas eléctricamente. Los ejemplos de radiación electromagnética incluyen ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La radiación electromagnética se caracteriza por su longitud de onda o frecuencia y su amplitud, y puede tener una amplia gama de efectos sobre la materia, incluidos el calentamiento, la ionización y las reacciones químicas.

Por lo tanto, es mejor pensar en la radiación electromagnética como una consecuencia de la fuerza electromagnética en acción, específicamente las ondas o partículas de energía producidas por el movimiento de las partículas cargadas bajo la influencia de la fuerza electromagnética.

La fuerza electromagnética es transmitida por partículas llamadas fotones.

Los fotones son partículas elementales que no tienen carga eléctrica, masa en reposo y viajan a la velocidad de la luz en el vacío.

Los fotones se producen cuando una partícula cargada eléctricamente, como un electrón, pasa de un nivel de energía más alto a un nivel de energía más bajo. Este proceso se llama emisión de fotones. Por el contrario, los fotones pueden ser absorbidos por partículas cargadas, lo que hace que experimenten una transición a un nivel de energía más alto.

A menudo se las denomina "partículas de luz" porque son responsables de transportar la radiación electromagnética, incluida la luz visible, las ondas de radio y los rayos X. Más que nada, es el portador de una fuerza fundamental que podemos 'ver' claramente, ya que los fotones son la razón por la que podemos ver en primer lugar.

Los fotones también juegan un papel crucial en una amplia gama de fenómenos, incluida la fotosíntesis y la generación de energía eléctrica en las células solares. Sus propiedades únicas también han permitido a los científicos desarrollar una comprensión más profunda de la naturaleza de la luz y el comportamiento de la materia a nivel cuántico.

La fuerza de la fuerza electromagnética le da un impacto descomunal en el mundo cotidiano, ya que domina absolutamente la gravedad y las fuerzas nucleares débil y fuerte.

Esto también tiene mucho que ver con una característica clave de la fuerza electromagnética, que es que su influencia puede atravesar distancias muy largas, a diferencia de las fuerzas nucleares fuerte y débil, que solo pueden ejercer influencia a escalas subatómicas.

Sin embargo, esto no significa que la fuerza electromagnética no sea fuerte en la escala cuántica.

La fuerza de la fuerza electromagnética está determinada por la constante de acoplamiento, que es una medida de la fuerza de la interacción entre partículas cargadas. El valor de la constante de acoplamiento es de aproximadamente 1/137, lo que hace que la fuerza electromagnética sea mucho más fuerte que las fuerzas nucleares débil y fuerte en las energías cotidianas.

Sin embargo, las cosas se vuelven mucho más borrosas a energías muy altas, como las que se encuentran en los aceleradores de partículas y en el universo primitivo. En estas circunstancias, la fuerza de la fuerza electromagnética puede ser comparable a las fuerzas nucleares débil y fuerte, y en energías especialmente altas, la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares débiles se entrelazan tan estrechamente que se convierten en una sola fuerza electrodébil.

Y a estas energías, la fuerza electromagnética puede interactuar con las partículas de maneras que no se observan a energías más bajas, lo que hace que los experimentos de alta energía sean especialmente útiles para probar los límites y las capacidades de la fuerza electromagnética.

Equipo científico de la NASA/WMAP

Se cree que la fuerza electromagnética se originó durante las primeras etapas del universo, justo después del Big Bang. En ese momento, el universo era extremadamente caliente y denso, y sus partículas se encontraban en un estado de alta energía e intensa actividad.

Los cosmólogos creen que la fuerza electromagnética surgió de una fuerza unificada conocida como fuerza electrodébil. Esta fuerza era una combinación de la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil, que es responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva.

A medida que el universo se enfrió y se expandió, la fuerza electrodébil experimentó un proceso conocido como ruptura de simetría, lo que provocó que se dividiera en dos fuerzas distintas: la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil.

Este proceso ocurrió unos 10-10 segundos después del Big Bang, cuando la temperatura del universo cayó por debajo de un umbral crítico conocido como escala electrodébil, que se estima en alrededor de 100 mil millones de electronvoltios (GeV). En cuanto a la temperatura, esto sería alrededor de 1015 Kelvin.

tesis / iStock

La fuerza electromagnética no impregna absolutamente nuestras vidas tecnológicamente, pero se está acercando bastante.

Desde el principio, si vive en una región electrificada del mundo, la fuerza electromagnética jugará un papel clave en casi todo en su vida, desde los semáforos hasta el teléfono en su bolsillo y la señal de radio a través de la cual se comunica. y la televisión que ves.

Todo se reduce a la generación de electricidad, y esto se debe fundamentalmente a que aprovechamos la fuerza electromagnética para impulsar la industria. La generación de electricidad es el proceso mediante el cual un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica en un conductor, como una bobina de alambre, que luego puede transmitirse por cable o incluso de forma inalámbrica a donde se necesita.

El comportamiento de los electrones, que son partículas cargadas negativamente, está gobernado por la fuerza electromagnética. Esta es la base de la electrónica, incluidas las computadoras, los televisores y los teléfonos inteligentes. La fuerza electromagnética también es responsable de las interacciones entre los electrones en los circuitos y la transmisión de señales a través de cables y redes inalámbricas.

Los motores y generadores eléctricos también dependen de la fuerza electromagnética. Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un cable, crea un campo magnético que interactúa con otros campos magnéticos de una manera que puede producir movimiento en los motores eléctricos, que pueden usarse para transportar carga pesada o personas o acoplarse a alguna otra herramienta para producir trabajo. .

En medicina, la resonancia magnética nuclear (RMN) utiliza la fuerza electromagnética para crear imágenes detalladas del cuerpo humano. Funciona mediante el uso de un campo magnético muy fuerte y ondas de radio para manipular el giro de los protones en los tejidos del cuerpo, que luego son detectados por sensores para crear una imagen.

Finalmente, la fuerza electromagnética es esencial para toda nuestra infraestructura de comunicación moderna, incluida la radio, los teléfonos móviles e Internet. Estas tecnologías se basan en la transmisión de ondas electromagnéticas a través del aire para enviar y recibir información.

Toda la materia del universo, incluidos los átomos que componen todo lo que vemos y experimentamos, depende de la fuerza electromagnética para mantener su estructura y propiedades. Sin la fuerza electromagnética, la materia ya no podría mantenerse unida y el universo tal como lo conocemos dejaría de existir.

Los enlaces químicos entre los átomos, como los del agua, las proteínas y el ADN, son creados y mantenidos unidos por la fuerza electromagnética. Sin esta fuerza, estos enlaces se romperían y las moléculas se desmoronarían en sus átomos constituyentes. Se perdería la estructura y estabilidad de todos los sólidos, líquidos y gases, y el mundo tal como lo conocemos se convertiría en una mezcla amorfa y caótica de partículas.

Además de su papel crucial en la estructura de la materia, la fuerza electromagnética también juega un papel clave en muchos fenómenos naturales. Por ejemplo, la fuerza electromagnética es responsable del comportamiento de la luz y otras formas de radiación electromagnética, y es esencial para el funcionamiento de la electrónica y otros dispositivos tecnológicos.

Sin la fuerza electromagnética, el universo sería un lugar muy diferente e irreconocible, y la vida tal como la conocemos sería imposible.

Si bien la fuerza electromagnética es bien conocida y juega un papel fundamental en el comportamiento de la materia, aún quedan algunas preguntas abiertas en física relacionadas con sus propiedades e interacciones.

Una de las mayores preguntas abiertas en física es cómo reconciliar la fuerza electromagnética con la gravedad, que es otra fuerza fundamental que gobierna el comportamiento de la materia a mayor escala. Si bien se ha demostrado que las otras dos fuerzas fundamentales, las fuerzas nucleares fuerte y débil, se fusionan en una sola fuerza electrodébil a las altas energías presentes inmediatamente después del Big Bang, los intentos de unificar esto con la gravedad hasta ahora no han tenido éxito.

Otro tema sin resolver es el de la materia oscura. Los científicos creen que hay mucha más materia en el universo de la que puede explicarse por la materia visible observada. Se cree que esta "materia oscura" interactúa débilmente con la materia normal y, a menudo, se considera un candidato principal para una nueva física más allá del modelo estándar. No está claro si la fuerza electromagnética interactuaría con la materia oscura de alguna manera, ya que hasta el momento no se ha observado ninguna interacción.

Más prácticamente, a energías muy altas como las que se encuentran en los aceleradores de partículas, la fuerza electromagnética puede exhibir comportamientos inesperados que no se comprenden bien. Otro problema sin resolver es la teoría de la electrodinámica cuántica (QED), que describe el comportamiento de la fuerza electromagnética con notable precisión, pero aún tiene algunos efectos sutiles que son difíciles de comprender y calcular por completo.

Uno de esos efectos es el Lamb shift, que se refiere a una pequeña desviación en los niveles de energía de los átomos de hidrógeno causada por la interacción entre el electrón y el campo electromagnético.

En general, aunque la fuerza electromagnética se encuentra entre las más conocidas de las cuatro fuerzas fundamentales, aún promete más secretos por descubrir y explorar. Y dada la importancia de la fuerza electromagnética en la potencia de gran parte de nuestra tecnología moderna, hay muchas razones para esperar que nuevos descubrimientos nos lleven aún más lejos de lo que creíamos posible.