Campos y fuerzas
Comience con la ley de Coulomb, los campos eléctricos, la ley de Gauss y los circuitos simples (ley de Ohm, reglas de Kirchhoff).
Electromagnetismo
Las ecuaciones de Maxwell, los campos eléctricos y magnéticos, las ondas electromagnéticas y los circuitos: la física que subyace a toda la tecnología moderna.
Descripción general
El electromagnetismo es la rama de la física que describe los campos eléctricos y magnéticos, sus interacciones con la materia y las ondas electromagnéticas que incluyen la luz, la radio y los rayos X. James Clerk Maxwell unificó la electricidad, el magnetismo y la óptica en cuatro ecuaciones compactas en la década de 1860, uno de los mayores logros en la historia de la ciencia.
El campo se divide en electrostática (cargas estacionarias), magnetostática (corrientes constantes), electrodinámica (campos variables en el tiempo) y el estudio de ondas electromagnéticas y sus interacciones con la materia.
Conceptos básicos
Campos eléctricos y ley de Coulomb
La ley de Coulomb describe la fuerza entre dos cargas puntuales estacionarias: F = kq₁q₂/r². El campo eléctrico E = F/q cuantifica la fuerza por unidad de carga en cualquier punto del espacio, visualizado como líneas de campo que apuntan en dirección opuesta a las cargas positivas y hacia las cargas negativas. La ley de Gauss relaciona el flujo eléctrico total a través de una superficie cerrada con la carga encerrada.
Campos magnéticos y la fuerza de Lorentz
Las cargas en movimiento generan campos magnéticos, descritos por la ley de Biot-Savart y la ley de Ampère. La ley de fuerza de Lorentz F = q(E + v × B) da la fuerza electromagnética total sobre una carga que se mueve en campos eléctricos y magnéticos combinados. Los monopolos magnéticos no existen: las líneas de campo siempre forman bucles cerrados.
Ecuaciones de Maxwell
Las cuatro ecuaciones de Maxwell son la descripción clásica completa del electromagnetismo:
- Ley de Gauss: ∇·E = ρ/ε₀ — los campos eléctricos divergen de las cargas
- Ley de Gauss para el magnetismo: ∇·B = 0 — sin monopolos magnéticos
- Ley de Faraday: ∇×E = −∂B/∂t — cambiar B induce E
- Ley de Ampère-Maxwell: ∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t — las corrientes y el cambio de E producen B
Al tomar la curvatura de los dos últimos se obtiene la ecuación de la onda electromagnética, que predice ondas que viajan a c = 1/√(μ₀ε₀) ≈ 3×10⁸ m/s, la velocidad de la luz.
Inducción electromagnética
Ley de Faraday: un flujo magnético cambiante induce un campo electromagnético. La ley de Lenz especifica su dirección: oponerse al cambio que la provocó. Este es el principio detrás de generadores, transformadores y carga inductiva. La autoinductancia describe cómo una bobina se opone a los cambios en su propia corriente.
Rutas de aprendizaje
Inducción y Circuitos
Cubre las leyes de Faraday y Lenz, la inductancia, la capacitancia, los circuitos de CA y el oscilador LC.
La teoría de Maxwell
Domina las ecuaciones de Maxwell en forma diferencial, las ondas electromagnéticas y la conexión con la relatividad especial.
Artículos clave
Ecuaciones de Maxwell
Una derivación completa e interpretación física de las cuatro ecuaciones de Maxwell.
Leer →El efecto fotoeléctrico
La explicación de Einstein que lanzó la teoría cuántica: la luz como fotones.
Leer →El efecto Aharonov-Bohm
Cómo los potenciales electromagnéticos afectan las fases cuánticas incluso cuando los campos son cero.
Leer →El efecto Faraday
Los campos magnéticos rotan la polarización de la luz, un vínculo profundo entre los EM y la óptica.
Leer →El efecto Kerr
Cómo los campos eléctricos alteran el índice de refracción de un medio.
Leer →La frecuencia plasmática
Cómo responden los electrones libres en un plasma a las ondas electromagnéticas.
Leer →Calculadoras relacionadas
Preguntas frecuentes
¿Qué describen las ecuaciones de Maxwell?
Cómo los campos eléctricos y magnéticos son generados por cargas y corrientes, cómo interactúan y cómo los campos cambiantes se producen entre sí, prediciendo la luz como una onda electromagnética.
¿Cuál es la diferencia entre potencial eléctrico y campo eléctrico?
E es un vector de fuerza por unidad de carga; V es una energía potencial escalar por unidad de carga. Se relacionan mediante E = −∇V.
¿Por qué un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico?
Ley de inducción de Faraday: el cambio del flujo magnético induce un EMF. Esto impulsa generadores, transformadores y carga inalámbrica.
¿Qué es una onda electromagnética?
Una oscilación acoplada de los campos E y B que se propagan en c ≈ 3×10⁸ m/s. Toda la luz (radio, visible, rayos X) es radiación electromagnética.