¿Por qué una corriente eléctrica que viaja en una dirección lineal siempre crea una corriente magnética en el sentido de las agujas del reloj?

Lo creas o no, esto realmente es una cuestión de convención. Debe recordar que los campos no son directamente observables. No puede ver la dirección en la que viajan las líneas de campo magnético. Podría definir un nuevo campo llamado [math] \ mathbf {C} [/ math] que satisface las siguientes propiedades:

[matemáticas] \ nabla \ cdot \ mathbf {C} = 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] (- \ nabla \ veces) \ mathbf {C} = \ mu_0 \ mathbf {J} + \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial \ mathbf {E}} {\ partial t} [/ math]
[matemáticas] (- \ nabla \ veces) \ mathbf {E} = – \ frac {\ partial \ mathbf {C}} {\ partial t} [/ math]
[math] \ mathbf {F} = q (\ mathbf {E} + \ mathbf {C} \ times \ mathbf {v}) [/ math]

Y podría llamar a [math] \ mathbf {C} [/ math] el campo magnético, en lugar de [math] \ mathbf {B} [/ math]. No es difícil ver que [math] \ mathbf {C} [/ math] es realmente el mismo campo que [math] \ mathbf {B} [/ math], excepto con su dirección invertida. También reemplacé [math] \ nabla \ times [/ math], el operador de rizo, con su negativo, porque cuando tomas el rizo, también usas la regla de la mano derecha y, por lo tanto, introduces un signo convencional arbitrario. Si usáramos esta convención, estaríamos preguntando, “¿Cuál es el mecanismo que hace que el campo circule en sentido antihorario ?” Pero nada en la física habría cambiado: dos cables que transportan corrientes paralelas aún se atraerían magnéticamente, y dos cables que transportan corrientes antiparalelas aún se repelerían magnéticamente. Eso significa que realmente es una convención, y no hay ningún mecanismo físico involucrado.

La forma más fácil de ver esto directamente es trabajar con el potencial del vector magnético [math] \ mathbf {A} [/ math], en lugar del campo magnético. En el medidor de Coulomb en magnetostática, para un cable recto largo, el potencial del vector magnético apunta en la misma dirección que la corriente; no hay “en sentido horario” o “en sentido antihorario”; Es perfectamente simétrico. Si te sientes aventurero, también puedes intentar imaginar el campo magnético como una derivada exterior de dos formas del potencial del vector magnético. Me imagino una de dos formas como un montón de pequeños círculos orientados en el espacio, uno en cada punto (como cómo un campo vectorial es una flecha en cada punto). Estos círculos, en este caso, son paralelos al cable y se curvan en la misma dirección que el cable del lado más cercano. Una vez más, no hay una elección arbitraria, aparentemente asimétrica, de una dirección en sentido horario / antihorario.

Como ya se dijo, la dirección es una cuestión de convención. Los signos dependen de lo que definimos como flujo de corriente, y la dirección del campo magnético depende de las ecuaciones de Maxwell. La razón física por la que podrías estar mirando es lo que señaló Brian. Esos pequeños círculos orientados.

La razón de esos círculos es el hecho de que no hay monopolos magnéticos, solo dipolos magnéticos, por lo que el campo generado por ellos debe circular dentro de sí mismo sin importar qué tan lejos el observador se aleje o se acerque. El resultado general es la suma de estos dipolos en función de lo bien orientados o desorientados que estén.

De hecho, es una elección arbitraria, tanto por los físicos (porque la corriente positiva se define arbitrariamente y opuesta al flujo de electrones) como por los matemáticos (el producto cruzado obedece la regla de la mano derecha, pero podría definirse con una regla de la mano izquierda).

Cualquiera que sea la elección que haga, se doblará en una dirección o en su opuesto; y 1 es lo mismo que (-1) * (- 1).

Debido a que este fenómeno natural siempre ocurre de la misma manera, es decir, se repite, elegimos una forma de describirlo y así definimos las direcciones. Todos están de acuerdo con esto, así que todos están felices.

Bueno, siguiendo los principios generales, probablemente no pueda elegir una dirección aleatoria cada vez, eso estropearía todo lo electromagnético, incluida la luz, por lo que cualquier universo como ese probablemente estaría realmente en mal estado.

Por lo tanto, tiene que ser consistente si cosas como la luz y la radiación EM van a propagarse en una dirección definida. Por lo tanto, podría deberse al principio antrópico: si no funcionara de esa manera, o al contrario, no estaríamos aquí para reflexionar sobre ello.

Es mejor aceptar que la regla de la mano derecha funciona bien y de manera consistente.