Considere la vieja pregunta: “Si un árbol cae en un bosque y no hay nadie allí para escucharlo, ¿emite un sonido?”
Esto es análogo a la pregunta de qué efectos (si los hay) tienen las cargas y las corrientes en su entorno, en ausencia de otras cargas y corrientes para que interactúen. Resulta muy útil responder la pregunta con un decisivo “sí”, y el análogo del “sonido” es el campo electromagnético.
Retrocedamos un poco, hagamos esto un poco más concreto, y espero que vean a qué me refiero.
- ¿Cómo podemos saber que las partículas neutrales tienen espín si no interactúan con un campo magnético?
- Cuando dos ondas electromagnéticas idénticas se cancelan entre sí, ¿dónde se ha ido la energía?
- ¿Cuál es la respuesta a la pregunta que he proporcionado en la descripción debido a la gran cantidad de caracteres?
- ¿Cuál es el principio de superposición y cómo se aplica a las cargas estáticas?
- ¿Una carga colocada dentro de una esfera conductora sólida genera un campo eléctrico fuera de la esfera?
Si tenemos dos cargas estacionarias, [matemática] q_1 [/ matemática] y [matemática] q_2 [/ matemática], a una distancia [matemática] r [/ matemática] una de la otra, la Ley de Coulomb nos dice que cada una experimenta un fuerza
[matemáticas] F_E = \ frac {k q_1 q_2} {r ^ 2} [/ matemáticas]
directamente lejos uno del otro, donde [math] k [/ math] es una constante medida. (Si el valor de [math] F_E [/ math] anterior es negativo, esto implica atracción.) Esta fuerza contribuye a la fuerza neta en cada carga, que determina sus respectivas aceleraciones a través de [math] \ vec F = m \ vec a [/ matemáticas].
Pero, solo decir que “esta carga siente una fuerza de esa carga” es como decir “esta persona escuchó la caída de ese árbol”, sin reconocer que el árbol tenía que hacer algo a su alrededor para que los oídos de la persona tuvieran algo que detectar . En el caso del árbol, hay una respuesta muy concreta: el árbol que se estrella genera ondas de presión en el aire (y el suelo) circundantes, que luego se propagan y retuercen pequeños huesos en los oídos de la persona. Sin embargo, en el caso de las fuerzas eléctricas, es un poco más abstracto: decimos que las cargas eléctricas producen un campo eléctrico a su alrededor, con una carga [matemática] Q [/ matemática] que produce un campo
[matemáticas] \ vec E = \ frac {k Q} {r ^ 2} \ hat r [/ matemáticas]
donde [math] \ hat r [/ math] es un vector con longitud 1 que apunta directamente lejos de nuestra carga [math] Q [/ math]. Esto da como resultado un campo eléctrico que apunta lejos de cargas positivas y hacia cargas negativas. Si hay varias cargas alrededor, los vectores de campo eléctrico correspondientes a las contribuciones de cada carga simplemente se suman en cada ubicación.
Tenga en cuenta que, como debe ser, el campo eléctrico producido por una carga solo depende de esa carga ; no sabe mágicamente nada sobre lo que están haciendo otros cargos. Sin embargo, sabemos que las fuerzas de la Ley de Coulomb dependen de ambos cargos. Afortunadamente, esto no presenta ningún problema en absoluto: simplemente decimos que las cargas más grandes sienten mayores fuerzas cuando se colocan en el mismo campo eléctrico. Específicamente, la fuerza eléctrica en una carga [matemática] q [/ matemática] en una ubicación donde el campo eléctrico es [matemática] \ vec E [/ matemática] está dada por
[matemáticas] \ vec F_E = q \ vec E [/ matemáticas],
lo que significa que la fuerza apunta en la misma dirección que el campo eléctrico para positivo [matemático] q [/ matemático] y la dirección opuesta para negativo [matemático] q [/ matemático]. (Tenga en cuenta que, cuando combina esto con las reglas sobre en qué dirección apunta el campo eléctrico, obtiene atracción o repulsión de una manera que concuerda con la Ley de Coulomb). Combinando esta ecuación de fuerza con nuestra ecuación para [matemáticas] \ vec E [ / math] recupera la ecuación de fuerza original de Coulomb.
Entonces, eso son campos eléctricos … los campos magnéticos son un concepto similar, pero son matemáticamente más complicados, tanto en términos de cómo se producen como en términos de las fuerzas que ejercen. Sin embargo, la idea de tener algo que “media” las interacciones entre los cuerpos es la misma.
Quizás se pregunte, ¿por qué nos importa cuál sea el campo eléctrico o magnético en una ubicación sin carga ni corriente, ya que no genera ninguna fuerza? Y, si estamos buscando un lugar que tenga carga o corriente, ¿por qué no podemos usar directamente la Ley de Coulomb (o equivalentes magnéticos)?
De hecho, no es obvio que el concepto de un campo eléctrico o magnético deba ser útil, pero lo es mucho. Si desea comprender el comportamiento de sistemas más complicados, como conductores (en los que la distribución de cargas cambia espontáneamente en respuesta a su entorno), o dieléctricos (ídem), o simplemente tiene un gran número de cargas, se vuelve extremadamente útil para poder analizar el campo eléctrico (o magnético) como su propia entidad. Las herramientas de resolución de problemas como la Ley de Gauss y la Ley de Faraday solo son posibles una vez que ha definido estos campos, y toda la idea de “voltaje” en un circuito electrónico se define también en términos de estos campos.
Diablos, la luz consiste solo en campos eléctricos y magnéticos fluctuantes; Si no tuviéramos ese concepto, comprender la física de mirar un árbol implicaría un análisis de las complejas fuerzas dependientes del tiempo entre los electrones en el Sol, en el árbol y en su ojo. Ew.
Entonces, ahí lo tiene: el campo electromagnético es producido por cargas y corrientes, y las fuerzas electromagnéticas resultan de otras cargas / corrientes que están expuestas a ese campo. Son estas fuerzas las que se conectan de nuevo a la mecánica newtoniana ([matemática] F = ma [/ matemática]), pero las leyes fundamentales que rigen cómo funciona el electromagnetismo “internamente” se expresan en términos de campos.
