miniatura|Ferrofluido que se agrupa cerca de los polos de un imán poderoso.
El electromagnetismo es la rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría. El electromagnetismo describe la interacción de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos. La interacción electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo conocido.
El electromagnetismo es una rama de la física que estudia los efectos producidos por el magnetismo, lo cual surge a partir de la corriente eléctrica. Por su parte, el magnetismo es la disciplina que examina los fenómenos asociados a los imanes. Su nombre proviene de Magnesia, un distrito en Asia Menor (actual Turquía), donde se descubrieron por primera vez las piedras llamadas magnetitas, que tienen la capacidad de atraer ciertos metales.
El electromagnetismo abarca diversos fenómenos del mundo real, como por ejemplo la luz. La luz es un campo electromagnético oscilante que se irradia desde partículas cargadas aceleradas. Aparte de la gravedad, la mayoría de las fuerzas en la experiencia cotidiana son consecuencia del electromagnetismo.
Los principios del electromagnetismo encuentran aplicaciones en diversas disciplinas afines, tales como las microondas, antenas, máquinas eléctricas, comunicaciones por satélite, bioelectromagnetismo, plasmas, investigación nuclear, la fibra óptica, la interferencia y la compatibilidad electromagnéticas, la conversión de energía electromecánica, la meteorología por radar, y la observación remota. Los dispositivos electromagnéticos incluyen transformadores, relés, radio/TV, teléfonos, motores eléctricos, líneas de transmisión, guías de onda y láseres.
Los fundamentos de la teoría electromagnética fueron presentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell en 1865. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell, lo que ha sido considerada como la «segunda gran unificación de la física», siendo la primera realizada por Isaac Newton.
El estudio de los campos electromagnéticos se puede dividir en electrostática —el estudio de las interacciones entre cargas en reposo— y la electrodinámica —el estudio de las interacciones entre cargas en movimiento y la radiación—. La teoría clásica del electromagnetismo se basa en la fuerza de Lorentz y en las ecuaciones de Maxwell. Muchas propiedades ópticas y físicas de la materia también son explicados por la teoría electromagnética.
El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de estas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares. La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, que puede ser unificada con la interacción nuclear débil según el modelo electrodébil.
centro|500px|Espectro electromagnético.
Historia
Historia de la teoría thumb|140px|Hans Christian Oersted Originalmente, la electricidad y el magnetismo se consideraban dos fenómenos independientes entre sí. Este punto de vista cambió, sin embargo, con la publicación en 1873 del Tratado de electricidad y magnetismo de James Maxwell , que mostró que la interacción de cargas positivas y negativas está gobernada por una sola fuerza. Hay cuatro efectos principales, resultantes de estas interacciones, que han sido claramente demostrados por experimentos:
Las cargas eléctricas son atraídas o repelidas entre sí con una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas: las cargas diferentes se atraen, las cargas iguales se repelen. Los polos magnéticos (o estados de polarización en puntos separados) se atraen o repelen entre sí de manera similar y siempre van en pares: cada polo norte no existe por separado del polo sur. La corriente eléctrica en un cable crea un campo magnético circular alrededor del cable, dirigido (en sentido horario o antihorario) según el flujo de corriente. Se induce una corriente en el bucle del cable cuando se acerca o aleja con relación al campo magnético, o cuando el imán se acerca o aleja del bucle del cable; la dirección de la corriente depende de la dirección de estos movimientos. thumb|140px|left|André-Marie Ampere En preparación para la conferencia, la noche del 21 de abril de 1820, Hans Christian Oersted hizo una observación asombrosa. Cuando estaba compilando el material, notó que la aguja de la brújula se desviaba del polo norte magnético cuando se encendía y apagaba la corriente eléctrica de la batería que estaba usando. Esta desviación lo llevó a creer que los campos magnéticos emanan de todos los lados de un cable a través del cual fluye una corriente eléctrica, al igual que la luz y el calor se propagan en el espacio, y esa experiencia indica una conexión directa entre la electricidad y el magnetismo. thumb|140px|Michael Faraday En el momento del descubrimiento, Oersted no ofreció una explicación satisfactoria de este fenómeno y no intentó presentar el fenómeno en cálculos matemáticos. Sin embargo, tres meses después, comenzó a realizar investigaciones más intensivas. Poco después, publicó los resultados de su investigación, demostrando que una corriente eléctrica crea un campo magnético cuando fluye a través de cables. En el sistema CGS , la unidad de inducción electromagnética, Oe, recibió su nombre de su contribución al campo del electromagnetismo.
thumb|left|140px|James Clerk Maxwell Las conclusiones de Oersted llevaron a un estudio intensivo de electrodinámica por parte de la comunidad científica mundial. Las obras de Dominique François Arago también se remontan a 1820 , quien advirtió que un cable por el que fluye una corriente eléctrica atrae limaduras de hierro . También magnetizó por primera vez alambres de hierro y acero, colocándolos dentro de una bobina de alambres de cobre por donde pasaba la corriente. También logró magnetizar la aguja colocándola en una bobina y descargando la Botella de Leyden a través de la bobina. Independientemente de Arago, Davy descubrió la magnetización del acero y el hierro por la corriente . Las primeras definiciones cuantitativas de la acción de una corriente sobre un imán de la misma forma se remontan a 1820 y pertenecen a científicos franceses Jean-Baptiste Biot y Félix Savart.Electromagnetismo // Diccionario enciclopédico Brockhaus y Efron : en 86 volúmenes (82 volúmenes y 4 adicionales). - SPb. , 1890-1907. Los experimentos de Oersted también influyeron en el físico francés André-Marie Ampere , quien presentó la ley electromagnética entre un conductor y una corriente en forma matemática. El descubrimiento de Oersted también representa un paso importante hacia un concepto de campo unificado.
Esta unidad, que fue descubierta por Michael Faraday , completada por James Clerk Maxwell , y también refinada por Oliver Heaviside y Heinrich Hertz, es uno de los logros clave del siglo XIX en física matemática . Este descubrimiento tuvo implicaciones de gran alcance, una de las cuales fue comprender la naturaleza de la luz. La luz y otras ondas electromagnéticas toman la forma de fenómenos oscilatorios autopropagantes cuantificados del campo electromagnético llamados fotones. Diferentes frecuencias de vibración conducen a diferentes formas de radiación electromagnética: desde ondas de radio a bajas frecuencias, a luz visible a frecuencias medias, a rayos gamma a altas frecuencias.
Oersted no fue la única persona que descubrió la conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1802, Giovanni Domenico Romagnosi , un jurista italiano, desvió una aguja magnética con descargas electrostáticas. Pero, de hecho, la investigación de Romagnosi no utilizó una celda galvánica y no había corriente continua como tal. El informe del descubrimiento se publicó en 1802 en un periódico italiano, pero la comunidad científica apenas lo notó en ese momento.Martins, de Roberto de Andrade. Pila de Romagnosi y Volta: dificultades iniciales en la interpretación de la electricidad voltaica // Nuova Voltiana: estudios sobre Volta y su época (est.) / Fabio Bevilacqua y Lucio Fregonese (eds). - Università degli Studi di Pavia. - T. vol. 3. - S. 81-102.
Ramas
Electrostática
La electrostática es el estudio de los fenómenos asociados a los cuerpos cargados en reposo. Como describe la ley de Coulomb, estos cuerpos ejercen fuerzas entre sí. Su comportamiento se puede analizar en términos de la idea de un campo eléctrico que rodea cualquier cuerpo cargado, de manera que otro cuerpo cargado colocado dentro del campo estará sujeto a una fuerza proporcional a la magnitud de su carga y de la magnitud del campo en su ubicación. El que la fuerza sea atractiva o repulsiva depende de la polaridad de la carga. La electrostática tiene muchas aplicaciones, que van desde el análisis de fenómenos como tormentas eléctricas hasta el estudio del comportamiento de los tubos electrónicos.miniatura|Un electroscopio usado para medir la carga eléctrica de un objeto. Cuando hablamos de electrostática nos referimos a los fenómenos que ocurren debido a una propiedad intrínseca y discreta de la materia, la carga, cuando es estacionaria o no depende del tiempo. La unidad de carga elemental, es decir, la más pequeña observable, es la carga que tiene el electrón. Se dice que un cuerpo está cargado eléctricamente cuando tiene exceso o falta de electrones en los átomos que lo componen. Por definición el defecto de electrones se la denomina carga positiva y al exceso carga negativa. La relación entre los dos tipos de carga es de atracción cuando son diferentes y de repulsión cuando son iguales.
La carga elemental es una unidad muy pequeña para cálculos prácticos, por eso en el Sistema Internacional la unidad de carga eléctrica, el culombio, se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica.
que equivale a la carga de 6,25 x 1018 electrones. El movimiento de electrones por un conductor se denomina corriente eléctrica y la cantidad de carga eléctrica que pasa por unidad de tiempo se define como la intensidad de corriente. Se pueden introducir más conceptos como el de diferencia de potencial o el de resistencia, que nos conducirían ineludiblemente al área de circuitos eléctricos, y todo eso se puede ver con más detalle en el artículo principal.
El nombre de la unidad de carga se debe a Coulomb, quien en 1785 llegó a una relación matemática de la fuerza eléctrica entre cargas puntuales, que ahora se la conoce como ley de Coulomb:
Entre dos cargas puntuales y existe una fuerza de atracción o repulsión que varía de acuerdo con el cuadrado de la distancia entre ellas y de dirección radial ; y es una constante conocida como permitividad eléctrica.