INTRODUCCIÓN AL ELECTROMAGNETISMO

La carga eléctrica se encuentra en todos los objetos y sustancias existentes en el Universo. La mayor parte de las propiedades de las cosas se deben a la electricidad, empezando por el estado físico, pues la fuerza más importante que determina si algo es sólido, líquido o gaseoso a una temperatura dada- es la fuerza entre las cargas eléctricas de los átomos que lo forman. Son muchas las propiedades de la materia que dependen de la electricidad, como la dureza, la elasticidad de los sólidos, la tensión superficial de los líquidos y muchas más. La ciencia que estudia las leyes básicas de los fenómenos producidos por la carga eléctrica es el electromagnetismo.

Lo primero que se necesita conocer, para aprender electromagnetismo (e-m) es la electrostática, que es la rama en la que las cargas eléctricas no se mueven. Su ley fundamental es la de Coulomb, que dice que la fuerza entre los objetos con carga eléctrica no equilibrada es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre dichos objetos cargados (es decir, si aumenta la separación disminuye la intensidad de la fuerza y además esta disminución es más rápida que el aumento de la distancia, porque ocurre al cuadrado de ésta).

   

De la ley de Coulomb se deriva la de Gauss, que es más fundamental que la anterior porque usa el concepto de campo eléctrico mientras que la de Coulomb se basa en el concepto de fuerza. La ley de Gauss es conocida como primera ecuación de Maxwell.Los conceptos más importantes de la electrostática, además del de la carga eléctrica y el de campo eléctrico, son la energía potencial eléctrica y la diferencia de potencial eléctrico o voltaje.

Para simplificar el estudio del e-m, en seguida de la electrostática se acostumbra enseñar la “magnetostática”, basada en los efectos producidos por los imanes permanentes, siguiendo un paralelismo con la electrostática, pero siempre debe tenerse presente que no existen “cargas magnéticas”, sino que el magnetismo es un fenómeno producido cuando hay movimiento relativo entre una carga eléctrica y un observador que detecta ese magnetismo, es decir, es un efecto relativista de la carga eléctrica. Por este hecho, el magnetismo es un producto más de la carga eléctrica: originado cuando a la carga se le suma el movimiento. A la expresión matemática de que no existen cargas magnéticas se le conoce como la segunda ecuación de Maxwell.

Cuando existen cargas eléctricas libres, en posibilidad de moverse, dentro de un campo eléctrico, se produce la corriente eléctrica, ya sea en el interior de un alambre conductor o en el vacío, como es el caso dentro de un cinescopio de televisión, donde electrones libres son acelerados para que choquen contra la pantalla. A la rama del electromagnetismo que estudia las corrientes eléctricas se le llama teoría de circuitos y tiene muchas aplicaciones prácticas en las instalaciones eléctricas y los aparatos electrónicos. La ley fundamental de la teoría de circuitos es la de Ohm.

Para comprender el electromagnetismo es fundamental comprender un fenómeno descubierto primero por Oersted y estudiado después por muchos científicos, entre los que sobresale Ampère. Este fenómeno es el de que las cargas eléctricas en movimiento –corriente eléctrica- producen magnetismo. Este resultado de que toda corriente eléctrica produce magnetismo es lo que podemos llamar la tercera ley del e-m; a esto se le conoce como la ley de Ampère y permite calcular la intensidad del campo magnético producido por una corriente cuando la forma del conductor eléctrico tiene un alto grado de simetría. Como veremos un poco más adelante, la ley de Ampére se debe complementar con otra parte para formar la última ecuación de Maxwell.

Los imanes permanentes obtienen sus propiedades de las corriente eléctricas atómicas, organizadas en un gran conjunto, como lo esclarece la mecánica cuántica.

La cuarta ley del e-m es más profunda y sorprendente que las anteriores, pues explica que se puede crear un campo eléctrico sin recurrir a una carga inmóvil, sino haciendo cambiar el campo magnético que exista en alguna región del espacio; mientras se mantenga el cambio del campo magnético se estará produciendo el nuevo campo eléctrico. Esta es la ley de inducción de Faraday, porque su descubridor fue este científico inglés y porque al campo eléctrico creado con el cambio del campo magnético se le acostumbra llamar “campo eléctrico inducido”; a este campo también se le puede llamar “campo eléctrico de Faraday”, para subrayar su diferencia con el campo estático de Coulomb. El de Coulomb es inmóvil, mientras que el de Faraday es dinámico, fugaz y transitorio; el de Coulomb es divergente (sus líneas son abiertas, originándose en las cargas positivas y terminando en las cargas negativas) y el de Faraday es solenoidal o con líneas cerradas; el primero es conservativo y el segundo no. Lo que ambos tienen en común es que si son aplicados a una carga eléctrica le producen una fuerza.

La ley de Faraday tiene una extraordinaria importancia en la transformación de energía mecánica (movimiento) en energía eléctrica (voltaje), en la plantas termoeléctricas o hidroeléctricas, así como en la transmisión y uso de la energía eléctrica. Esta ley constituye la tercera ecuación de Maxwell.

La última de las leyes básicas del e-m fue una predicción genial de Maxwell, quien anticipó que así como el campo magnético que cambia produce un campo eléctrico, debería suceder que mientras esté ocurriendo un cambio en el campo eléctrico se debería estar creando un campo magnético. Puesto que esta ley establece un nuevo procedimiento para crear campo magnético, adicional al de las corrientes eléctricas formulado por la ley de Ampère, se acostumbra expresarla como un nuevo término agregado a la tercera ley; es costumbre llamarla ley de Ampère-Maxwell aunque en realidad contiene dos leyes. Esta ley doble constituye la cuarta ecuación de Maxwell. El campo magnético creado por los dos procedimientos: por corrientes eléctricas y por cambios en la intensidad del campo eléctrico (a estos cambios se les acostumbra llamar corriente de desplazamiento, aunque este nombre en realidad es poco afortunado) es, por supuesto, el mismo. Conviene comentar que para que sea detectable el campo magnético creado por el cambio del campo eléctrico, éste cambio debe ser extraordinariamente rápido, con una frecuencia comparable a la de las oscilaciones de la luz; esta circunstancia dificultó mucho, en su tiempo, su producción artificial, lo cual demoró la comprobación –realizada en 1892 por Hertz- de la predicción de Maxwell.

De esta manera, cinco leyes fundamentales, expresadas como cuatro ecuaciones diferenciales, son el cimiento del electromagnetismo.

El mismo Maxwell hizo también la predicción teórica de que si se produce un campo magnético variable –oscilando una carga eléctrica en una antena, por ejemplo- éste generará un campo eléctrico, también variable, el cual producirá otra vez campo magnético y éste, por su parte, creará campo eléctrico, etc., etc., produciéndose así unas perturbaciones eléctricas y magnéticas sucesivas, formándose una onda autosostenida, capaz de viajar en el espacio vacío, como el existente entre las estrellas. Esta predicción también resultó correcta. Así se crearon artificialmente las ondas de radio –conocidas como herzianas, en honor a su descubridor- y se pudo esclarecer que la luz es del mismo tipo, constituyendo, por lo tanto, un fenómeno eléctrico más, producto, por supuesto, también de la carga eléctrica.

M. en C.  Zoilo Ramírez Maldonado
              Asesor disciplinario