La relación entre electricidad y magnetismo

La electricidad y el magnetismo son fenómenos naturales independientes pero que al interactuar generan una fuerza llamada fuerza electromagnética y constituyen el electromagnetismo, disciplina de la física fundamental en el estudio de diversos fenómenos de la naturaleza. Junto a la fuerza gravitatoria, las fuerzas electromagnéticas explican los fenómenos macroscópicos de la vida cotidiana. Son responsables, por ejemplo, de las interacciones entre los átomos para formar moléculas y compuestos. Otras fuerzas fundamentales de la naturaleza son las fuerzas nucleares, la débil y la fuerte, que gobiernan la desintegración radioactiva y la formación de núcleos atómicos.

La electricidad y el magnetismo son fenómenos fundamentales para entender el mundo que nos rodea; veamos a continuación una descripción básica de cada uno de ellos.

La electricidad

La electricidad es un fenómeno que se origina en cargas eléctricas estacionarias o en movimiento. Estas cargas eléctricas puede estar asociadas a una partícula elemental, a un electrón (que tiene una carga negativa), a un protón (que tiene una carga positiva), a un ion o a cualquier cuerpo que tenga un desequilibrio de cargas positivas y negativas, teniendo así una carga eléctrica neta. Las cargas positivas y negativas se atraen entre sí (por ejemplo, los protones son atraídos por los electrones), mientras que las cargas del mismo signo se repelen (por ejemplo, los protones repelen a otros protones y los electrones repelen a otros electrones). 

Entre los ejemplos de electricidad que podemos encontrar en nuestra vida cotidiana están los rayos que se producen durante una tormenta, la corriente eléctrica de un enchufe o de una batería, y la electricidad estática. Las unidades de los principales parámetros relacionados con al electricidad, definidas por el sistema internacional de unidades SI, son el amperio (A) para la corriente eléctrica, el culombio (C) para la carga eléctrica, el voltio (V) para la diferencia de potencial, el ohm u ohmio (Ω) para la resistencia eléctrica y el vatio (W) para la potencia. Una carga puntual estacionaria genera un campo eléctrico, pero si la carga está en movimiento también genera un campo magnético.

El magnetismo

El magnetismo se define como el fenómeno físico producido por el movimiento de una carga eléctrica. Por otra parte, un campo magnético puede inducir el movimiento de partículas cargadas generando una corriente eléctrica. Una onda electromagnética (como la luz, por ejemplo) tiene un componente de campo eléctrico y otro de campo magnético. Las ondas electromagnéticas son ondas transversales; los dos componentes de la onda se desplazan en la misma dirección pero sus componentes eléctrico y magnético están orientados en forma perpendicular a la dirección de la onda, y también en forma perpendicular entre sí.

Como la electricidad, el magnetismo produce atracción y repulsión entre objetos. Si bien los fenómenos eléctricos se basan en la existencia de cargas positivas y negativas, no se conocen monopolos magnéticos. El campo magnético generado por cualquier partícula u objeto tiene dos polos de atracción, un polo llamado norte y otro llamado polo sur, asimilándolos a la orientación del campo magnético de la Tierra. Los polos iguales de un campo magnético generado por un imán se repelen entre sí (por ejemplo, el polo norte repele al polo norte), mientras que los polos opuestos se atraen entre sí (el polo norte y el polo sur se atraen).

Algunos ejemplos familiares de magnetismo son el alineamiento de la aguja de una brújula con el campo magnético de la Tierra, la atracción y repulsión de los imanes y el campo que se observa alrededor de un electroimán. Cada carga eléctrica en movimiento genera un campo magnético, por lo que los electrones de los átomos al orbitar alrededor del núcleo generan un campo magnético. El desplazamiento de los electrones asociado a una corriente eléctrica también genera campos magnéticos alrededor de los cables conductores. Los discos duros de almacenamiento de datos de las computadoras y los altavoces también utilizan campos magnéticos para su funcionamiento. Las unidades de algunos de los principales parámetros relacionados con el magnetismo, definidas por el sistema internacional de unidades SI, son el tesla (T) para la densidad de flujo magnético, el weber (Wb) para el flujo magnético y el Henry (H) para la inductancia.

El electromagnetismo

La palabra electromagnetismo proviene de una combinación de las voces griegas elektron, que significa ámbar, y magnetis lithos, que significa piedra magnesiana, que es un mineral de hierro magnético. En la Grecia antigua estaban familiarizados con la electricidad y el magnetismo, pero los consideraban fenómenos independientes.

Las bases teóricas del electromagnetismo fueron expuestas por James Clerk Maxwell en el libro Un tratado sobre electricidad y magnetismo (A Treatise on Electricity and Magnetism) publicado en 1873. En el tratado Maxwell expuso la estructura matemática del electromagnetismo en veinte ecuaciones, condensadas en cuatro ecuaciones con derivadas parciales. La teoría de Maxwell se sustentó en evidencia experimental. Respecto de las cargas eléctricas, observó que cargas iguales se repelen y las cargas eléctricas diferentes se atraen; la fuerza de atracción o repulsión entre las cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Respecto de los polos magnéticos, siempre existen como pares norte-sur; los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen.

La evidencia experimental que sustentó la teoría de Maxwell sobre la relación entre electricidad y magnetismo tiene dos elementos. Una primer observación establece que una corriente eléctrica circulando en un conductor genera un campo magnético alrededor del cable. La dirección del campo magnético, en sentido horario a antihorario, depende de la dirección de la corriente. Esto se puede determinar con la regla de la mano derecha; al envolver idealmente el cable con la mando derecha poniendo el pulgar en la dirección de la corriente, la dirección del campo magnético sigue la dirección de los otros dedos. Por otra parte, el movimiento de un conductor eléctrico cerrado en forma de lazo o bucle en un campo magnético induce una corriente eléctrica en el cable. La dirección de la corriente depende de la dirección del movimiento.

Fuentes

• Hunt, Bruce J. (2005). The Maxewllians. Cornell:Cornell University Press. páginas 165 y 166. ISBN 978-0-8014-8234-2.
• International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, segunda edición, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. páginas 14 y 15.
• Ravaioli, Fawwaz T. Ulaby, Eric Michielssen, Umberto (2010). Fundamentals of applied electromagnetics (sexta edición). Boston: Prentice Hall. página 13. ISBN 978-0-13-213931-1.