Entre los tantos temas que estudia la física, encontramos la relación que existe entre las partículas cargadas eléctricamente y los campos electromagnéticos. La rama específica que se encarga de estudiar estos fenómenos recibe el nombre de electromagnetismo.
Historia del electromagnetismo
Las bases de esta teoría se remontan a 1821, cuando el científico británico Michael Faraday presentó sus trabajos, pero no fue hasta 1865 que se consolidaron las ecuaciones que describen completamente a este tipo de fenómenos. Se trata de las 4 ecuaciones formuladas por James Clerk Maxwell.
Ecuaciones de Maxwell
El matemático escocés formuló estas ecuaciones entre los años 1864 y 1873 con el fin de explicar las propiedades matemáticas de la electricidad y de los campos magnéticos, así como también la relación que existe entre ambos fenómenos.
Más precisamente, las llamadas “ecuaciones de Maxwell” se ocupan de revelar la manera en la que una carga eléctrica logra generar un campo eléctrico, cómo es que las corrientes forman campos magnéticos; de qué forma es posible producir un campo eléctrico a través de la modificación de un campo magnético; y, a su vez, estas ecuaciones de onda permitieron a Maxwell deducir que, al alterar un campo eléctrico, puede obtenerse una onda electromagnética, la cual contará con componentes de ambos campos, es decir, eléctricos y magnéticos, y se propagará de manera automática.
La mayor contribución que estos trabajos aportaron a la física fue, justamente, que lograron unificar formalmente tres áreas de estudio que, hasta la llegada de Maxwell, habían estado separadas: la luz, la electricidad y el magnetismo.
Conceptos básicos de electromagnetismo
Como vemos, desde finales del siglo XIX, se ha producido una fascinación por el comportamiento de los imanes y la electricidad, pero para entender cómo funcionan juntos debemos entender algunos de sus conceptos primordiales.
- Carga eléctrica: se trata de una de las propiedades de las partículas que forman toda la materia y que radica en su estructura atómica. Los núcleos atómicos poseen protones positivos rodeados de electrones negativos que orbitan a su alrededor. Cuando estos elementos se hayan balanceados, se dice que el átomo tiene carga neutra. Pero, al ganar electrones, se convierte en un anión de carga negativa mientras que al perderlos, diremos que la carga del átomo es positiva y se lo denomina catión.
- Campo eléctrico: se denomina así al campo de fuerza que aparece alrededor de una partícula cargada y que afecta a las demás partículas cargadas que estén cercanas. En matemáticas se toma al campo eléctrico como una cantidad vectorial cuyo símbolo es la letra E y que se expresa en voltios por metro (V/m) o néwtones por coulomb (N/C).
- Campo magnético: este campo se crea por medio de las corrientes eléctricas, es decir, cuando existe un movimiento fluido de cargas. Por esto se suele decir que el campo magnético es el área donde las fuerzas magnéticas tienen lugar.
De este modo: cada partícula cargada tiene un campo eléctrico que la envuelve y el movimiento de dicha partícula crea un campo magnético.
Imanes y electroimanes
El hierro y otros materiales ferromagnéticos tienen campos magnéticos aleatorios, por lo cual no suelen funcionar como magnetos. Sin embargo, cuando los átomos de este metal se alinean de manera inalterable, se forma un imán con dos polos: el norte y el sur. Y puede darse de manera natural.
El electroimán, en cambio, es un artefacto de manufactura humana en el cual un pedazo de hierro es introducido en el interior de una bobina de alambre a través de la cual fluye una corriente eléctrica. Cuando esto ocurre, los campos magnéticos de los átomos de hierro se organizan alineados al campo magnético que produce la bobina, por lo cual se incrementa la fuerza de atracción magnética.
Inducción electromagnética
Al hablar de las ecuaciones de Maxwell, dijimos que es posible generar electricidad por medio de un campo magnético en movimiento. A esta posibilidad se la llama inducción electromagnética y fue descubierta en el siglo XIX por Joseph Henry y Michael Faraday.
Para lograr este fenómeno es necesario que el campo magnético pase a través de una bobina de alambre (o de otro material igualmente conductor), lo cual genera una corriente energética en circuito cerrado. La generación de electricidad mundial se basa en este principio.
Aplicaciones del electromagnetismo
La mayoría de los dispositivos eléctricos que utilizamos en la vida cotidiana funcionan gracias al electromagnetismo.
- Generadores: gracias al uso de energía mecánica proveniente del vapor, la combustión de petróleo y sus derivados, o la potencia del agua en las plantas hidroeléctricas, los generadores son capaces de producir energía eléctrica que abastece los hogares.
- Micrófonos: la membrana que recibe los sonidos está unida a una bobina que forma un imán y se mueve al mismo tiempo que la membrana. Este movimiento permite que las ondas sonoras se conviertan en una corriente eléctrica, la cual es transferida y amplificada en un altavoz.
- Motor eléctrico: los electrodomésticos suelen tener motores eléctricos o de inducción que utilizan la corriente alterna para producir energía mecánica mediante la conversión de la energía eléctrica. Estos motores están formados por un rotor giratorio, constituido por un cilindro de hierro ranurado con aletas de cobre, y un estator fijo que contiene bobinas conductoras por las cuales pasa la corriente eléctrica, transformándose así en electroimanes que generan un campo magnético. Este campo, a su vez, crea otro dentro del rotor y también una corriente. Cuando ambos campos electromagnéticos chocan entre sí, el rotor empieza a girar.
- Diagnósticos médicos: uno de los mayores avances en tecnología médica es la obtención de imágenes por resonancia magnética, la cual se basa en los efectos que tienen los campos magnéticos en los núcleos de hidrógeno existentes en las moléculas de agua del cuerpo humano.
Fenómenos electromagnéticos naturales
Se trata de fenómenos que percibimos en nuestro planeta y son consecuencia del campo magnético de la Tierra, el cual está constituido por las corrientes eléctricas internas. Esto hace que nuestro planeta se comporte como una enorme barra magnética con el polo norte magnético ubicado en el polo sur geográfico; mientras que en el polo norte geográfico, hallamos, lógicamente, al polo sur magnético.
Orientación espacial
Desde 200 años antes de Cristo existen las brújulas que consisten, básicamente, en una aguja de metal imantado que señala el norte geográfico por medio del campo magnético terrestre. Este mismo campo también es percibido de manera natural por ciertas especies animales, especialmente aves, que logran orientarse puesto que poseen órganos o células con cristales de magnetita, la cual es un óxido de hierro que nunca pierde su campo magnético.
Las auroras boreales y australes
Estas luces características de las regiones polares se generan por la energía creada por electrones presentes en la atmosfera, los cuales se excitan a causa del viento solar y luego vuelven a su estado basal. Esto ocurre gracias a que el campo magnético terrestre ejerce como pantalla contra dicho viento solar, cuyas partículas ionizadas son enviadas hacia los polos donde excitan a las partículas atmosféricas.
Otros ejemplos de electromagnetismo
Además de todo lo citado anteriormente, podemos mencionar:
- Los antiguos timbres eléctricos en cuyo interior existe un electroimán que, al recibir la corriente eléctrica, produce un efecto de imán que atrae a una especie de martillo diminuto que golpea una placa de metal.
- Trenes levitatorios. No, no es ciencia ficción, se trata de trenes que en lugar de impulsarse gracias a una locomotora que tracciona, utilizan poderosísimos electroimanes que hacen que el tren se eleve sobre los rieles y viaje más rápido.
- La dinamo que genera corrientes eléctricas gracias a la energía mecánica producto de hacer girar rápidamente cierta parte del artefacto en cuestión.
- El horno de microondas, por su parte, lo que hace para calentar o cocinar los alimentos es producir calor mediante la vibración de las moléculas de agua de dichos alimentos. Esto lo logra generando radiaciones electromagnéticas, pero en la frecuencia de las microondas que le dan su nombre.
