Definición de Electromagnetismo

El electromagnetismo es el área de la Física dedicada a estudiar el comportamiento y la relación existente entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. La interacción electromagnética que se desarrolla entre partículas cargadas y campos electromagnéticos es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Ángel Zamora Ramírez | Jun. 2022
Licenciado en Física

Nuestro día a día está lleno de fenómenos electromagnéticos, por ejemplo, el dispositivo en el que estás leyendo estás líneas funciona gracias a pequeñas corrientes eléctricas entre sus componentes, la luz que te permite ver es una onda electromagnética que estimula tu retina y cuya estimulación es interpretada por tu cerebro para formar una imagen; incluso, en este pequeño lapso de tiempo tu corazón ha latido varias veces y eso es posible gracias a un constante transporte de iones (átomos cargados eléctricamente) a través de las membranas de las células cardiacas.

Historia del Electromagnetismo

El estudio temprano del electromagnetismo se remonta a la antigua Grecia cuando los filósofos naturales de ese entonces observaron que, al frotar un trozo de ámbar con lana, este adquiere la capacidad de atraer pequeños trozos de paja y papel, de hecho, la palabra “electricidad” proviene del griego “electron” que significa “ámbar”. Por otro lado, los filósofos griegos también observaron que ciertas rocas podían atraer pequeños fragmentos de hierro, esto ocurría en una región de Grecia llamada “Magnesia”, de ahí que este fenómeno se conociera como “magnetismo”.

Estos fenómenos resultaban fascinantes para los filósofos de aquella época, sin embargo, no contaban con las herramientas para explicar su origen y mucho menos para desarrollar aplicaciones prácticas de ello. No fue sino hasta la revolución científica del siglo XVII que los fenómenos eléctricos y magnéticos comenzaron a ser estudiados bajo los ojos de la ciencia. Uno de los primeros trabajos científicos sobre electricidad y magnetismo es “De Magnete”, publicado por William Gilbert en 1600, en este trabajo Gilbert propuso que las agujas de las brújulas apuntan siempre hacia el norte porque la Tierra se comporta como un imán gigante, además, Gilbert también descubrió que otras sustancias, aparte del ámbar, manifestaban propiedades eléctricas debidas a fricción, entre estas sustancias se encontraba el vidrio, el azufre, el lacre y algunas piedras preciosas.

Durante el siglo XVIII Charles Francois DuFay y Benjamin Franklin propusieron que existían “dos tipos de electricidad”, hoy en día esto lo conocemos bajo el concepto de “carga eléctrica”, de la cual hay dos tipos: Positiva y negativa. En 1785 Charles Augustin de Coulomb utilizando una balanza de torsión pudo medir y describir la fuerza eléctrica que existía entre dos objetos cargados eléctricamente, dicha fuerza era directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas de los objetos y disminuía con el cuadrado de la distancia entre ellos, además, si las cargas eran del mismo tipo esta fuerza era de repulsión, pero si ambas cargas eran opuestas la fuerza resultante era atractiva, esta es la famosa Ley de Coulumb que matemáticamente se escribe como:

Ley de Coulomb

A principios del siglo XIX la invención de la batería por Alessandro Volta hace posible el estudio de las corrientes eléctricas, es decir, el movimiento de cargas eléctricas a través de un medio. Con esta nueva herramienta Anthony Carlisle y William Nicholson hicieron pasar corriente a través de agua obteniendo gases de hidrógeno y oxígeno, proceso que actualmente se conoce como “electrolisis”. Basándose en estos resultados, Carlisle y Nicholson sugirieron que las fuerzas que mantenían unidas a las sustancias tenían que ser de naturaleza eléctrica.

En 1820 el científico Hans Christian Oersted estaba dando una clase sobre electricidad y magnetismo cuando se dio cuenta que la aguja de una brújula se movía si se situaba cerca de un cable por el cual estuviera pasando una corriente eléctrica, este fue el primer indicio de la relación que existía entre la electricidad y el magnetismo. Después de algunos días de este descubrimiento hecho por Oersted, Jean–Baptiste Biot y Felix Savart reprodujeron esto en su laboratorio y se dieron cuenta que la fuerza magnética producida por el cable con corriente disminuía conforme se iban alejando de este.

André Marie Ampère estudió con detalle como las corrientes eléctricas producían efectos magnéticos y descubrió que la intensidad de la fuerza magnética producida por un cable era directamente proporcional a la corriente eléctrica que por él circulaba. Por otro lado, el científico británico Michael Faraday comenzó sus experimentos sobre electricidad y magnetismo en 1821 y en 1831 descubrió que campos magnéticos variables producían corrientes eléctricas, de hecho, fue el propio Faraday el que propuso el concepto de “campo electromagnético” para explicar cómo las cargas y las corrientes eléctricas eran capaces de interactuar a la distancia.

Llegados a este punto era evidente la relación que existía entre electricidad y magnetismo, no obstante, no existía una teoría que unificara ambos fenómenos en uno solo. En 1864 el matemático escocés James Clerk Maxwell publicó sus famosas ecuaciones basándose en la idea de Faraday, estas 4 ecuaciones describían todos los fenómenos eléctricos y magnéticos descubiertos hasta el momento y los unificaba en una sola teoría electromagnética. Las ecuaciones de Maxwell no sólo lograron unificar el electromagnetismo, también fueron capaces de deducir que la luz era una onda electromagnética que podía propagarse por el vacío y que su velocidad era una constante universal, cosa que llevó a Albert Einstein a desarrollar su Teoría de Relatividad Especial en 1905.

Ecuaciones de Maxwell para el vacío en su forma diferencial

En el año de 1897 J. J. Thomson descubre el electrón, este descubrimiento dio pie a un estudio más minucioso de la materia y nos llevó a descubrir que los átomos se componen de partículas más pequeñas que poseen carga eléctrica. El desarrollo de la mecánica cuántica desde principios del Siglo XX obligó a la teoría electromagnética a reformularse para ser consistente con la teoría cuántica, los trabajos de varios científicos como Paul Dirac, Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger y Richard Feynman le dieron forma a la que hoy se conoce como “Electrodinámica Cuántica”, una teoría cuántica del electromagnetismo la cual es considerada por muchos la teoría más precisa construida por el ser humano.

Ejemplos aplicados del Electromagnetismo en química y medicina

El fenómeno electromagnético tiene relevancia en otras ciencias más allá de la Física, a continuación, mencionaré una serie de ejemplos de la relación que existe entre el electromagnetismo y otras ramas científicas. En Química se dice que hay una “reacción química” cuando dos o más elementos o compuestos modifican sus enlaces y su estructura para formar nuevos enlaces y nuevas sustancias, los enlaces químicos y cómo ciertos compuestos reaccionan con otros dependen de cómo están acomodados los electrones de los átomos o moléculas que participan, y esta configuración electrónica obedece las leyes dictadas por el electromagnetismo y la mecánica cuántica.

En el siglo XVIII Luigi Galvani demostró que, al aplicar una corriente eléctrica sobre la médula espinal de una rana muerta, las patas de esta se contraían de la misma manera en la que lo hacían cuando estaba viva. Hoy sabemos que existen diferentes concentraciones de iones en el medio extracelular e intracelular, esta diferencia de concentraciones crea un potencial eléctrico entre el interior y el exterior de la célula y hace que exista un constante flujo de iones a través de las membranas celulares, esto da pie a un sinfín de procesos fisiológicos como lo son la transmisión de señales entre las neuronas, la contracción del músculo esquelético y cardíaco, la visión, etc.

En Medicina, las radiografías y tomografías computarizadas se obtienen haciendo pasar rayos X (ondas electromagnéticas) a través del paciente, en el caso de la tomografía computarizada, estos rayos X se inciden en distintos ángulos y se utiliza procesamiento informático para obtener imágenes en cortes de los tejidos. También en las Imágenes por Resonancia Magnética, como su nombre lo indica, están involucrados fenómenos electromagnéticos, para obtener este tipo de imágenes se utilizan grandes imanes y ondas electromagnéticas de baja energía (radiofrecuencias) para hacer “vibrar” los átomos de hidrógeno que se encuentran en el cuerpo y con ello poder reconstruir una imagen tras procesar los datos en una computadora.

 
 
 
 
Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Estudiante de la Maestría en Ingeniería y Física Biomédicas del Cinvestav. Jun., 2022.
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Referencias

• Gerald L. Pollack & Daniel R. Stump. (2002). Electromagnetism. San Francisco: Addison Wesley.

• David Halliday, Robert Resnick & Jearl Walker. (2011). Fundamentals of Physics. United States: John Wiley & Sons, Inc.
 
 
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