Electromagnetismo

1 Las cuatro fuerzas de la naturaleza

En una descripción fundamental de los procesos físicos, estos pueden considerarse como manifestaciones de cuatro interacciones:

• Gravedad

• Electromagnetismo

• Interacción nuclear fuerte

• Interacción nuclear débil

En este modelo (el llamado “modelo estándar”) lo que vemos como diferentes fuerzas macroscópicas (elásticas, de rozamiento, impulsos en las colisiones, etc.) son en realidad manifestaciones de estas interacciones fundamentales. Las principales propiedades de cada una son:

Gravedad

Es una interacción entre masas. Su principal efecto a escala humana es el peso y a grandes escalas es la responsable del movimiento planetario y estelar. Es una fuerza de largo alcance (teóricamente infinito).

Electromagnetismo

Es la interacción entre cargas eléctricas, que se manifiesta por medio de campos eléctricos y de campos magnéticos, relacionados entre sí. Es una fuerza de largo alcance (teóricamente infinito), mucho más intensa que la la gravedad.

Fuerza nuclear fuerte

Es una interacción entre partículas elementales (quarks) caracterizadas por un tipo de carga llamado “color”. Los quarks se asocian formando protones y neutrones.

La fuerza nuclear fuerte es responsable de la cohesión de los núcleos, ya que es capaz de vencer la repulsión eléctrica entre los protones. Es una fuerza de muy corto alcance; a distancias mayores de 10 − 13 es inapreciable.

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Fuerza nuclear débil

Es responsable de algunos procesos nucleares, como la desintegración beta del neutrón, que espontáneamente se descompone en un protón, un electrón y un antineutrino. Es también de muy corto alcance y mucho menos intensa que el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte.

De estas cuatro fuerzas, las dos nucleares tienen solo efecto indirectos a escala macroscópica. La gravedad es muy débil y solo es apreciable si la acumulación de masa es muy grande (por ejemplo, el peso es una fuerza apreciable porque la Tierra tiene una masa de unos 6×1024kg).

Esto quiere decir que todas las fuerzas que apreciamos a nuestro alrededor, excluyendo el peso, son fuerzas electromagnéticas. Una fuerza de contacto, como la que produce un cuerpo que empuja a otro, es realmente una fuerza de repulsión entre las nubes electrónicas de los átomos de un cuerpo con las de los del otro.

2 Interacción electromagnética

El electromagnetismo corresponde a la interacción entre cargas eléctricas. Se describe en términos de cargas que interaccionan por medio de campos eléctricos y magnéticos. La teoría electromagnética nace de la síntesis efectuada por Maxwell de las teorías existentes sobre las fuerzas eléctricas y las fuerzas magnéticas, hasta entonces tratadas como fuerzas separadas aunque relacionadas.

3 Carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia Una determinada partícula posee carga o es neutra, pero no se puede describir qué es la carga eléctrica. El electromagnetismo es una interacción entre partículas cargadas y una partícula posee carga cuando interacciona electromagnéticamente.

Aunque no se pueda decir qué es la carga, si se pueden caracterizar sus propiedades principales.

3.1 Propiedad escalar

La carga de un sistema es una propiedad escalar, caracterizada por una magnitud y un signo, pero no tiene dirección ni sentido.

Se mide en el SI en un culombio (C) definido como

(con la A de amperio, que se ve al estudiar la corriente eléctrica). Un culombio es una cantidad gigantesca, imposible de reunir en la práctica debido a la repulsión entre cargas del mismo signo. Por ello, es mucho más frecuente usar unidades como nanoculombios o picoculombios.

3.2 Dos tipos de carga

Existen dos variedades de carga eléctrica. A diferencia de la masa, que es solo de un tipo, o del color de los quarks (que es de tres variedades), la carga eléctrica se presenta en dos tipos diferentes, denominados por convenio carga positiva (que representamos con el signo + y el color rojo) ycarga negativa (representada por el signo − y el color azul). La carga positiva es la que es del mismo tipo que la del protón y la negativa la que es del mismo tipo que la del electrón.

El que haya solo dos tipos de carga permite sumarlas como números ordinarios, de manera que si se unen dos partículas de cargas q1 y q2, la carga del conjunto es q1 + q2 (esto también se puede hacer con la masa, pero no con el color ¿cuánto es la suma de unir una partícula "roja" con una "verde"?)

3.3 Ley de conservación de la carga

La carga se conserva. Esta es una de las propiedades básicas de la interacción electromagnética. A diferencia de otras magnitudes, como la energía mecánica o la entropía, la carga se conserva en cualquier sistema. Esto quiere decir que

En cualquier punto del espacio, la carga no se crea ni se destruye.

o, expresado de forma más precisa, cuya formulación matemática veremos más adelante:

Para cualquier volumen, el cambio de la carga contenida en su interior se produce siempre por una entrada o salida a través de la frontera, nunca por producción o destrucción en el volumen.

Hay que precisa qué significa que no se puede producir carga, ya que, como hemos comentado antes, puede ocurrir que un neutrón -que no tiene carga- se desintegre, produciendo un protón, que es una partícula cargada. Lo que ocurre es que al mismo tiempo se genera un electrón, que es una partícula con una carga opuesta a la del protón, de manera que la carga total permanece constante.

3.4 Cuantización de la carga. Densidad de carga

En los primeros tiempos de la teoría electromagnética se consideraba que la electricidad era un fluido (aun se habla de “corte de fluido eléctrico”), que se podía dar en cualquier cantidad. Sin embargo, los experimentos de Thomson, descubridor del electrón en 1897, mostraron que la carga presente en cualquier sistema es siempre un múltiplo entero de una carga fundamental

Las partículas elementales tienen siempre una carga que es un múltiplo entero de esta: un protón tiene una carga + e y un electrón una carga − e, los neutrones, neutrinos y fotones tienen carga 0. Los átomos y moléculas, compuestos de estas partículas, tienen una carga que será

siendo Np y Ne el número de protones y electrones, respectivamente. Esto se extiende a cualquier trozo de materia, que tendrá por tanto una carga que será un múltiplo entero de la carga elemental.

Ahora bien, para cualquier cantidad finita de materia, el número de

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