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Electromagnetismo

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.

El electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe losfenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ellocampos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. Por ser una teoría macroscópica, es decir, aplicable sólo a un número muy grande de partículas y a distancias grandes respecto de las dimensiones de éstas, el electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los que es necesario usar la mecánica cuántica.

El electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente conocido.

Desde la antigua Grecia se conocían los fenómenos magnéticos y eléctricos pero no es hasta inicios del siglo XVII donde se comienza a realizar experimentos y a llegar a conclusiones científicas de estos fenómenos.1 Durante estos dos siglos, XVII y XVIII, grandes hombres de ciencia como William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Voltaentre otros estuvieron investigando estos dos fenómenos de manera separada y llegando a conclusiones coherentes con sus experimentos.

A principios del siglo XIX Hans Christian Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. De ahí es que los trabajos de físicos como André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm, Michael Faraday en ese siglo, son unificados por James Clerk Maxwell en 1861con un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, como un fenómeno electromagnético.1

Las ahora llamadas ecuaciones de Maxwell demostraban que los campos eléctricos y los campos magnéticos eran manifestaciones de un solo campo electromagnético. Además describía la naturaleza ondulatoria de la luz, mostrándola como una onda electromagnética.2 Con una sola teoría consistente que describía estos dos fenómenos antes separados, los físicos pudieron realizar varios experimentos prodigiosos e inventos muy útiles como la bombilla eléctrica por Thomas Alva Edison o el generador de corriente alterna por Nikola Tesla.3 El éxito predicitivo de la teoría de Maxwell y la búsqueda de una interpretación coherente de sus implicaciones, fue lo que llevó a Albert Einstein a formular su teoría de la relatividad que se apoyaba en algunos resultados previos de Hendrik Antoon Lorentz y Henri Poincaré.

En la primera mitad del siglo XX, con el advenimiento de la mecánica cuántica, el electromagnetismo tenía que mejorar su formulación con el objetivo de que fuera coherente con la nueva teoría. Esto se logró en la década de 1940 cuando se completó una teoría cuántica electromagnética o mejor conocida como electrodinámica cuántica

Los fenómenos electromagnéticos

Uno de los primeros problemas resueltos exitosamente fue el problema de la construcción de la teoría de los fenómenos electromagnéticos. Hacia el s. XIX el estudio sobre la electricidad y el magnetismo se separó de la física como una rama independiente. En el año 1820 se llegó a conocer sobre el descubrimiento hecho por Oersted de la acción de la corriente sobre una aguja magnética, el cual establecía lo común de los fenómenos, al parecer, heterogéneos. Hacia esta misma época Biot, Savart, Laplace, Arago, Ampere, Coloumb y otros introdujeron los conceptos fundamentales necesarios: carga, cantidad de electricidad, densidad de electricidad, leyes de interacción de cargas inmóviles, etc. Los problemas del electromagnetismo trajeron consigo, en el plano matemático un conjunto de trabajos de investigación sobre la atracción de puntos según la Ley de Newton y los campos electrostáticos.

Los métodos de resolución de problemas de la mecánica celeste, en particular los problemas sobre la atracción de los cuerpos celestes según la ley de Newton obtuvieron un nuevo campo de aplicación. Fue introducido el concepto de potencial de un campo y definida su expresión para un campo simple formado por el punto cargado de masa m: (donde , es la constante de atracción es el punto atraído).

Enseguida fueron encontradas las expresiones del potencial para un sistema de puntos de atracción y después para el campo con distribución continua de masa de atracción en un volumen : ( es la densidad de la distribución).

Ya en el año l787 Laplace mostró que en el espacio fuera del cuerpo la función potencial satisface la ecuación A propósito, esta ecuación ya se encontraba en los trabajos de Euler y el concepto de función de fuerzas, cuya diferenciación según una dirección daría las fuerzas de atracción newtonianas, lo introdujo en 1773 Lagrange, conformando así mismo la idea de función de fuerza la cual fue enunciada ya por D. Bernoulli, Euler y Clairaut.

La teoría matemática del potencial eléctrico se formó de una forma rápida. Una serie de problemas sobre distribución de la electricidad en la superficie de los conductores los resolvió Poisson, el cual elaboró a fondo muchas partes de la física – matemática contemporánea a él: capilaridad, flexión de láminas, conducción del calor, etc. Alrededor del año 1813 Poisson extendió la ecuación de Laplace al espacio situado en el interior del cuerpo que atrae e introdujo la ecuación actualmente de amplio conocimiento:

Poisson resolvió muchos problemas de magnetostática. Para esto se apoyó, de hecho, en el concepto de potencial, sin embargo, no fue él quien introdujo este importante concepto.

El planteamiento general de la teoría del potencial surgió de los trabajos de Green y Gauss.

Green expuso su teoría en la obra Investigación sobre la teoría matemática de la electricidad y el magnetismo (1828). En ella investigó el problema central de la electrostática de aquella época. En la base de los razonamientos de Green yacía la idea de las fuerzas eléctricas y magnéticas pueden ser definidas a través de una función de coordenadas. La función potencial (como la llamó aquí por primera

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