Electromagnetisme

De Viquipèdia

Electromagnetisme
Electricitat · Magnetisme
Electrostàtica
Càrrega elèctrica
Llei de Coulomb
Camp elèctric
Llei de Gauss
Potencial elèctric
Moment dipolar elèctric
Magnetostàtica
Llei d'Ampère
Camp magnètic
Flux magnètic
Llei de Biot-Savart
Moment magnètic
Electrodinàmica
Corrent elèctric
Força de Lorentz
Força electromotriu
Inducció electromagnètica
Llei de Faraday
Corrent de desplaçament
Equacions de Maxwell
Camp electromagnètic
Radiació electromagnètica
Circuit elèctric
Conducció elèctrica
Resistència elèctrica
Capacitància
Inductància
Impedància
Edita

L'electromagnetisme és la part de la física que estudia els camps electromagnètics, uns camps que exerceixen una força sobre les partícules amb càrrega elèctrica al mateix temps que són afectats per la presència i el moviment d'aquestes partícules.

El camp magnètic es produeix pel moviment de les càrregues elèctriques, com per exemple en el cas del corrent elèctric. El camp magnètic produeix una força magnètica del mateix tipus que la dels imants.

Un camp magnètic canviant produeix un camp elèctric, es tracta del fenomen de la inducció electromagnètica que s'utilitza en el funcionament dels generadors elèctrics, els motors elèctrics i els transformadors. De manera similar, un camp elèctric canviant genera un camp magnètic. Com a conseqüència d'aquesta interdependència entre els camps elèctrics i magnètics, té sentit considerar tots dos com una única entitat, el camp electromagnètic.

Aquesta unificació va ser desenvolupada per diferents físics en el curs del segle XIX i va culminar amb els treballs de James Clerk Maxwell que va unificar els treballs anteriors en una sola teoria. Més tard Oliver Heaviside va simplificar i reformular les equacions de Maxwell en la forma en que les coneixem avui. Maxwell va descobrir la natura electromagnètica de la llum i, com a conseqüència, avui es considera que la llum és una alteració oscil·latòria que es propaga en el camp electromagnètic, com una ona electromagnètica. Les diferents freqüències de l'oscil·lació donen origen a les diferents formes de radiació electromagnètica de l'espectre electromagnètic, des de les ones de ràdio a baixes freqüències als raigs gamma a les més altes freqüències, passant per la llum visible a freqüències mitjanes.

Les implicacions teòriques de l'electromagnetisme van portar a Albert Einstein a desenvolupar la relativitat especial el 1905. El descobriment de la mecànica quàntica obligà a formular una teoria quàntica del electromagnetisme, completada a la dècada del 1940 i coneguda com electrodinàmica quàntica.

Taula de continguts

[edita] Història

Coneixem algunes versions sobre l’origen de l’electromagnetisme. La primera és la dels xinesos, que suggereixen que va ser conegut a principis de l’any 2000 aC. Una altra es basa en el fet que els antics grecs van començar a observar els fenòmens elèctrics i magnètics damunt l’any 700 aC.

En aquells moments van descobrir que un tros d’ambre fregat s’electrificava i era capaç d’atreure fils de palla o plomes. La paraula elèctric prové de la paraula grega per a l’ambre: elektron. La vertadera existència de la força magnètica es va conèixer en observar que fragments d’una roca natural anomenada magnetita (Fe3 O4) atreia el ferro. El nom de la pedra ve del nom del districte de Grècia on es va descobrir, Magnèsia.

Aquestes dues ciències es van desenvolupar independentment l'una de l'altre fins al 1820, quan un científic anomenat Hans Christian Oesrted observà una relació entre elles: el corrent elèctric d’un filferro pot afectar a l'agulla magnètica d’una brúixola. Poc després es va comprovar que tot fenomen magnètic era produït per corrents elèctrics i s’unificaren de manera definitiva el magnetisme i l’electricitat, originant la branca de física que coneixem com a electromagnetisme.

L’existència d’ones electromagnètiques, de les quals les microones formen part de l’espectre d’alta freqüència, van ser predites per James Clerk Maxwell el 1864 per les seves famoses equacions. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz va ser el primer a demostrar l’existència d’ones electromagnètiques mitjançant la construcció d’un aparell per a produir ones de ràdio.

[edita] La força electromagnètica

La força electromagnètica és la força que un camp electromagnètic exerceix sobre les partícules carregades elèctricament. És una de les quatre forces fonamentals, les altres són la força nuclear forta (que manté unit el nucli atòmic), la força nuclear feble (que causa algunes formes de radioactivitat) i la força gravitacional. Totes les altres forces es deriven d'aquestes quatre de fonamentals.

La realitat és que la força electromagnètica és la responsable de gairebé tots els fenòmens que trobem a la vida diària, excepció feta de la gravetat. Grosso modo, podrien dir que les forces implicades en les interaccions entre àtoms poden ser examinades com una força electromagnètica que actua sobre els protons i electrons, elèctricament carregats, dintre dels àtoms. Això inclou les forces que experimentem quan "empenyem" o "tibem" objectes materials ordinaris, que provindrien de les forces intermoleculars entre les molècules del nostre cos i les dels objectes. I també inclouria totes les formes de fenòmens químics, que apareixerien a partir de les interaccions entre els orbitals atòmics.

D'acord amb la teoria electromagnètica actual, les forces electromagnètiques intervenen per mitjà de la transferència de fotons virtuals.

[edita] Electrodinàmica clàssica

El científic William Gilbert va proposar, en el seu De Magnete (1600), que l'electricitat i el magnetisme, malgrat ambdós eren capaços de provocar atraccions i repulsions d'objectes, eren efectes diferents. Els mariners van notar que les descàrregues dels llamps podien afectar l'agulla de la brúixola, però la relació entre el llamp i l'electricitat no fou confirmat fins que Benjamin Franklin va proposar els seus experiments el 1752. Un dels primers a descobrir i publicar una relació entre el corrent elèctric fet per l'home i el magnetisme fou Gian Domenico Romagnosi, que el 1802 va observar que connectant un cable entre el extrems d'una pila voltaica desviava l'agulla d'una brúixola propera. Tanmateix el fenomen no fou àmpliament conegut fins el 1820, quan Hans Christian Ørsted va fer un experiment similar. El treball de Ørsted va influir sobre Ampère per arribar a la teoria de l'electromagnetisme amb el suport de fonaments matemàtics.

Una acurada teoria de l'electromagnetisme, coneguda com a electromagnetisme clàssic va ser desenvolupada per diversos físics al llarg del segle XIX i van culminar amb els treballs de Maxwell, que va unificar els desenvolupaments anteriors en una única teoria i va descobrir la natura electromagnètica de la llum. A l'electromagnetisme clàssic, els camps electromagnètics obeeixen a un conjunt d'equacions conegudes com les equacions de Maxwell, i la força electromagnètica ve donada per la llei de la força de Lorentz.

Una de les particularitats de l'electromagnetisme clàssic és que és difícil conciliar-lo amb la mecànica clàssica, però en canvi és compatible amb la relativitat especial. D'acord amb les equacions de Maxwell, la velocitat de la llum és una constant universal, només depèn de la permitivitat i la permeabilitat del buit. Això atempta contra la invariància galileana, un dels principis bàsics de la mecànica clàssica. Una via per a reconciliar les dues teories seria assumir l'existència de l'èter lumínic a través del qual es propagaria la llum. Però tots els experiments adreçats a detectar la seva presència van fallar. El 1905, Albert Einstein va solucionar el problema amb la introducció de la relativitat especial, que reemplaça la cinemàtica clàssica amb una nova teoria compatible amb l'electromagnetisme clàssic.

Addicionalment, la teoria de la relativitat mostra que en sistemes de referència en moviment un camp magnètic es transforma en un camp al qual el component elèctric no és nul i viceversa; d'aquesta manera mostra de manera sòlida que són dues cares d'una mateixa moneda i, per tant, l'apropiat del terme electromagnetisme.

[edita] L'efecte fotoelèctric

En una altra publicació del mateix any 1905, Einstein va minar els fonaments de l'electromagnetisme clàssic. La seva teoria de l'efecte fotoelèctric (per la qual va guanyaria el premi Nobel de física el 1921) proposava que la llum pot existir en forma de partícules discretes, que més tard rebrien el nom de fotons. La teoria d'Einstein sobre l'efecte fotoelèctric va augmentar la comprensió de la solució que Max Planck havia presentat el 1900 sobre la catàstrofe ultraviolada, Planck havia mostrat que els objectes calents emetien radiació electromagnètica en forma de paquets discrets, el que conduïa a que l'energia total emesa per un cos negre radiant havia de ser finita. Aquests dos resultats eren en contradicció directa amb el concepte clàssic de la llum com una ona continua. Les teories de Planck i Einstein foren l'origen de la mecànica quàntica que fou formulada el 1925, tot i que necessitada d'una teoria quàntica de l'electromagnetisme. Aquesta teoria fou completada el 1940 i és coneguda com electrodinàmica quàntica, essent una de les teories físiques més precises.

[edita] Electromecànica

El terme electromecànica s'utilitza per referir-se a la combinació de l'electromagnetisme amb la mecànica, i s'ocupa dels efectes dels camps electromagnètics sobre el comportament de les partícules elèctriques carregades.

[edita] Unitats

Unitats del Sistema Internacional utilitzades en Electromagnetisme
Símbol Magnitud física Unitats Derivades Unitat Unitats Bàsiques
I Magnitud de corrent ampere (És una unitat bàsica) A A = W/V = C/s
q Càrrega elèctrica, Quantitat d'electricitat coulomb C A·s
V Diferència de potencial o Força electromotriu volt V J/C = kg·m2·s−3·A−1
R, Z, X Resistència elèctrica, Impedància, Reactància ohm Ω V/A = kg·m2·s−3·A−2
ρ Resistivitat ohm metre Ω·m kg·m3·s−3·A−2
P Potència elèctrica watt W V·A = kg·m2·s−3
C Capacitància farad F C/V = kg−1·m−2·A2·s4
Elastància farad invers F−1 V/C = kg·m2·A−2·s−4
ε Permitivitat farad per metre F/m kg−1·m−3·A2·s4
χe Susceptibilitat elèctrica (adimensional) - -
G, Y, B Conductància, Admitància, Susceptància siemens S Ω−1 = kg−1·m−2·s3·A2
σ Conductivitat elèctrica siemens per metre S/m kg−1·m−3·s3·A2
H Camp magnètic, intensitat de camp magnètic ampere per metre A/m A·m−1
Φm Flux magnètic weber Wb V·s = kg·m2·s−2·A−1
B Densitat de flux, inducció magnètica, intensitat de camp magnètic tesla T Wb/m2 = kg·s−2·A−1 = N·A−1·m−1
Reluctància ampere per weber A/Wb kg−1·m−2·s2·A2
L Inductància henry H Wb/A = V·s/A = kg·m2·s−2·A−2
μ Permeabilitat electromagnètica henry per metre H/m kg·m·s−2·A−2
χm Susceptibilitat magnètica (adimensional)
Π i Π * Vector potencial hertzià elèctric i magnètic

[edita] Vegeu també

[edita] Referències

[edita] Llibres

  • TERMCAT, Centre de Terminologia; Fundació Barcelona (1992). Diccionari d'electromagnetisme. Fundació Barcelona. ISBN 84-88169-02-7. 
  • Comissió de Normalització Lingüística; Serveis Lingüístics de la Universitat de Barcelona (1997). Vocabulari de Física. Electromagnetisme.. Publicacions i Edicions UB. 
  • Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Light, Electricity and Magnetism, 4a ed., W. H. Freeman. ISBN 1-57259-492-6. 
  • Griffiths, David J. (1998). Introduction to Electrodynamics, 3a ed., Prentice Hall. ISBN 0-13-805326-X. 
  • Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics, 3a ed., Wiley. ISBN 0-471-30932-X. 
  • Rothwell, Edward J.; Cloud, Michael J. (2001). Electromagnetics. CRC Press. ISBN 0-8493-1397-X. 

[edita] Revistes

  • Bioelectromagnetics. Wiley-Liss, Inc.. ISSN : 0197-8462. 
  • Foundations of physics letters. Springer Netherlands. ISSN : 0894-9875 EISSN: 1572-9524. 
  • Journal of electromagnetic waves and applications. Brill Academic Publishers. ISSN : 0920-5071. 
  • Nature physics. Nature Publishing Group. ISSN: 1745-2473 EISSN: 1745-2481. 
  • Radiation Measurements. Elsevier B.V. ISSN : 1350-4487. 
  • Radiation Physics and Chemistry. Elsevier B.V. ISSN : 0969-806X. 

[edita] Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a:

Electromagnetisme


Principals camps de la Física
Acústica | Astrofísica | Biofísica | Electrònica | Electromagnetisme | Enginyeria | Mecànica | Mecànica de fluids | Mecànica dels medis continus | Òptica | Física atòmica i molecular | Física quàntica | Física subatòmica | Física teòrica | Termodinàmica