En física, la fuerza electromagnética es una influencia que afecta a partículas cargadas eléctricamente. Junto con la gravedad, es la fuerza con la que los humanos se encuentran más a diario y explica la mayoría de los fenómenos con los que la gente está familiarizada. Es responsable de la electricidad, el magnetismo y la luz; mantiene juntos electrones y protones en átomos; y permite que los átomos se unan para formar moléculas e impulsar reacciones químicas. Esta fuerza también es responsable de la solidez de los objetos sólidos y es la razón por la que no pueden atravesarse entre sí.
La fuerza electromagnética es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los otros tres son la fuerza gravitacional, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. La fuerza nuclear fuerte es la más fuerte de ellas, pero opera solo en un rango extremadamente corto. La fuerza electromagnética es la segunda más fuerte y, como la gravedad, opera a distancias ilimitadas.
La ley del cuadrado inverso
Como la gravedad, la fuerza electromagnética sigue la ley del cuadrado inverso. Esto significa que la fuerza de la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde su fuente. Entonces, por ejemplo, si alguien se aleja 5 unidades de la fuente de la fuerza, la intensidad se reduce a 1/25.
Cargos positivos y negativos
A diferencia de la gravedad, la fuerza electromagnética solo la sienten los objetos que tienen carga eléctrica, que puede ser positiva o negativa. Los objetos con diferentes tipos de cargas se atraen entre sí, pero los del mismo tipo se repelen. Esto significa que la fuerza puede ser atractiva o repulsiva, dependiendo de las cargas involucradas. Dado que la mayoría de los objetos, la mayor parte del tiempo, no tienen una carga eléctrica general, no sienten la fuerza electromagnética, lo que explica por qué la gravedad, aunque es una fuerza mucho más débil, domina a gran escala.
Cuando dos materiales diferentes se frotan, los electrones pueden moverse de uno a otro, dejando uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Entonces, los dos se atraerán entre sí y pueden ser atraídos por objetos eléctricamente neutros. Esto se conoce como electricidad estática y puede demostrarse mediante varios experimentos simples, como frotar un globo con un trozo de piel y pegarlo a una pared; se mantiene allí por atracción electrostática.
Una corriente eléctrica fluye cuando los electrones se mueven a lo largo de un cable u otro conductor desde una región con un exceso de electrones a una donde hay un déficit. Se dice que la corriente fluye de negativo a positivo. En un circuito simple que usa una batería, los electrones fluyen desde el terminal positivo al negativo cuando se completa el circuito.
A escala atómica, la atracción entre protones cargados positivamente en el núcleo y electrones cargados negativamente en el exterior mantiene unidos a los átomos y les permite unirse entre sí para formar moléculas y compuestos. Los protones en el núcleo se mantienen en su lugar por la fuerte fuerza nuclear que, a esta escala extremadamente pequeña, supera la repulsión electromagnética.
Campos Electromagnéticos
El concepto de campos electromagnéticos fue desarrollado por primera vez por el científico Michael Faraday a principios del siglo XIX. Demostró que los objetos magnetizados y cargados eléctricamente pueden influirse entre sí a distancia. Por ejemplo, una corriente eléctrica que fluye a través de una bobina de alambre podría desviar la aguja de una brújula e inducir una corriente en otra bobina cercana. También mostró que un campo magnético cambiante podría producir una corriente eléctrica en un cable. Esto estableció una conexión entre la electricidad y el magnetismo y la existencia de un campo que varía con la distancia que rodea a los objetos magnéticos o cargados eléctricamente.
Más tarde, en el siglo XIX, el físico James Clerk Maxwell produjo una serie de ecuaciones que explicaban no solo la relación entre la electricidad y el magnetismo, sino que también mostraban que la luz era una perturbación ondulatoria del campo electromagnético. Llegó a esta conclusión cuando calculó la velocidad a la que viajan las influencias electromagnéticas y descubrió que esta era siempre la velocidad de la luz. La implicación era que la luz era una forma de radiación electromagnética que viajaba en forma de ondas. Esto llevó a la teoría de la electrodinámica clásica, en la que una onda electromagnética es generada por una carga eléctrica en movimiento. El movimiento de una bobina de alambre en un campo magnético puede generar ondas de radio de baja energía, mientras que el movimiento más enérgico de electrones en un alambre caliente puede generar luz visible.
Electrodinámica cuántica
Con la investigación de Einstein del efecto fotoeléctrico, en el que la luz puede desprender electrones de una superficie metálica, se descubrió que la radiación electromagnética (EMR) puede comportarse como partículas y como ondas. Estas partículas se llaman fotones. Los electrones de un átomo pueden ganar energía absorbiendo un fotón y perder energía emitiendo uno. De esta manera, EMR puede explicarse como la emisión de fotones cuando los electrones experimentan una caída en los niveles de energía.
Según la teoría cuántica, las cuatro fuerzas de la naturaleza se pueden explicar en términos del intercambio de partículas, como las fotos en el caso de la fuerza electromagnética. Para explicar esta fuerza de una manera consistente con la teoría cuántica, se desarrolló la teoría de la electrodinámica cuántica. La idea es que la fuerza electromagnética está mediada por fotones «virtuales» que existen sólo fugazmente durante las interacciones entre partículas cargadas. Explica todas las interacciones electromagnéticas y las pruebas rigurosas han demostrado que es una teoría muy precisa.