A interacción electromagnética, tamén chamada electromagnetismo, é a rama da física que estuda as interaccións entre partículas cargadas eléctricamente, xa estean en repouso ou en movemento, e, de maneira máis xeral, os efectos da electricidade, utilizando o concepto de campo electromagnético. De feito, é posible definir o electromagnetismo como o estudo do campo electromagnético e a súa interacción coas partículas cargadas. miniatura|Os raios son unha manifestación da forza electromagnética.
A interacción electromagnética é, xunto á gravidade, á interacción nuclear forte e a interacción nuclear débil, unha das catro forzas fundamentais da natureza descritas no modelo estándar. Esta forza é descrita polos campos electromagnéticos e ten instancias físicas innumerables, incluíndo a interacción de partículas con carga e a interacción de campos de forza magnéticos sen carga con condutores eléctricos.
A interacción electromagnética é, xunto coa mecánica, unha das grandes ramas da física cuxo ámbito de aplicación é considerable. A interacción electromagnética permite comprender a existencia das ondas electromagnéticas, é dicir, tanto as ondas de radio como a luz, ou mesmo os microondas e a radiación gamma. Así, no seu artigo de 1864, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (Unha teoría dinámica do campo electromagnético), Maxwell escribe: «A coincidencia dos resultados parece indicar que a luz e o magnetismo son dous fenómenos da mesma natureza e que a luz é unha perturbación electromagnética que se propaga no espazo seguindo as leis da interacción electromagnética ».
A ciencia dos fenómenos electromagnéticos defínese en termos da forza electromagnética, ás veces chamada forza de Lorentz, que inclúe a electricidade e o magnetismo como elementos dun mesmo fenómeno, tal como describen as ecuacións de Maxwell. A formulación consiste en catro ecuacións diferenciais vectoriais que relacionan o campo eléctrico, o campo magnético e as súas respectivas fontes materiais (corrente eléctrica, polarización eléctrica e polarización magnética). A súa forma rigorosa é a que se ten no marco da teoría da relatividade e máis da física cuántica.
Dende un punto de vista macroscópico e fixado un observador, adoita separarse en dous tipos de interacción, a interacción electrostática, que actúa sobre corpos cargados en repouso respecto ao observador, e a interacción magnética, que actúa soamente sobre cargas en movemento respecto ao observador.
As partículas fundamentais interactúan electromagneticamente mediante o intercambio de fotóns entre partículas cargadas. A electrodinámica cuántica proporciona a descrición cuántica desta interacción, que pode ser unificada coa interacción nuclear débil segundo o modelo electrodébil.
As implicacións teóricas do electromagnetismo, en particular a determinación da velocidade da luz baseándose nas propiedades do «medio» de propagación (permeabilidade e permitividade), conduciron ó desenvolvemento da relatividade especial por Albert Einstein en 1905.
O electromagnetismo adoita ser dividido en diferentes campos de coñecemento, segundo as condicións ou restricións que se impoñan no seu desenvolvemento. Así, se se consideraren cargas fixas, estase a facer Electrostática, se en troques se consideran correntes estacionarias estase a facer Magnetostática; e cando se consideran situacións diferentes, con correntes eléctricas non estacionarias e daquela situacións nas que se producen radiacións -guiadas ou en propagación libre- ou resonancias en cavidades, entón estase a facer Electrodinámica. Se esta se fai no marco da versión clásica das ecuacións de Maxwell, trátase da Electrodinámica clásica, se porén se considera o marco da física cuántica, estaremos a falar de Electrodinámica cuántica.
A forza como consecuencia do campo electromagnético é unha das catro forzas fundamentais do universo actualmente coñecido.
Propiedades miniatura|A maioría das principais partículas elementais teñen carga eléctrica. A interacción electromagnética afecta só a obxectos con carga eléctrica (incluíndo os que son neutros en xeral pero que se compoñen de partículas con carga). Isto inclúe á meirande parte das partículas elementais máis coñecidas, en particular, os quarks, os leptóns con carga (electrons, muóns e leptons tau) e os bosóns gauge con carga (W±), así coma os ións. A física actual postula que a interacción electromagnética maniféstase a través de campos electromagnéticos e que o fotón é o quanto da luz e de todas as outras formas de radiación electromagnética.
A diferenza da forza nuclear feble e da forza nuclear forte, pero igual que a gravidade, a forza electromagnética é unha interacción de longo alcance. Aínda así, a magnitude da forza coa cal se atraen dous corpos de carga eléctrica diferente é inversamente proporcional ó cadrado da distancia que os separa (véxase Lei de Coulomb). O grande alcance da forza electromagnética débese á falla de masa dos fotóns, que son as partículas mediadoras desta interacción.
A nivel microscópico (sección eficaz), a intensidade da interacción electromagnética está caracterizada pola constante de estrutura fina (α): , onde é a carga eléctrica elemental, é a constante de Planck e é a velocidade da luz no baleiro. Nas reaccións nucleares, o electromagnetismo ten un papel intermedio entre a forza nuclear feble e a forza nuclear forte.
Descrición matemática miniatura|dereita|Campo magnético nun indutor. O campo electromagnético exerce unha forza sobre as partículas cargadas electricamente que se coñecen como forza de Lorentz:
ou tamén, en unidades de Gauss:
A interacción electrostática, Lei de Coulomb, sobre as partículas supoñéndoas inmóbiles é:
onde
onde é o vector unitario dirixido de q cara a
onde: é a forza sostida pola carga q q é a carga sobre a que se exerce é a carga que exerce a forza sobre q na fórmula anterior é o campo eléctrico aló onde hai carga é o campo magnético aló onde hai carga é a velocidade da carga c é a velocidade da luz é o produto vectorial
(todas as dimensións son medidas dentro do mesmo sistema inercial de referencia).
A primeira descrición da forza entre dúas partículas cargadas, que é contraria á lei de Coulomb, é válida no marco da teoría da relatividade, e de feito, o campo magnético é visto coma unha interacción relativista das cargas en movemento, cousa que a lei de Coulomb non explica.
Electromagnetismo clásico
Na descrición do electromagnetismo antes da súa formulación relativista, o campo electromagnético describíase como unha interacción na que as partículas cargadas en función da súa carga e estado de movemento creaban un campo eléctrico (E) e un campo magnético (B) que, xuntos, eran responsables da forza de Lorentz. Maxwell probou que devanditos campos podían ser derivados dun potencial escalar (Φ) e un potencial vector (A) dados polas ecuacións:
Con todo, esta formulación non era explicitamente covariante como require a formulación que fai a teoría da relatividade. Na formulación explicitamente covariante o campo electromagnético clásicamente trátase como un campo de Yang-Mills sen masa e derivado dun cuadrivector de potencial. Máis concretamente o campo electromagnético é unha 2-forma exacta definida sobre o espazo-tempo. O cuadrivector potencial é unha 1-forma cuxa diferencial exterior é, precisamente, o campo electromagnético.
Electromagnetismo relativista
Na Teoría da Relatividade Especial a interacción electromagnética caracterízase por un (cuadri)tensor de segunda orde, chamado tensor campo electromagnético:
Este tensor campo electromagnético satisfai as ecuacións de Maxwell que en notación tensorial (e sistema cgs) escríbense habitualmente:Landau & Lifshitz, 1992, pp. 86.
Estas ecuacións poden escribirse de forma máis compacta usando a derivada exterior e o operador dual de Hodge de forma moi elegante como:
De feito dada a forma das ecuacións anteriores, se o dominio sobre o que se estende o campo electromagnético é simplemente conexo (estrelado) o campo electromagnético pode expresarse como a derivada exterior dun cuadrivector chamado potencial vector, relacionado cos potenciais do electromagnetismo clásico do seguinte xeito:
Onde: , é o potencial electroestático. , é o potencial vector clásico.
Esta substitución facilita enormemente a resolución de ditas ecuacións, a relación entre o cuadrivector potencial e o tensor de campo electromanético resulta ser:
O feito de que a interacción electromagnética poida representarse por un (cuadri)vector que define completamente o campo electromanético (a condición de que o dominio sexa estrelado) é a razón pola que se afirma no tratamento moderno que a interacción electromagnética é un campo vectorial (e polo que no tratamento cuántico dise que está representado por bosóns vectoriais).
En relatividade xeral é tratamento do campo electromagnético nun espazo-tempo curvo é similar ao presentado aquí para o espazo de Minkowski, só que as derivadas parciais respecto das coordenadas deben substituirse por derviadas coviarantes.
Electromagnetismo cuántico
miniatura|220px|Cadro explicativo das 4 forzas fundamentais. O tratamento que a física cuántica fai do electromagnetismo coñécese co nome de electrodinámica cuántica ou QED. Nesta teoría o campo está asociado a unha partícula sen masa denominada fotón, cuxas interaccións coas partículas cargadas son as causantes de todos os fenómenos do electromagnetismo.
Cando nesta teoría introdúcese a interpretación de partículas, mediante o formalismo do espazo de Fock, a materia é interpretada por estados fermiónicos, mentres que o propio campo electromagnético queda descrito por estados de bosóns gauge "portadores da interacción", chamados fotóns.
Papel na natureza O seu longo alcance fai que a interacción electromagnética se manifeste claramente tanto a escala macroscópica coma a escala microscópica. De feito, a meirande parte das forzas da mecánica clásica, incluíndo a forza elástica, a fricción e a tensión superficial, son de natureza electromagnética.
A interacción electromagnética determina a maioría de propiedades físicas dos corpos macroscópicos e, particularmente, os trocos que se produecen nestas propiedades por mor dun troco no estado da materia. A interacción electromagnética é a base das reaccións químicas. Os fenómenos eléctricos, magnéticos e ópticos son unha manifestación desta interacción.
A escala microscópica, os efectos electromagnéticos (incluíndo os efectos cuánticos) definen a estrutura das capas de electróns que rodean os átomos e a configuración tanto das moléculas como das estruturas máis grandes. En particular, a carga eléctrica elemental determina a medida dos átomos e a lonxitude dos enlaces que manteñen unidas as moléculas. Por exemplo, o radio de Bohr é , onde é a constante eléctrica, a constante de Planck, a masa do electrón e a carga eléctrica elemental.
Descrición teórica Electrodinámica clásica
Describíronse os campos eléctricos e magnéticos que non varían co tempo, mais os físicos a finais do século XIX descubriron que ambos campos estaban ligados e así un campo eléctrico en movemento, unha corrente eléctrica que varíe, xera un campo magnético que de por si implica a presenza dun campo eléctrico. Entón, o primeiro que debemos definir é a forza que tería unha partícula cargada que se mova nun campo magnético e así chegamos á unión das dúas forzas anteriores, o que hoxe coñecemos como a forza de Lorentz:
Entre 1890 e 1900, Liénard e Wiechert calcularon o campo electromagnético asociado a cargas en movemento arbitrario, resultado que se coñece como potenciais de Liénard-Wiechert.