Elektromagnetismo

Elektromagnetismoa fisikaren adar bat da, eta fenomeno elektriko eta magnetikoak lotzen ditu teoria bakar batean. Oinarriak Michael Faraday-k aurkeztu zituen, eta James Clerk Maxwell-ek formulatu zituen osorik lehen aldiz. Maxwell-en ekuazio deritzenak lau ekuazio diferentzial bektorialetan oinarritzen dira, eta eremu elektrikoa, eremu magnetikoa eta haien material-iturriak erlazionatzen dituzte.

Elektromagnetismoa eremuen teoria da; hau da, azalpenak eta aurreikuspenak espazioko posizio eta denboraren mendeko magnitude fisiko bektorialetan edo tenkatzaileetan oinarritzen ditu. Elektromagnetismoak fenomeno makroskopiko fisikoak deskribatzen ditu, zeinetan mugimenduan edo pausagunean dauden karga elektrikoek parte hartzen baitute. Deskribapen horiek egin ahal izateko, eremu magnetikoa, elektrikoa eta horiek substantzia solido, likido eta gaseosoetan izaten dituzten eraginak erabiltzen dira. Teoria makroskopiko bat izanik ere (alegia, partikula-kopuru handietara bakarrik aplikagarria, eta partikula horien arteko distantzia handia denean bakarrik), elektromagnetismoak ez ditu fenomeno atomiko eta molekularrak deskribatzen. Horretarako, mekanika kuantikoa erabili beharra dago.

Gaur egun, aintzat hartzen da ezagutzen dugun unibertsoaren oinarrizko lau indarretako bat dela elektromagnetismoa.

Antzinako Greziatik ziren ezagunak fenomeno magnetiko eta elektrikoak, baina XVII mendean hasi ziren fenomeno hauei buruzko esperimentuak burutzen eta ondorio zientifikoetara iristen. ^[1] Bi mende hauen zehar, XVII eta XVIII, hainbat zientzialarik William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin, Alessandro Volta beste batzuen artean, bi fenomeno hauek bere aldetik aztertuz, ondorio koherentetara iritsi ziren euren esperimentuetan.

XIX mende hasieran Hans Christian Ørsted-ek fenomeno magnetiko eta elektrikoak erlazionatuak zeuden ebidentzia enpirikoa aurkitu zuen. André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm, Michael Faraday fisikarien lanak James Clerk Maxwell-ek 1861 urtean erlazionatu zituen hainbat ekuazioen bidez eta bi fenomenoak bakar batean definitu zituen, fenomeno elektromagnetikoa.^[1]

Gaur egun Maxwell-en ekuazio izenez ezagun direnak frogatu zuten eremu elektriko eta eremu magnetikoa, eremu bakar bat osatzen dutela eremu elektromagnetikoa. Honez gain argiaren uhin-izaera deskribatu eta uhin elektromagnetiko moduan adierazi zuen.^[2] Lehenago bananduak zeuden bi fenomeno hauek teoria sendo bakar batekin deskribatuz, fisikoek hainbat saiakuntza eta asmaketa baliagarri egin eta sortu ahal izan zituzten. Bonbilla elektrikoa Thomas Alva Edisonek edo korronte alternoaren sorgailua Nikola Teslak.^[3] Maxwellen teoriak eta bere ondorioen interpretazio koherenteek, Albert Einstein erlatibitate teoria formulatzera bultzatu zuten, hau lortzeko, Hendrik Antoon Lorentz eta Henri Poincare-ren hainbat emaitzetan oinarritu zen.

XX mendeko lehen zatian, mekanika kuantikoaren etorrerarekin, elektromagnetismoak bere formulatzea hobetu beharra zuen, teoria berriarekin koherentea izateko. Hau 1940-ko hamarkadan lortu zen teoria kuantiko elektromagnetikoa burutu zenean zeina elektrodinamika-kuantikoa bezala den ezaguna.

Elektrostatikari buruz jarduten garenean materiaren propietate intrintseko eta diskretuengatik gertatu ohi diren fenomenoei buruz ari gara, hau da karga, egonkor ala denborarekiko menpekoa ez denean. Oinarrizko karga unitatea, hau da, behagarri den txikiena, elektroiak^[4] duen karga da. Gorputz bat elektrikoki kargatua dagoela esan ohi da osatzen dituzten atomoetan elektroiak soberan ala faltan dituenean. Definizioz, elektroi falta karga positibo izendatu ohi da eta elektroiak soberan daudenean, karga negatibo izendatzen da.^[5] Bi kargen arteko erlazioa erakarpenekoa da biak karga ezberdinekoak direnean eta aldarapenekoa karga berdinak direnean.

Oinarrizko karga oso unitate txikia da kalkulu praktikoetarako. Nazioarteko sisteman karga unitate elektrikoa, Coulomb-a, Ampere unitate intentsitateko korronte elektrikoak segundo batean daraman karga kantitate da. Karga unitate elektrikoa 6,25 x 10¹⁸ elektroien baliokide da.^[4]

${\displaystyle 1\ \mathrm {C} =1\ \mathrm {A} \cdot \mathrm {s} }$

Eroale batengan doazen elektroien mugimendua korronte elektriko gisa izendatzen da. Denbora unitateko doan karga elektriko kopurua korronte intentsitatea da. Kontzeptu gehiago sar daitezke potentzial diferentzia edo erresistentzia esaterako, honek zirkuitu elektrikoen teoriara eramango gintuelarik.

Karga unitatearen izena Coulomb-i zor zaio zeinak 1785 urtean indar elektriko eta karga puntualen arteko erlazio matematiko bat aurkitu zuen. Gaur egun Coulomb-en lege gisa da ezaguna.

Bi karga puntualen artean, q1 eta q2, erakarpen ala aldarapen indar bat existitzen da zeina distantziaren karratuarekiko euren artean eta norabide erradialean aldatzen den eta permisibitate elektriko izenez ezagun den konstante bat da.

Oinarrizko kargak bakarrik ez daudelako kontsideratu behar da euren banaketa modura. Horregatik ezarri behar da eremuaren kontzeptua, espazioaren eskualde bat magnitude eskalar edo bektoriala denborarekiko menpeko ala ez dagoen definitua. Indar elektrikoek eragiten duten eskualdea da eremu elektrikoa. Karga banaketan karga positiboak zerorako joera duenean, intentsitate indarrak dira limitera doazenak.

Eremu elektrikoaren kontzeptu honen irismena ondo ezagutu ezkero, intentsitatea ezagutzeko aukera izango da. Eremuaren edozein zonaldetan dagoen kargari zerk eragiten dion jakin gabe.^[6]

Puntu batetik edo eremu elektrikoko azalera batetik doan indar elektrikoaren kantitatea ezagutzeko modu bat, fluxu elektrikoaren kontzeptua erabiltzea da. Fluxu elektriko hau azalera jakin bat zeharkatzen duen eremu kantitatearen batukaria da.

Carl Friedrich Gauss matematiko eta fisikoak frogatu zuen eremu bateko fluxu elektrikoaren kantitatea azalera itxiko karga kantitatearen eta permisibitate elektrikoaren proportzionala dela. Erlazio hau Gauss-en legea da.

1820 urtean, Hans Christian Ørsted-ek begiztatu zuen fenomeno magnetikoa eta elektrikoaren arteko lotura eta magnetismorako teoria zientifikoa sortu zuen. Korronte elektriko baten presentziak, hau da, potentzial diferentzial baten ondorioaren fluxu elektrikoak, denborarekiko konstantea den indar magnetiko bat sortzen du.^[7] Abiadura jakina duen “q” karga badugu, eremu magnetiko batean indar magnetikoa agertuko da. Karga honen mugimendu honek induzitua.

Eredu magnetiko horren balioa zehazteko, Jean Baptiste Biot-ek 1820an^[8] pausagunean dauden korronteen erlazioa ondorioztatu zuen, gaur egun Biot-Savarten legea izenez ezagun dena.

Iragazkortasun magnetiko gisa ezaguna den proportzionaltasun koefizientea, korronte intentsitatea da, hau da korrontea doan luzera diferentzia eta indukzio magnetikoa balioztatzen den puntua, elementuaren luzeraren distantzia da. Beste hitz batzuetan esanda, indukzio magnetikoa fluxu magnetikoa azalera unitateekiko da. Esperimentalki eremu magnetikoaren indarren lerroak itxiak ziren ondoriora iritsi zen, polobakar magnetiko baten aukera baztertuz. Erlazio matematikoa, eremu magnetikorako  Gauss-en legea da.

Gainera magnetika estatikoan elektrostatikan Gauss-en legearen konparagarri den lege bat ezagutzen da, Ampereren legea. Lege honek esaten digu, eremu magnetiko baten zirkulazioa eta eremu itxi bateko korronte dentsitatea bera dela.

Aipagarria da Gauss-en lege hau, Biot-Savart-en orokortzea dela. Gainera hemen adierazitako adierazpen matematikoek hutsean dauden kargetarako balio dute soilik.