Elkarrekintza elektromagnetiko

Wikipedia, Entziklopedia askea
Hona jauzi: nabigazioa, Bilatu

Elkarrekintza elektromagnetikoa karga elektrikoa duten partikulen artean gertatzen den interakzioa da. Fisikan ezagun diren lau oinarrizko elkarrekintzetako bat da. Bi arlo nagusi bereizi ohi dira: alde batetik interakzio elektrostatikoa, geldi dauden gorputz kargadunen artean gertatzen dena, eta beste aldetik interakzio magnetikoa, higitzen ari diren kargen artean jazotzen dena. Elkarrekintza honetan ari diren partikula bitartekariak fotoiak dira. Fotoiak dira mota guztietako erradiazio elektromagnetikoen partikula eramaileak: gamma izpiak, X izpiak, argi ikusgaia, argi infragorria, mikrouhinak eta irrati-uhinak.

Elektrodinamika kuantikoak ematen du interakzio honen deskribapen kuantikoa. Bestalde, interakzio elektromagnetikoaren eta elkarrekintza ahularen eremu-teoria bateratu bat garatu zen 1970ko hamarkadaz gero, eta biak interakzio elektroahulean bildu ziren.

Elektromagnetismo terminoa bi hitz greziarren konposiziotik dator: ἤλεκτρον (ēlektron, “anbar” alegia), eta μαγνῆτις λίθος (magnētis lithos, hots, “magnesia harria”, burdina-mea bat). Fenomeno elektromagnetikoak indar elektromagnetikoaren bidez definitzen dira, batzuetan Lorentz-en indarra deitua, zeinek bai elektrizitatea bai magnetismoa fenomeno beraren agerraldi desberdin gisa barneratzen dituen, Maxwellen ekuazioak frogatzen duten moduan.

Indar elektromagnetikoak rol garrantzitsua du eguneroko bizitzan aurkitutako objektu gehienen barruko ondasunak zehaztean. Materia arruntak bere forma hartzen du banakako atomoen eta materiaren molekulen arteko indar intermolekularren ondorioz, eta hori indar elektromagnetikoaren agerraldi bat da.

Historia[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Antzinako Greziatik fenomeno magnetiko eta elektrikoak ezagutzen ziren, baina XVII. mendearen hasierara arte ez ziren zehazki aztertu. Garai horretan hasi ziren esperimentuak egiten, eta bi menderen ondoren iritsi ziren fenomeno elektromagnetikoak ulertzera eta ondorio zientifikoak ateratzera.

Jadanik XIX. mendearen hasieran, Hans Christian Ørstedek (1777-1851) fenomeno magnetikoak eta elektrikoak erlazionatuta egotearen ziurtasun enpirikoa lortu zuen. Hortik aurrera, mende horretako André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm eta Michael Faraday eta antzeko fisikarien lanek posible egin zuten James Clerk Maxwellek 1861ean fenomeno elektrikoak eta magnetikoak elkarrekintza bakar batean bateratzea, bi fenomenoak deskribatzen dituen ekuazio multzo batekin.

Lehenago banandutako bi fenomeno haiek batera deskribatzen zituen teoria sendo bakarrarekin, fisikariek hainbat esperimentu eta asmakizun miragarri egin ahal izan zituzten; besteak beste, Thomas Alva Edisonek bonbilla elektrikoa edo Nikola Teslak korronte alternoko sorgailua asmatu zituzten.

Maxwell-en teoriaren arrakasta eta bere inplikazioen interpretazio koherentearen bilaketa izan zen Albert Einstein-ek erlatibitatearen teoria egitera eraman zuena, Hendrik Antoon Lorentzen eta Henri Poincaréren aurreko emaitza batzuetan oinarrituta.

Mekanika kuantikoaren etorrerarekin, XX. mendearen lehen erdian elektromagnetismoak bere formulazioa hobetu behar izan zuen, koherentea izan zedin teoria berriarekin. Hori 1940ko hamarkadan lortu zen, teoria kuantiko elektromagnetikoa osatu zenean, gaur egun elektrodinamika kuantikoa izenaz ezaguna dena..

Elektrostatika[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Elektrostatikaz hitz egiten dugunean, materiaren propietate intrintseko eta diskretu batengatik (karga elektrikoa) egonkorra denean edo denboraren menpean ez dagoenean gertatzen diren fenomenoei buruz dihardugu.

Mota bereko karga elektrikoen artean aldaratze-indarra sortzen da (a eta b irudiak); mota desberdinetakoen artean erakartze-indarra (c irudia).

Oinarrizko karga-unitatea elektroiaren karga da; hori da karga behagarri txikiena. Gorputz bat elektrikoki kargatuta dagoela esaten da bere atomoak elektroi gehiegi edo gutxiegi dutenean. Definizioz, elektroi gutxiegi edukitzeari karga positiboa dagokio, eta elektroi gehiegi edukitzeari, karga negatiboa. Bi karga-moten arteko erlazioa erakarpenekoa da desberdinak direnean eta aldarapenekoa berdinak direnean.

Oinarrizko karga oso unitate txikia da kalkulu praktikoetarako. Horregatik, nazioarteko SI sistemako karga-unitate elektrikoa tamaina handiagoko coulomb izenekoa da, eta sinboloaz adierazten da: Definizioz, coulomb bat segundo batean ampere bateko korronteak garraiatutako karga kantitatea da. Sinbolikoki adierazirik:.

Karga-unitatearen izen hori Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) ikertzailearen ohorez jarri zitzaion, bera izan baitzen 1785ean karga puntualen arteko erlazio matematikora heldu zena, orain Coulomben legea izenaz ezagutzen dena:

Hutsean distantziaran dauden bi karga puntualen ( eta ) artean, erakartze- edo aldaratze-indarra () sortzen da, partikulen arteko distantziaren karratuaren alderantzi proportzionalki () aldatzen dena, norabide erradialakoa dena (). Formula horretan, hutseko permitibitatea deritzon konstantea da eta balio hau du: . Coulomben legetik abiatuz, karga puntual baten inguruko puntuetan sortzen den eremu elektrikoa definitzen da,  adierazpen matematiko honen bidez formulatzen den eremu bektoriala hain zuzen:

Gauzak horrela, karga puntualaren inguruan geldi dagoen kargak bertan dagoen eremu elektrikoan jasango duen indarra honelaxe adierazi ahal da:

Karga elektriko puntual positibo baten inguruko eremu-lerroak eta gainazal ekipotentzialak (a) eta karga elektriko puntual positibo baten ingurukoak (b).

Horretan oinarriturik, karga elektrikoak sorturiko eremu elektrikoaren nolabaiteko irudi grafikoa egin dezakegu, horretarako eremu-lerroak marraztuz. Lerro horiek espazioko puntu bakoitzean eremu elektrikoak duen norabide berekoak dira, eta alboko irudian ikus daitekeenez, karga elektrikoetatik abiatzen dira (karga positiboen kasuan) edo kargetan amaitzen dira (karga negatiboen kasuan); izan ere, karga elektrikoak dira eremu elektrikoaren “iturriak” edo poloak.

Magnetostatika[aldatu | aldatu iturburu kodea]

1820an Hans Christian Ørsted-ek fenomeno magnetikoa elektrikoarekin lotuta zegoela ohartu zela esker, magnetismorako teoria zientifiko bat lortu zen. Eremu magnetikoak indar egiten dio higitzen ari den karga elektrikoari (korronte elektrikoari) eta korronte elektrikoak eremu magnetikoak sortzen du.

Hemeretzigarren mendearen hasieran esperimentalki ikusi zutenez, eremu magnetiko batean karga bat abiaduraz higitzen bada, kargen higiduraren kausaz induzitutako indar magnetiko bat agertuko da, balio honetakoa:

Bestalde, 1820an, Jean Baptiste Biot-ek korronte elektrikoek sortzen duten eremu magnetikoa aztertu zuen. Gaur egun, horrela sorturiko eremu magnetikoaren balioa  Biot-Savart-en legearen bidez kalkulatzen da. Lege horren arabera, eroale zuzen batetik pasatzen den korronte elektriko zuzenaren inguruan sortzen den eremu magnetikoren moduluak balio hau du kabletik R distantziara:

Formula horretan, parametroa iragazkortasun magnetikoa deritzon proportzionaltasun-koefizientea da; bestetik, sinboloak kabletik pasatzen den korrontearen intentsitatea adierazten du. Gainera, bektorea korrontearen plano perpendikular batean dago, eta eremu-lerroek forma zirkularra dute, zentroa korrontean egonik eta lerro itziak izanik. Izatez, esperimentalki konturatu ziren fisikariak eremu magnetikoetako indar-lerroak itxiak zirela, alegia, ez zutela ez hasierarik ez amaierarik; bestela esanda, ez zeukatela eremu elektrikoak bezalako puntu edo polo berezirik.

Korronte elektriko zuzen baten inguruko eremu magnetikoaren lerroak.

Izatez, esperimentalki eremu magnetikoetako indar-lerroak itxiak zirela konturatu ziren fisikariak, alegia ez zutela ez hasierarik ez amaierarik. Eremu magnetikoaren izaera hori eremu magnetikorako Gauss-en legearen bidez adierazten da. Lege horrek modu matematikoan dio eremu magnetikoak gainazal itxian zehar duen eremu magnetikoaren fluxua nulua dela, hau da:

Horrek esan nahi du eremu magnetikoaren indar-lerroak kurba itxiak direla eta ez dagoela monopolo magnetikorik.

Esandakoaz gain, eremu magnetikoak lotura bat du eremua sortzen duen korronte elektrikoarekin, Ampère-ren legeak azaltzen duen moduan. Lege hori honelaxe adierazten da matematikoki:

non eremu magnetikoaren integral kurbilineo itxia kalkulatzen den kurba itxian zehar,  kurbaren elementu diferentzialak izanik. Ampèreren legeak dioenez,  kurba itxian zehar kalkulaturiko eremu magnetikoaren zirkulazioa korronte elektrikoaren intentsitatearen proportzionala da, hain zuzen ere aipaturiko kurba horrek mugaturiko gainazala zeharkatzen duen intentsitatearen proportzionala. Edo alderantziz esanda, indar-lerro itxiaren gainazala zeharkatzen duen korronte elektrikoaren intentsitatea eta eremu magnetikoaren zirkulazioa proportzionalak dira.

Elektrodinamika klasikoa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Aurreko bi ataletan denborarekin aldatzen ez diren eremu elektrikoak eta eremu magnetikoak deskribatu ditugu. Baina XIX. mendearen bukaera aldean fisikariak konturatu ziren bi eremu horiek elkarrekin erlazionaturik zeudela.  Hain zuzen ere, konturatu ziren ezen higitzen ari diren karga elektrikoak (korronte elektrikoak, alegia) eremu magnetikoa sortzen duela bere inguruan, eta eremu magnetikoak eremu elektriko baten presentzia inplikatzen duela. Orduan, eremu magnetikoan higitzen ari den partikulak jasaten duen indarra aurretik aztertutako bi indarren bildura zela ondorioztatu zuten, gaur egun Lorentz-en indarra izenaz ezagutzen den formularen arabera:

Unitate elektromagnetikoak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Unitate elektromagnetikoak korronte elektrikoen propietate elektromagnetikoetan oinarrituta dagoen sistema batekoak dira:

Unitateen taula
Izena Sinboloa Magnitude fisikoa
ampere A korronte elektrikoa
coulomb C karga elektrikoa
volt V tentsio elektrikoa
ohm Ω erresistentzia elektrikoa
watt W potentzia
farad F kapazitantzia
henry H induktantzia
siemens S konduktantzia elektrikoa
weber Wb fluxu magnetikoa
tesla T indukzio magnetikoa