Doy clases particulares a estudiantes de secundaria. Siempre les he enseñado eso:
Una partícula cargada que se mueve sin aceleración produce una así como un campo magnético .
Produce un campo eléctrico porque es una partícula de carga. Pero cuando está en reposo, no produce un campo magnético. De repente, cuando empieza a moverse, empieza a producir un campo magnético. ¿Por qué? ¿Qué le ocurre cuando empieza a moverse? ¿Qué hace que produzca un campo magnético cuando empieza a moverse?
Si no se conoce bien la relatividad especial, no hay manera de explicar este fenómeno. Lo mejor que se puede hacer es dar reglas empapado de ideas esotéricas como "campo electromagnético" e "invariancia de Lorentz". Por supuesto, esto no es lo que buscas, y con razón, ya que la física nunca debería consistir en aceptar reglas dictadas desde lo alto sin justificación.
El hecho es que el magnetismo no es más que la electrostática combinada con la relatividad especial . Desgraciadamente, no se encuentran muchos libros que expliquen esto: o bien los autores creen erróneamente que las ecuaciones de Maxwell no tienen justificación y deben aceptarse por fe, o bien están demasiado enfrascados en su propia notación esotérica como para pararse a considerar qué es lo que están diciendo. El único libro que conozco que trata el tema correctamente es el de Purcell Electricidad y magnetismo que se ha reeditado recientemente en un tercera edición . (La segunda edición funciona muy bien si se puede encontrar un ejemplar).
Un breve y heurístico esbozar de la idea es la siguiente. Supongamos que hay una línea de cargas positivas que se mueve a lo largo de la $z$ -eje en sentido positivo- una corriente. Consideremos una carga positiva $q$ ubicado en $(x,y,z) = (1,0,0)$ , moviéndose en sentido negativo $z$ -dirección. Podemos ver que habrá alguna fuerza electrostática en $q$ debido a todos esos cargos.
Pero vamos a intentar algo loco - vamos a deslizarse en $q$ de referencia. Al fin y al cabo, más vale que las leyes de la física sean válidas para todos los puntos de vista. Está claro que las cargas que constituyen la corriente se mueven más rápido en este marco. Pero eso no sirve de mucho, ya que, después de todo, a la fuerza de Coulomb no le importa la velocidad de las cargas, sino sólo su separación. Pero la relatividad especial nos dice algo más. Dice que las cargas actuales aparecerán más juntas. Si estuvieran separadas por intervalos $\Delta z$ en el marco original, entonces en este nuevo marco tendrán un espacio $\Delta z \sqrt{1-v^2/c^2}$ , donde $v$ es $q$ en el marco original. Este es el famoso contracción de la longitud predicho por la relatividad especial.
Si las cargas actuales aparecen más juntas, entonces claramente $q$ sentirá una mayor electrostática fuerza de la $z$ -eje en su conjunto. Experimentará una fuerza adicional en el positivo $x$ -dirección, lejos del eje, por encima de lo que habríamos predicho al sentarnos en el marco del laboratorio. Básicamente, la ley de Coulomb es la sólo ley de fuerza que actúa sobre una carga, pero sólo el marco de reposo de la carga es válido para utilizar esta ley para determinar qué fuerza siente la carga.
En lugar de transformar constantemente entre marcos, inventamos el campo magnético como un dispositivo matemático que logra lo mismo. Si se define correctamente, explicará por completo esta fuerza anómala que parece experimentar la carga cuando la observamos fuera de su propio marco de reposo. En el ejemplo que acabo de ver, la regla de la mano derecha nos dice que debemos atribuir un campo magnético a la corriente que gira alrededor del $z$ -eje tal que apunte al positivo $y$ -dirección en el lugar de $q$ . La velocidad de la carga está en el negativo $z$ -dirección, y así $q \vec{v} \times \vec{B}$ puntos en el positivo $x$ -dirección, tal como aprendimos al cambiar los marcos de referencia.
Los campos eléctricos y magnéticos son lo que el electromagnético campo ' parece ' desde un determinado marco de referencia (inercial).
Tomemos una partícula cargada: En su marco de referencia de reposo, parece generar sólo un campo eléctrico y ningún campo magnético. Desde un marco de referencia diferente (en particular uno en movimiento relativo), veremos que la carga se mueve, por lo tanto una corriente que genera también un campo magnético.
Esto no significa que al poner la partícula en movimiento se haya activado un interruptor dentro de la partícula, sino que es un artefacto de nuestra elección del marco de referencia: Los observadores en movimiento relativo medirán las diferentes intensidades de los campos eléctricos y magnéticos del mismo modo que miden las diferentes velocidades y momentos.
Sin embargo, hay invariantes del campo electromagnético, es decir, cosas en las que todos los observadores pueden estar de acuerdo, y en particular $$ \begin{align*} P &= \mathbf {B}^2 - \mathbf E^2 \\ Q &= \mathbf E\,\cdot\mathbf B \end{align*} $$
Tomemos un campo em no nulo con $P,Q=0$ es decir $\mathbf E^2=\mathbf B^2$ y $\mathbf E\perp\mathbf B\;.$ Un ejemplo sería una onda electromagnética plana, que a todo el mundo le parecerá una onda plana.
Ahora, dejemos que $P\not=0$ pero $Q=0\;.$ Entonces, podemos encontrar marcos de referencia en los que la electricidad (en el caso de $P>0$ ) o el campo magnético (en caso de $P<0$ ) desaparece. El marco de reposo de nuestra partícula cargada sería uno de ellos.
Para más detalles, tendrá que buscar en la literatura sobre la relatividad especial.
Aunque la respuesta de Chris White a la pregunta "¿Por qué las cargas en movimiento producen un campo magnético?", publicada por un profesor de secundaria (Claws) el año pasado, fue seleccionada como la mejor respuesta, creo que contiene varias trampas. Chris White imagina una corriente de cargas positivas que fluye en el $+z$ dirección del eje, mientras que una carga de prueba $+q$ inicialmente ubicado en $(1,0,0)$ se mueve en sentido contrario $(-z)$ dirección con velocidad $v$ . A continuación pretende demostrar que cuando el observador se sitúa en el marco de la carga de prueba en movimiento, verá, además de la fuerza electrostática regular de Coulomb (repulsión) que actúa sobre la carga de prueba, una repulsión adicional en el $+x$ dirección cuyo origen es totalmente relativista. Esto sucede, dice, porque la separación original $Δz_0$ entre las cargas (vistas desde el marco de reposo del Laboratorio) se contrae ahora a $Δz = Δz_0\sqrt{(1-v^2/c^2)}$ (La "famosa" contracción de Lorentz).
En consecuencia, todas las distancias de las cargas que fluyen a la carga de prueba se hacen más pequeñas (como si la densidad de carga aumentara) y, por lo tanto, las repulsiones de Coulomb también aumentan. Este exceso de repulsión es la fuerza magnética "ilusoria" que el observador del Laboratorio ve cuando la carga de prueba se mueve en el $–z$ dirección con velocidad $v$ .
En resumen: no hay fuerza magnética intrínseca. Todo es fuerza de Coulomb, vista desde el marco del Laboratorio (fuerza electrostática pura), o vista desde el marco de la carga en movimiento (electrostática más repulsión de Coulomb). Podemos obviar aquí todos los detalles cuantitativos que White también omite, pero no podemos pasar por alto las trampas:
En conclusión: al contrario de lo que dice White, el magnetismo NO es SÓLO electrostática más relatividad especial. Esa visión reduccionista convierte el magnetismo en un juego superficial entre marcos de referencia.
La carga produce un campo que actúa sobre otras cargas. Pero la acción de este campo se ve diferente desde diferentes marcos de referencia.
Por definición,
Considera la carga en reposo. Sólo produce un campo eléctrico en su marco de reposo. En este marco actúa sobre otras cargas acelerándolas en la dirección del campo eléctrico $\textbf E$ . Lo que vemos en el marco de reposo de la carga es que los vectores de momento de otras cargas en este marco están "potenciados".
Sin embargo, si miramos esto desde el marco móvil, veremos que los vectores de momento de otras cargas no son sólo " acelerado ", pero también " girado ".
Esto es simplemente porque la aceleración "pura" en un fotograma parece combinación de aceleración y rotación en otro marco.
Para explicar este "nuevo efecto" -la rotación del vector momento- los físicos dicen que en el segundo fotograma (que se mueve con respecto a la carga) hay un campo magnético (además del campo eléctrico que (por definición, véase más arriba) sólo acelera otras cargas).
Quizás quieras decir "El campo eléctrico de una carga en reposo aparece como un campo eléctrico y un campo magnético cuando se ve desde un marco de referencia en movimiento". Los comentarios lo dicen bien, una carga está asociada a un campo electromagnético. Aparece como un campo electrostático cuando se ve desde un marco en el que la carga está en reposo.
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