¿Por qué se clasifican la fuerza eléctrica y la fuerza magnética como electromagnetismo?

Question

Confundo los cuatro tipos de interacciones fundamentales, así que creo que la fuerza eléctrica y la fuerza magnética no deberían ser clasificadas como una gran clase llamada electromagnetismo.

Aquí está mi evidencia:

1. La Ley de Gauss de la fuerza eléctrica está relacionada con la integración de superficie, pero la Ley circuital de Ampère corresponde a la integración de trayectoria.

2. El campo eléctrico puede ser causado por una sola carga estática mientras que la fuerza magnética es causada por una carga en movimiento o dos corrientes infinitesimales en movimiento.

3. La línea de campo eléctrico nunca se cierra, pero la línea de campo magnético (excepto aquellas hacia el infinito) es una curva cerrada.

Answer 1

Considera esto: Una partícula cargada en reposo crea un campo eléctrico, pero no un campo magnético. Ahora, si pasas junto a la carga, estará en movimiento desde tu punto de vista, es decir, en tu marco de referencia. Por lo tanto, tu magnetómetro detectará un campo magnético.

Pero la carga simplemente está sentada en la mesa. Nada ha cambiado acerca de la carga.

Evidentemente, el espacio alrededor de la carga está lleno de algo que a veces parece ser un campo eléctrico puro, y otras veces parece tener un campo magnético. Concluimos que el campo es algo distinto a un campo eléctrico o un campo magnético. Es otro tipo de campo que combina los dos en una sola entidad.

Answer 2

Los argumentos de la relatividad especial presentados en las otras respuestas son correctos. Lo que es carga para un observador es corriente para otro observador que está en movimiento relativo al primero. Pero esto es, desde una perspectiva histórica, algo atrasado. Esta consideración es lo que llevó a Einstein a desarrollar la relatividad especial: el artículo se llama Sobre la Electrodinámica de Cuerpos en Movimiento. Pero mucho antes de Einstein, se sabía que la electricidad y el magnetismo no eran independientes.

¿Has visto la ley de inducción de Faraday? Si se mueve un imán a través de una bobina de alambre, habrá un campo eléctrico inducido en el alambre y una corriente medida producida como resultado. Esto es una pista de que la electricidad y el magnetismo están relacionados.

También parece que no has visto el término correctivo de Maxwell a la ley de Ampère. La ley de Ampère con solo la corriente como fuente no es consistente con la conservación de la carga eléctrica. Para que la ley de Ampère sea consistente con la conservación de la carga eléctrica, se debe incluir un término fuente proporcional a la tasa de cambio [derivada temporal] del campo eléctrico. Nuevamente, los campos eléctricos y magnéticos están interrelacionados.

No es posible formular teorías satisfactorias e independientes del campo eléctrico y magnético. Siempre estarán acoplados. Desde un punto de vista moderno, tiene que ser así porque no hay forma de ser consistente con Einstein de otra manera, pero fue debido a la teoría del electromagnetismo de Maxwell que se desarrolló la relatividad especial, no porque de la relatividad especial se haya dado cuenta de que la electricidad y el magnetismo están relacionados.

Answer 3

Tienes razón, el campo eléctrico y el campo magnético son campos distintos que tienen diferentes propiedades. La razón por la cual todavía se clasifican como la causa de la "fuerza electromagnética" son las siguientes:

En teorías superiores, como la teoría de campo, el campo eléctrico y el campo magnético son causados por los mismos principios de calibración. Solo hay una "interacción" entre una partícula y el campo electromagnético, y este campo eléctrico y el campo magnético son dos campos para describir esta interacción.

Además: Si cambias tu marco de referencia, por ejemplo, corriendo junto al experimento que estás observando en ese momento, entonces el campo eléctrico y el campo magnético se mezclarán. Qué parte de una fuerza que actúa sobre una partícula es magnética y cuál es eléctrica es una propiedad que depende de tu velocidad relativa hacia la partícula. Aquí nuevamente ves que el campo eléctrico y el campo magnético son solo dos formas de describir la "interacción electromagnética". Cómo se divide esta interacción en el campo E y el campo B depende de tu marco de referencia.

Answer 4

Varias respuestas han dado una explicación física sobre por qué las fuerzas eléctricas y magnéticas están estrechamente acopladas, y por qué no se pueden desarrollar teorías independientes de "solo campos eléctricos" y "solo campos magnéticos".

Tus subpreguntas (especialmente la #1) me hacen pensar que estás buscando algún tipo de simetría. ¡Resulta que hay una muy buena!

Toda la asimetría entre los campos eléctricos y magnéticos se puede atribuir completamente a un solo hecho:

Existen monopolos eléctricos, pero no magnéticos.

Si permites la existencia de carga magnética, las ecuaciones de Maxwell se vuelven completamente simétricas: $$ \begin{array}{ccc} & \textrm{Sin monopolos} & \textrm{Con monopolos} \\ \textrm{Ley de Gauss} & \nabla \cdot E = \frac{\rho}{\epsilon_0} & \nabla \cdot E = \frac{\rho}{\epsilon_0} \\ \textrm{Ley de Gauss (Magnetismo)} & \nabla \cdot B = 0 & \nabla \cdot B = \mu_0 \rho_m \\ \textrm{Ley de Faraday} & - \nabla \times E = \frac{\partial B}{\partial t} & - \nabla \times E = \frac{\partial B}{\partial t} + \mu_0 J_m \\ \textrm{Ley de Ampère} & \nabla \times B = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial E}{\partial t} + \mu_0 J & \nabla \times B = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial E}{\partial t} + \mu_0 J \\ \end{array} $$

Si la simetría no es clara, recuerda que $E$ y $cB$ tienen las mismas unidades, y que $\mu_0 \epsilon_0 = 1/c^2$, y reorganiza en consecuencia. $$ \begin{array}{cc} \nabla \cdot E = \frac{\rho}{\epsilon_0} & \nabla \cdot (cB) = \frac{\rho_m / c}{\epsilon_0} \\ - \nabla \times E = \frac{1}{c} \left( \frac{\partial (cB)}{\partial t} + \frac{J_m / c}{\epsilon_0} \right) & \nabla \times (cB) = \frac{1}{c} \left( \frac{\partial E}{\partial t} + \frac{J}{\epsilon_0} \right) \end{array} $$

De hecho, si "rotas" entre $(E, B)$, $(\rho, \rho_m)$ y $(J, J_m)$, obtendrás un conjunto de campos que aún satisfacen estas ecuaciones de Maxwell extendidas. Así que si giras por $\pi/2$, podrías convertir cualquier campo sin monopolos magnéticos en un campo sin monopolos eléctricos.

Desafortunadamente, no sé lo suficiente sobre la física para explicar por qué esos términos adicionales son de la forma en la que son, así que espero que alguien que entienda mejor lo haga. Solo sé de ellos desde una perspectiva de diseño de antenas, donde la carga magnética es una herramienta conceptual útil que simplifica los cálculos.

EDIT: Hay una respuesta a una pregunta diferente que proporciona una forma aún más limpia para las leyes de Maxwell (sin $\epsilon_0$s o $\mu_0$s!)

Answer 5

Con respecto a 1) observa que hay un patrón común; es decir, que hay alguna región (volumen para Gauss y una superficie para Ampere) y la integral de la fuente en esta región es igual a la integral del campo en el límite. Esto es una sorprendente similitud.

2) las corrientes no son más que cargas en movimiento. Por lo tanto, ambos campos son generados por cargas. Estos son dos lados de la misma moneda. Ambos están relacionados con el movimiento de cargas pero en direcciones diferentes. La carga estática está "moviéndose en el tiempo, pero no en el espacio" y produce solo campo eléctrico. Las cargas en movimiento se mueven tanto en el tiempo como en el espacio y producen tanto campo eléctrico como magnético. Todo esto está perfectamente unificado en la relatividad. Aquí, la densidad de carga y la corriente están incorporadas en un solo objeto: el cuadriector de corriente. Los cuadriectores tienen un componente temporal y 3 componentes espaciales. La densidad de carga es el componente temporal de la corriente (es la corriente que se mueve en el tiempo), mientras que lo que comúnmente pensamos como corriente (en el espacio) es el componente espacial de este cuadriector.

3) Este es un argumento interesante, necesito pensarlo.