Una verdadera explicación de la dependencia senoidal electromagnética

Question

¿Puede alguien llenar los vacíos que tengo sobre qué exactamente cambia de un estado a otro durante un círculo electromagnético particular?

Primero, asumamos que esta es una característica de campo magnético puro. Comenzando desde el punto $0$ comienza gradualmente a aumentar su magnitud hasta que eventualmente alcanza su máximo, luego comienza a disminuir en valor y llega a un punto $0$ o medio círculo ($180$ grados) y aquí es donde surge mi confusión. ¿Cómo puede el campo magnético tener un valor negativo? Simplemente no tiene sentido para mí, algo simplemente no existe (punto $0$) o existe (en algún lugar arriba de $0$).

La confusión se intensifica aún más cuando se trata de comprender la dependencia electromagnética.

Dos campos separados perpendiculares entre sí comienzan en el punto $0$, ganan magnitud con el tiempo y alcanzan sus amplitudes, luego comienzan a disminuir en valor y alcanzan el punto de medio círculo $0$ ($180$ grados), luego ambos pasan a su segundo medio círculo (por debajo de $0$) hasta los $360$ grados.

Entonces, lo que realmente estoy preguntando es una explicación general sobre lo que está sucediendo. Soy consciente del punto matemático, pero carezco de una comprensión real y esencial de cómo funciona esto en realidad. Tomamos muchas clases llenas de fórmulas, diagramas y exámenes regulares, pero siento que me estoy perdiendo la imagen completa. Como dijo Richard Feynman una vez, hay una gran diferencia entre saber algo (memorizar) y realmente entenderlo, y siento que simplemente sé esto en lugar de entenderlo. Busco aquí una comprensión fundamental profunda, no una definición de libro de texto.

Answer 1

Recordemos el hecho experimental básico: los campos EM empujan la carga eléctrica. Algo sobre la interacción entre la carga y el espacio (y tiempo) a su alrededor está empujando la carga, y las oscilaciones del campo electromagnético son simplemente un bamboleo que varía en el tiempo en lo que sea que esté empujando la carga. No se puede ser más intuitivo o profundo que eso, eso es básicamente un resumen de todo lo que sabemos a un nivel cotidiano sobre esta interacción. Empujes negativos son simplemente aquellos que empujan en la dirección opuesta a una dirección de referencia arbitrariamente elegida.

Luego intentamos adivinar qué reglas cuantifican ese empuje, y vemos cómo encajan en el experimento. Una buena suposición inicial es que las reglas dependen del estado de movimiento de la carga concernida: ve un peine frotado en lana atraer inicialmente polvo estando en reposo - evidentemente hay una fuerza cuando la carga está quieta. Esta es la parte eléctrica. Ve cargas en movimiento seguir círculos en las inmediaciones de un imán acercado a un tubo de rayos catódicos: evidentemente hay una fuerza perpendicular al movimiento de la carga. Esta es la parte magnética. Pero resulta que según la relatividad especial, si suponemos que la relación es una función lineal del estado de movimiento y si tiene que ser independiente del estado de movimiento de un observador inercial, que estas observaciones experimentales son exactamente el tipo más general de interacción que puede haber entre un "campo" (sea lo que sea en el espacio tiempo que está empujando) y una carga puntual (cito mi respuesta aquí, aunque probablemente no lo entenderás hasta que estudies la relatividad especial). Entonces la parte eléctrica y magnética no pueden ser separadas y ambas pertenecen a un objeto unificado, geométrico. No se causan entre sí, son diferentes "fragmentos" de un objeto unificado.

Nuevamente desde la relatividad especial, sabemos que procesos físicos no pueden viajar a través del espacio tiempo a una velocidad mayor que el límite de velocidad de señalización universal $c$. Esto lo sabemos por la observación muy cotidiana de que las causas de las cosas siempre parecen ocurrir antes de los efectos que generan (ver mi respuesta aquí). Esto implica una transmisión "como una onda" del "empujón" a través del espacio con una velocidad finita menor o igual a $c$. Resulta experimentalmente que esta velocidad es $c$ - de cualquier manera, el objeto unificado de "empujón" electromagnético del que hablo arriba tiene que cumplir con algún tipo de ecuación que haga que las perturbaciones en él viajen a una velocidad finita.

Answer 2

En mi opinión, la mejor manera de entender físicamente lo que está sucediendo aquí es imaginar que has fijado una carga positiva en una línea y luego la sometes a un campo eléctrico oscilante (por simplicidad). El campo eléctrico oscilante ejercerá una fuerza sobre la carga de manera que oscilará hacia arriba y hacia abajo (por favor, ignore cosas como la radiación aquí). Si el campo eléctrico no pudiera alcanzar un "valor negativo", entonces la carga simplemente aceleraría hacia arriba y eso no es lo que sucede en realidad-- en realidad, cuando brillamos luz sobre partículas cargadas, estas oscilan hacia arriba y hacia abajo.

Answer 3

Puedes hacer la misma pregunta sobre las olas de agua. Cuando la displacia es 0, el momento y la energía cinética del agua son máximos, y esto impulsará la subsiguiente displacia.

Para la energía de la onda electromagnética del campo E y B, tanto dE/dt como dB/dt son máximos cuando E y B son cero. De la misma manera que para la displacia física, estos campos no pueden instantáneamente sin interacción reducir su primera diferencial (tasa de cambio) a cero (lo que representaría la pérdida de toda su energía).

No iría más allá y empezaría a buscar un modelo de partícula o cuántico a menos que quieras cambiar de curso. Solo saber que es algo que puede mantener su dE/dt y dB/dt así como un campo E y B, espero que eso te satisfaga.