¿Cómo se almacena la energía en los campos magnéticos y eléctricos?

Question

Decimos que hay energía asociada con los campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, en el caso de un inductor, damos una respuesta vaga diciendo que se almacena una energía de $\frac{1}{2} LI^2$ en el campo magnético alrededor del inductor.

Para un capacitor, decimos que la energía se almacena en el campo. Esto es comprensible ya que el campo eléctrico está tratando de combinar las cargas en las placas pero existe una barrera física que las separa. En otras palabras, puedo decir que la energía se almacena como la energía potencial eléctrica de las cargas en las dos placas.

¿Qué significa decir que hay energía asociada con los campos magnéticos de un inductor? No hay monopolos magnéticos que estén almacenando energía potencial magnética, ¿pero podrían haber dipolos magnéticos que estén almacenando la energía?

Tal vez haya fotones de fiesta alrededor del campo llevando energía (no estoy hablando en serio acerca de este comentario, pero estoy dando una idea de qué tipo de respuesta estoy esperando).

En mi opinión, esto no es un duplicado. Las respuestas a preguntas similares afirman que el trabajo lo realiza la corriente que se mueve en el circuito y se almacena en los campos. Lo entiendo. Esta pregunta pregunta cómo se almacena la energía en los campos, no de dónde proviene.

Answer 1

Esta es una respuesta cualitativa:

El nivel subyacente de la naturaleza es cuántico mecánico. Los conceptos clásicos, como los campos eléctricos y magnéticos, surgen de este nivel subyacente.

Tomemos un condensador cargado. Todas las cargas negativas están en una cara y todas las positivas en la otra y existe un campo eléctrico clásico entre las placas que tiene energía. Esta energía es la energía potencial que separa las cargas cuánticas mecánicas, los electrones han sido movidos de un lado a otro y se crearon iones, y la energía almacenada proviene de esta operación.

Si se toma un electrón por sí mismo, hay una carga y un campo eléctrico asociado matemáticamente con esa carga, pero no hay energía para ser tomada o dada al electrón único porque la carga es intrínseca. Así que el cómo de los ensembles que dan campos eléctricos terminan en la pregunta básica al nivel de un solo electrón obteniendo la respuesta "porque eso es lo que se ha observado".

Esto siempre sucede con la física porque es una ciencia que usa matemáticas para ajustarse a las observaciones, y hay observaciones básicas que se asumen. La física de partículas las ha codificado en el tabla de partículas del modelo estándar. Así que se puede responder a esta pregunta secuencialmente, pelando la cebolla de la complejidad, hasta llegar a los hechos medidos básicos.

Se puede hacer un argumento más complicado para el campo magnético (hay que usar el concepto de cargas en movimiento, una observación) y al final la respuesta al último cómo volverá a la tabla del modelo estándar.

Answer 2

La separación de cargas para capacitores que explicaste por tu cuenta. Solo tengo que explicar el almacenamiento de energía en bobinas inductoras.

¿Qué significa decir que hay energía asociada con los campos magnéticos de un inductor?

Cada electrón tiene un momento dipolar magnético. Estos momentos en la mayoría de los materiales están distribuidos de manera equitativa en el espacio para todos los electrones y se anulan entre sí. (No es así para materiales magnéticos).

Los electrones en movimiento en un camino curvado inducen un campo magnético común. Esto sucede mediante la alineación de sus momentos dipolares magnéticos. Debido a esto, la resistencia de Ohm de una bobina es mayor que la resistencia de un alambre recto de la misma longitud. Al apagar la corriente a través de una bobina, la alineación de los electrones se pierde nuevamente y se induce una corriente por un tiempo. (Los electrones se ven perturbados por el movimiento térmico de los átomos. En las bobinas muy viejas, esto se evita y la alineación de los electrones de sus momentos dipolares magnéticos se mantiene por sí misma.)