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Introducción FII GIA

De Laplace

Contenido

1 Fuerzas de la Naturaleza

Hay cuatro fuerzas fundamentales en la Naturaleza, a saber

  1. Gravitatoria
  2. Electromagnética
  3. Fuerza fuerte
  4. Fuerza débil

Recientemente medidas experimentales sobre la expansión del Universo sugieren que puede haber una quinta interacción responsable de que la velocidad de expansión del Universo se esté acelerando. Pero esto aún es especulativo.

1.1 Fuerza gravitatoria

La interacción gravitatoria explica la atracción entre los cuerpos debida a su masa. Es de largo alcance, lo que quiere decir que sus efectos se perciben a distancias muy grandes. En nuestra vida diaria es la responsable del peso. A escala cosmológica es la fuerza que controla la evolución del Universo.

La magnitud física relacionada con la gravedad es la masa.

1.2 Fuerza fuerte

La fuerza fuerte es de corto alcance. Sus efectos se notan en distancias del orden del diámetro de los núcleos atómicos (\sim10^{-15}\,\mathrm{m} ). Describe las interaccione entre las quarks, que son las partículas fundamentales de las que están hechos los protones y neutrones de los núcleos atómicos. Es la responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos, impidiendo, por ejemplo, que la repulsión eléctrica entre los protones rompa los núcleos.

La magnitud física relacionada con la Fuerza Fuerte recibe el nombre de color.

1.3 Fuerza débil

La fuerza débil es de aún más corto alcance (\sim10^{-18}\,\mathrm{m} ) y menos intensa que la fuerza fuerte y la electromagnética (de ahí su nombre). El efecto más importante es la radiación beta compuesta por electrones energéticos.

La magnitud física relacionada con la interacción débil es el isospín.

1.4 Fuerza electromagnética

La interacción electromagnética, que es la que vamos a estudiar en este cuatrimestre, describe las interacciones entre los cuerpos con carga eléctrica. Es de largo alcance, es decir, se siente a largas distancias, y puede ser tanto atractiva como repulsiva. Algunos ejemplos de los fenómenos que describe el Electromagnetismo son

  • Fuerzas entre cargas eléctricas
  • Corriente eléctrica
  • Fuerzas entre imanes y corrientes
  • Ondas electromagnéticas

La magnitud física relacionada con el Electromagnetismo es la carga eléctrica.

2 Acción a distancia vs. Campo

Históricamente hay dos maneras de describir la fuerza que dos cuerpos se ejercen entre sí, como una acción a distancia o con un campo como mediador. Esto es válido para todas las interacciones fundamentales, aunque aquí hablaremos únicamente del Electromagnetismo.

2.1 Acción a distancia

La idea en este caso es que la fuerza se ejerce directamente entre dos cuerpos. Consideremos dos cargas eléctricas. Usando el concepto de acción a distancia, cada una de las cargas "ve" a la otra y ejerce una fuerza sobre ella. La magnitud, dirección y sentido de esta fuerza depende en cada instante de las propiedades de las cargas y de la distancia entre ellas. Este concepto es simple e intuitivo, y es que el Newton tenía en mente cuando enunció las leyes de la Mecánica y de la gravitación universal. Pero tiene el problema de que implica una transmisión de información a velocidad infinita. Si la carga q2 se mueve, la carga q1 tiene que "saber" en cada instante donde está para asignar el valor correcto de la fuerza, independientemente de la distancia entre las dos cargas. Esto contraviene el principio relativista de que ninguna interacción ( y ninguna información) puede viajar más rápido que la luz en el vacío.

El electromagnetismo puede describirse en términos de acción a distancia, pero es muy complicado describir fenómenos como las ondas electromagnéticas, además de que se plantean problemas con el principio de causalidad.

2.2 Concepto de campo

El concepto de campo como mediador para describir las fuerzas entre cuerpos fue introducido por Michael Faraday y desarrollado por Maxwell en la primera mitad del siglo XIX. En esta visión, la carga q1 no "ve" la carga q2. La carga crea un campo \vec{E}_1 en el espacio que la rodea, y este campo es el que ejerce la fuerza sobre la carga q2. Se dice que la carga q1 es la fuente del campo eléctrico \vec{E}_1 . Obviamente, para describir la fuerza que la carga q2 ejerce sobre q1 se dice que la carga q2 crea un campo \vec{E}_2 y que este campo actúa sobre la carga q1.

Con este concepto se evita la transferencia instantánea de información. Si la carga q2 se mueve, es el campo \vec{E}_1 el que asigna localmente la fuerza sobre ella. La carga q1 no se entera del cambio de posición de q2. Usando un ejemplo de la vida diaria, cuando miramos al Sol, no vemos el Sol propiamente, sino el campo electromagnético que crea (la luz). Si el Sol desapareciera en este instante, nosotros no nos daríamos cuenta hasta dentro de unos 8 minutos, que es el tiempo que tarda la luz en llegar hasta nosotros.

Esta visión de las interacciones permite describir de manera natural las ondas electromagnéticas. Éstas son perturbaciones que se propagan en el campo electromagnético debidas a cambios en la fuente que lo crea.

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