Un poco de información básica: planeo escribir un pequeño folleto o una página web sobre arquitectura de CPU/computadora, básicamente para mi propia educación, porque no lo cubrimos en profundidad en la universidad. Siento que debería estar aprendiendo mucho más sobre los fundamentos de cómo funcionan las computadoras, si quiero ser un mejor programador.
La idea es presentar el funcionamiento de una CPU describiéndola desde cero. Comenzando con circuitos eléctricos simples, luego semiconductores, transistores, etc. De la clase de física de mi escuela, recuerdo que a menudo me quedaban muchas lagunas sobre cómo se vinculan los diferentes conceptos. Quiero evitar esto.
Así que aquí está mi pregunta: ¿Cómo funciona realmente un campo eléctrico? ¿Cómo es que un electrón puede ejercer una fuerza sobre otro electrón sin contacto físico? ¿Qué hay en un electrón que crea el campo, de dónde viene la energía para hacer el trabajo?
¿Cómo funciona realmente un campo eléctrico?
Hay dos formulaciones que describen los datos conocidos sobre campos eléctricos y magnéticos.
a) La teoría electromagnética clásica regida por las ecuaciones de Maxwell. Esto funciona bien para describir los datos macroscópicos, de los cuales el campo eléctrico es un componente.
b) La formulación de la mecánica cuántica que conduce a una explicación de cómo se construyen los campos, que es necesaria para explicar efectos como el "efecto fotoeléctrico", el comportamiento de los átomos y las moléculas, el interior de los átomos y las moléculas.
Pues a) el campo eléctrico es un componente fundamental del comportamiento de la materia.
Pues b) el campo eléctrico se construye coherentemente por innumerables intercambios de partículas virtuales , principalmente fotones virtuales, entre los generadores del campo y los detectores de su existencia, por lo que no es fundamental. La carga es fundamental en este marco, y la carga se cuantifica (+/-1/3, +/-2/3, +/-1) en unidades de carga de electrones de valor absoluto. Por eso es una teoría cuantizada del mundo.
¿Cómo es que un electrón puede ejercer una fuerza sobre otro electrón sin contacto físico?
Porque a) es una acción a distancia, el campo del electrón ejerce una fuerza sobre otra materia cargada; similar a la gravedad newtoniana clásica, donde las masas ejercen una fuerza entre sí.
¿Qué hay en un electrón que crea el campo, de dónde viene la energía para hacer el trabajo?
Es la carga del electrón. Cuando hablamos de electrones, realmente estamos en el ámbito de b), la mecánica cuántica, porque su tamaño es del tamaño en el que se debe usar la mecánica cuántica para comprender los datos.
En lenguaje QM, el electrón, cuando se mira individualmente, está continuamente intercambiando fotones virtuales con los límites de su contención. Virtual significa que la energía y el momento no se conservan porque nada real se intercambia con los otros electrones/iones, excepto la información "Estoy aquí". Cuando hay muchos electrones involucrados, por ejemplo, la superficie de una esfera metálica cargada, el campo eléctrico colectivo se construye a partir de esos intercambios.
La energía la suministró en este caso el experimentador que aportó trabajo para separar los electrones del resto de las moléculas, convirtiéndolas en iones. Ya sea por el efecto triboeléctrico o por los clásicos generadores de electricidad, utilizando campos magnéticos y proporcionando una corriente de electrones. en metales En última instancia, es energía cinética convertida en energía eléctrica. (en realidad energía solar almacenada en combustibles o obras hidráulicas, convertida en energía cinética...)
Ahora, los campos magnéticos, que se utilizan para generar la mayor parte de nuestra electricidad, son una historia un poco diferente, pero son similares y nuevamente necesitan que se entienda la mecánica cuántica. En el escenario a) también son fundamentales.
Voy a parafrasear una respuesta de Feynmann a quien se le pidió que explicara las fuerzas electromagnéticas. Él (correctamente) interpretó la intención del interrogador como "explicar E&M en términos de la fuerza entre tu trasero y la silla". El problema es que E&M es simplemente una interacción fundamental entre partículas y es la descripción microscópica fundamental de la mayoría de las fuerzas macroscópicas con las que nos enfrentamos en el día a día.
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Sugiero leer QED: La extraña teoría de la luz y la materia del Dr. Feynmann y ver si puede resumirlo para cumplir con sus requisitos.
alfredo centauro
rojoarenosoladrillo