Il campo elettromagnetico e le equazioni di Maxwell
Le scoperte di Oersted e di Faraday dimostrarono molto chiaramente che il campo elettrico e il campo magnetico sono due entità interdipendenti e che solo in determinate condizioni − per esempio, in assenza di cariche in movimento − si presentano distinti. Negli anni successivi alle scoperte di questi due scienziati, il fisico scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) formulò la sua teoria del campo elettromagnetico, secondo cui anche nel vuoto campi elettrici variabili producono campi magnetici e, viceversa, campi magnetici variabili producono campi elettrici. Le azioni elettromagnetiche subite da un corpo sono dunque dovute alle modificazioni nello spazio delle proprietà fisiche di una regione, il campo elettromagnetico, generata da cariche elettriche e da magneti.
La teoria di Maxwell è sintetizzata dalle equazioni di Maxwell, formulate dal fisico scozzese nel 1873, che descrivono il comportamento del campo elettromagnetico e permettono di prevedere l'esistenza di onde che vi si propagano e al tempo stesso lo trasportano, dette onde elettromagnetiche, di cui fanno parte anche le onde luminose (che viaggiano nel vuoto alla velocità della luce, pari a circa 300.000 km/s).
Le quattro equazioni di Maxwell collegano tra loro i campi elettrico e magnetico e ne descrivono le mutue interazioni.
Le prime due descrivono i campi elettrico e magnetico e concernono l'esistenza di "cariche" che li producono; in particolare, la prima descrive il campo elettrico generato da cariche ferme, secondo la legge di Coulomb; la seconda stabilisce che non esistono cariche magnetiche isolate, diversamente da quanto accade per le cariche elettriche, ma che il polo nord di un magnete è sempre legato a un polo sud.
La terza equazione di Maxwell esprime la legge dell'induzione elettromagnetica di Faraday-Neumann, secondo cui un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico.
La quarta equazione di Maxwell afferma che una qualsiasi corrente genera un campo magnetico, sia una corrente continua sia un campo elettrico variabile nel tempo: in quest’ultimo caso si introduce una quantità detta corrente di spostamento, che non viene generata da cariche elettriche in movimento, ma produce effetti magnetici paragonabili a una corrente vera e propria.
Le equazioni di Maxwell per i fenomeni elettrici e magnetici si possono considerare l’equivalente delle equazioni di Newton per la meccanica, perché permettono di conoscere, almeno in via di principio, la situazione in un istante passato o futuro, conoscendo le condizioni iniziali.