Sobre la electrodinámica de la bobina de Tesla y Albert Einstein Chile

Institución: Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de
Chile
Titulo: Sobre la electrodinámica de la bobina de Tesla y Albert
Einstein
Introducción:
Se explican algunos antecedentes en la teoría del electromagnetismo que motivaron a
Einstein a desarrollar su Teoría de la Relatividad. Se demuestran experimentos basados
en la teoría electromagnética culminada por Maxwell poco antes del nacimiento de
Einstein.
Einstein y la Bobina de Tesla
Albert Einstein es conocido universalmente por su Teoría de la Relatividad. Aunque
parezca extraño, el artículo en que presentó esta teoría al mundo no contiene en el
título la palabra relatividad, sino que se llama "Sobre la electrodinámica de los cuerpos
en movimiento". Fueron las leyes del electromagnetismo las que llevaron a Einstein a
formular su famosa teoría.
Figura 1. El movimiento relativo del
conductor y la brújula determina el campo
magnético detectado.
Einstein razonó más o menos así. Supongamos que tenemos un alambre conductor
cargado, cuyas cargas están en reposo respecto a nosotros. Entonces mediremos un
campo eléctrico. Si las cargas se mueven hacia la derecha respecto a nosotros,
entonces con una brújula podemos detectar un campo magnético. Con un aparato un
poco más sofisticado podemos medir además de la dirección, la intensidad del campo
magnético. Este campo magnético es producido por el movimiento de las cargas
eléctricas y no existe en el caso de que el alambre esté en reposo. ¿Qué ocurre si en
vez de moverse el alambre, nos movemos con la brújula hacia la izquierda?
¿Detectaremos un campo magnético? La respuesta es sí, pues la existencia de un
campo magnético depende del movimiento relativo de las cargas eléctricas respecto al
aparato de medición, denominado genéricamente observador. Einstein desarrolló la
idea, que parece obvia, de que las leyes de la Física son exactamente las mismas para
todos los observadores. En nuestro caso esto significa que el observador que se mueve
con rapidez v hacia la izquierda del alambre cargado detecta y mide el mismo campo
magnético que un observador inmóvil enfrentado al conductor que se mueve hacia la
derecha con rapidez .
En otras palabras, sólo depende del movimiento relativo del observador y el conductor,
y esto es la esencia del principio de la relatividad. Desarrollando matemáticamente
esta idea Einstein obtuvo relaciones matemáticas entre las intensidades del campo
eléctrico y el campo magnético medidas por los dos observadores. Una de las
consecuencias de las ecuaciones anteriores es que la velocidad de la luz en el vacío es
una constante universal.
El origen de la teoría de la relatividad se sustenta en las ecuaciones del
electromagnetismo, descubiertas parcialmente por varios sabios del siglo XIX y
completadas por otro genio, James Clerk Maxwell, unas tres décadas antes de 1905. La
teoría electromagnética fue confirmada poco después de su muerte y una multitud de
experimentos desarrollados antes de 1905 daba soporte a una confianza absoluta ella.
Uno de los muchos experimentos que confirma las leyes de Maxwell es la Bobina de
Tesla.
La Bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce altas tensiones de
elevadas frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables por el ojo humano
como chispas, coronas y arcos eléctricos. Fue inventada por Nikola Tesla, un
extraordinario ingeniero serbio-americano, quien en 1891 desarrolló un generador de
alta frecuencia y alta tensión con el cual proyectaba trasmitir la energía eléctrica sin
necesidad de conductores. Aunque la idea no prosperó, a Tesla le debemos la corriente
trifásica, los motores de inducción que mueven las industrias y otras 700 patentes
más.
Figura 2. Fotografía
y esquema eléctrico
de la bobina de
Tesla.
La bobina funciona como sigue. El transformador T1 carga al capacitor C1 y se
establece una alta tensión entre sus placas. El voltaje tan elevado es capaz de romper
la resistencia del aire, haciendo saltar una chispa entre los bornes del explosor EX. La
chispa descarga al capacitor C1 a través de la bobina primaria L1 (con pocas espiras)
estableciendo una corriente oscilante. Enseguida el capacitor C1 se carga nuevamente
repitiendo el proceso. Así resulta un circuito oscilatorio de radio frecuencia al que
llamaremos circuito primario. La energía producida por el circuito primario es inducida
en la bobina secundaria L2 (con mas vueltas). El circuito secundario se forma con la
inductancia de la bobina L2 y la pequeña capacidad distribuida en ella misma, diseñado
de modo que el circuito secundario oscila a la misma frecuencia que el circuito
primario, entrando en resonancia. Finalmente, el circuito secundario produce ondas
electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy elevados. Las ondas que se
propagan en el medio ionizan las moléculas del aire, convirtiéndolo en trasmisor de
corriente eléctrica.
Si se acerca una ampolleta al electrodo superior de la bobina de alto voltaje L2, se
observarán los efluvios internos provocados por la radiofrecuencia. Una lámpara
fluorescente se encenderá también al acercarla, lo mismo con un tubo de neón. Se
puede provocar una chispa de RF tomando un objeto metálico oprimido fuertemente
con los dedos y acercando su extremo al electrodo superior de la bobina; si no se
oprime fuertemente, el arco puede quemar la piel. No acerque aparatos
electrónicos a la bobina, pues la alta tensión de radiofrecuencia los puede dañar.
Figura 3: Impulsor electromagnético.
Otro aparato interesante es el impulsor electromagnético. Este consiste en un
transformador cuyo núcleo de hierro sobresale, de modo que además del intenso
campo magnético interior, se genera un intenso campo magnético residual a su
alrededor. Si se deposita un anillo metálico cerrado, al conectar la electricidad se
establece un campo magnético intenso dentro del núcleo del transformador que varía
en el tiempo con la frecuencia de la corriente alterna de la red eléctrica. Las leyes del
electromagnetismo explican que en el transformador y el aro se generan corrientes
eléctricas que tienden a compensar la variación del flujo magnético encerrado por el
aro. Estas corrientes a su vez son desviadas por el campo magnético residual que
atraviesa el aro, resultando en un empuje neto hacia arriba aplicado al aro.
Einstein aplicó la idea de la universalidad de las leyes de la Física, expresada en la
invariancia de sus ecuaciones, usando las ecuaciones del electromagnetismo
formuladas Maxwell. Resulta que la aplicación subsecuente del principio de la
relatividad a las leyes de la mecánica, formuladas por Isaac Newton (otro gigante de la
ciencia de la misma talla de Einstein) hace trescientos años, implica modificar las leyes
y ecuaciones de Newton, modificaciones que se hacen evidentes a velocidades
comparables a la velocidad de la luz y llevan a los famosos fenómenos de la dilatación
del tiempo y la contracción de las longitudes. Es notable que Einstein pudo optar por
haber mantenido invariantes las ecuaciones de Newton y modificar las ecuaciones de
Maxwell. Modificar las hasta entonces indiscutidas ecuaciones de Newton requirió
audacia, y una prueba de esto es que Einstein no recibió el Premio Nobel por su más
famoso descubrimiento, sino por su también osada y controversial teoría del efecto
fotoeléctrico y “otras contribuciones”. Sin duda, las notables confirmaciones de la
teoría electromagnética de Maxwell, incluyendo experimentos como la bobina de Tesla,
lo condujeron por el camino correcto. La relación de continuidad entre los trabajos
científicos de Maxwell y Einstein (no se conocieron personalmente, pues Einstein nació
el año en que murió Maxwell) se extiende a otras ramas de la Física, pero esto es otra
historia.
Para aprender mas:
Enciclopedia libre Wikipedia: http://es.wikipedia.org/
A. Einstein, La relatividad, EMECE Editores S. A., Buenos Aires (1950).