unificación de la electricidad, magnetismo y óptica

UNIFICACIÓN DE LA ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y
ÓPTICA: ELECTROMAGNETISMO
Jaume Parra Paños.
IES Eugeni d’Ors. Tutor: E. Gasque. 2n de Batxillerat.
MOTIVO
El motivo por el cual he elegido este trabajo de investigación es porque engloba conceptos científicos que me serán útiles en el futuro cuando quiera realizar estudios tecnológicos o científicos.
Debo añadir además mi inclinación hacia las ciencias en general. En este momento en que finalizo
el bachillerato, se abre ante mí un campo de estudios universitarios todavía desconocidos, y que
me interesa conocer. Este trabajo ha abierto una puerta en este ámbito.
OBJETIVOS
Los objetivos marcados al elaborar este trabajo son:
• Realizar un estudio sobre la evolución histórica de la unificación de la electricidad, el magnetismo
y la óptica.
• Estudiar las influencias que tuvieron en J. C. Maxwell científicos como W. Thomson, M. Faraday
y otros para la elaboración de su unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica.
• Analizar y reflexionar sobre la evolución histórica de la unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica.
Este trabajo intenta exponer el método que utilizó Maxwell para llegar a sus ecuaciones, que describen el comportamiento del campo electromagnético, y su teoría de la unificación del electromagnetismo.
METODOLOGÍA
El presente trabajo de investigación es de tipo bibliográfico, y por lo tanto, la metodología utilizada
para su realización es histórica descriptiva para poder reconstruir cronológicamente los hechos
más importantes que sucedieron durante la evolución histórica de la unificación de la electricidad,
el magnetismo y la óptica.
Se han reproducido algunos de los experimentos más importantes que se hicieron durante la evolución de la unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica, con la ayuda de los cuales se
pudo establecer dicha unificación del electromagnetismo.
La estructura que sigue este trabajo de investigación es la siguiente:
Se ha explicado la evolución histórica de la electricidad, el magnetismo y la óptica de forma independiente, ya que antiguamente eran materias de la física sin conexión entre ellas.
En el apartada sobre la electricidad se describe la evolución histórica de la electricidad, así como
de los descubrimientos más importantes y la evolución del concepto de electricidad y de carga
eléctrica, desde sus inicios hasta antes de su unificación con el magnetismo.
Dentro de esta evolución se describen dos grandes etapas:
1ª. Sólo se conocía la electricidad estática y las máquinas que se inventaban estaban orientadas a
la producción de esta electricidad y a su almacenamiento (en condensadores como la botella de
Leyden).
2ª. Con el descubrimiento de la pila por A. Volta (1745-1827) se pudo empezar a estudiar la electrodinámica, observando los fenómenos producidos por las corrientes eléctricas.
El estudio sobre el magnetismo se centra en el descubrimiento de este fenómeno en los minerales
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(magnetita), sus propiedades observadas y en el descubrimiento del magnetismo terrestre, con las
investigaciones acerca de las propiedades magnéticas de la Tierra y la invención de la brújula para
la orientación. También se explica las teorías con las que se interpretaban los fenómenos magnéticos observados.
Con referencia a la óptica se describe cómo había evolucionado la idea que se tenía acerca de la
naturaleza de la luz a lo largo de los siglos, hasta antes de su unificación con el electromagnetismo. Este apartado se centra en las dos teorías más importantes que surgieron y la gran controversia que hubo acerca de cual de ellas aceptar y cual rechazar. También se explica, dentro del contexto histórico, las propiedades más importantes de la luz.
Después se ha realizado un apartado sobre el electromagnetismo, en el cual se explican los experimentos realizados con el fin de observar que la electricidad y el magnetismo estaban interrelacionados y la teoría que surgió para explicar los fenómenos observados. Estos experimentos y teoría
hicieron posible la unificación de la electricidad y del magnetismo.
En el electromagnetismo se describe principalmente el experimento realizado por C. Oersted
(1777-1851) en 1820, con el que se demostró que había una estrecha relación entre electricidad y
magnetismo; la teoría electrodinámica de A. M. Ampère (1775-1836), propuesta en 1820 y que dio
una apariencia matemática a los fenómenos electromagnéticos observados; y los experimentos
llevados a cabo por M. Faraday (1791-1867): la rotación e inducción electromagnéticas, así como
su concepto de campo y líneas de fuerza.
Finalmente, me he centrado en la unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica, exponiendo la teoría de la unificación del electromagnetismo, sugerida por James Clerk Maxwell (18311879), y la posterior corroboración experimental por Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894). En este
apartado se describen primero los artículos publicados por J. C. Maxwell de forma individual.
Dicha teoría consta de las cuatro ecuaciones de Maxwell, que predicen la existencia de ondas
electromagnéticas y que la luz no es más que una forma de onda electromagnética.
Posteriormente se explican, también de forma individual, los artículos publicados por H. Hertz, que
comprueban experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas y que la teoría de
Maxwell era correcta.
CONCLUSIONES
Se puede hacer una gran división en el estudio de la electricidad: electrostática y electrodinámica.
Esta división viene dada por la invención de la pila por A. Volta en 1796, que fue el descubrimiento
más importante, ya que con ella se podía producir una corriente eléctrica constante sin ningún esfuerzo.
Durante las investigaciones de la electrostática, antes de la invención de la pila voltaica, los hechos
más importantes fueron la invención de la botella de Leyden en 1745, con la que se podía almacenar electricidad y la averiguación cuantitativa de las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas
eléctricas por A. Coulomb (1736-1806) entre 1785 y 1788.
A partir de la aparición de la pila de Volta se comenzó el estudio de la electrodinámica, estudiando
cómo se producían las corrientes eléctricas que se podían obtener; y también se descubrió la
electrólisis en 1800, con la que se sugirió la existencia del electrón en 1891.
El descubrimiento más importante en magnetismo fue la invención de la brújula, con la que se deducía que la Tierra se comportaba como un enorme imán. Algunas de las propiedades de los imanes se pudieron conocer debido a las observaciones de las propiedades que mostraba el magnetismo terrestre.
Igualmente importante fue el estudio de A. Coulomb en esta materia a partir de 1785, ya que establece que para calcular las fuerzas de atracción y de repulsión entre imanes hacía falta la teoría
newtoniana que se usa para las fuerzas gravitatorias, teniendo en cuenta también la teoría de los
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fluidos magnéticos de F. Aepinus.
Hubo una gran controversia en el s. XVII entre las dos teorías que surgieron sobre la naturaleza de
la luz. Una era la teoría propuesta por I. Newton (1642-1727) entre 1669 y 1671, según la cual la
luz estaba formada por pequeñas partículas que viajaban en línea recta. La otra teoría la propuso
C. Huygens (1629-1695) en 1673 y decía que la luz estaba formada por ondas.
Esta controversia estaba justificada ya que modernamente, debido a la explicación del efecto fotoeléctrico por A. Einstein (1879-1955) en 1905, se regresó a la teoría corpuscular abandonada anteriormente, de forma que actualmente se aceptan las dos teorías para explicar la naturaleza de la
luz.
El cálculo de la velocidad de propagación de la luz fue útil para que posteriormente Maxwell unificase la electricidad, el magnetismo y la óptica en su teoría de la unificación del electromagnetismo.
El experimento realizado por C. Oersted en 1820 tuvo mucha importancia, ya que con él se pudo
observar la interrelación que hay entre la electricidad y el magnetismo, y esto dio pie al inicio de investigaciones en este ámbito; en 1820, A. M. Ampère formuló su teoría electrodinámica. Faraday
descubrió en 1831 la inducción electromagnética y durante ese periodo de tiempo desarrolló los
conceptos de campo y líneas de fuerza. Con todos estos experimentos y esta teoría, la electricidad y el magnetismo quedaron unificados.
Maxwell no había estudiado nada sobre electricidad ni magnetismo y por ello se comenzó a cartear con W. Thomson (1824-1907) para informarse sobre el tema y también se informó sobre los experimentos que había realizado Faraday y sobre sus conceptos del campo electromagnético.
Maxwell obtuvo fuertes influencias de estos dos científicos: de W. Thomson aprendió las matemáticas y a utilizar analogías físicas para explicar fenómenos que se podían observar, y de Faraday
aprendió estos conceptos del campo electromagnético y obtuvo resultados experimentales.
Fue mérito de Maxwell el introducir el concepto de corriente de desplazamiento en la ecuación de
Ampère en 1861 para así, con el posterior desarrollo de las ecuaciones, obtener una ecuación de
onda para el campo eléctrico y otra para el campo magnético de las cuales se deduce que los
campos eléctrico y magnético se propagan en forma de onda transversal, formando un ángulo
recto entre ellas y creándose mútuamente viajando a la velocidad de la luz, con lo que Maxwell dedujo que la luz es un tipo de onda electromagnética, como posteriormente se demostró.
Respecto a la corroboración de la teoría de Maxwell por H. Hertz en 1888 se obtienen las conclusiones siguientes: Hertz produjo experimentalmente estas ondas electromagnéticas y pudo comprobar en ellas las mismas propiedades observadas en la luz, de forma que quedó experimentalmente comprobada la existencia de tales ondas electromagnéticas y que la luz es una pequeña
parte del espectro electromagnético completo, con lo que demostró que la teoría de la unificación
del electromagnetismo de Maxwell era correcta.
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