Documento 89732

EL MAGNETISMO
Definición e Historia
El fenómeno del magnetismo se conoce desde hace miles de años. Las
manifestaciones conocidas más antiguamente son las que corresponden, primero, a
los imanes, que se encuentran naturalmente en la forma de algunos depósitos
minerales, como la magnetita. Posteriormente, probablemente los chinos,
descubrieron el magnetismo terrestre, produciendo como resultado tecnológico la
invención de la brújula, y su posterior aplicación a la navegación marítima.
Se llama magnetismo a la propiedad que tienen algunos cuerpos de atraer
limaduras de hierro o acero. Se conoce desde la Antigüedad, época en la que Tales
de Mileto ya hablaba sobre la existencia de un óxido de hierro, llamado magnetita,
que atraía el hierro con mayor o menor intensidad, lo que dependía de la distancia
que separase a ambas materias. Al mismo tiempo observó que, después de estar en
contacto con la magnetita, el hierro presentaba también características magnéticas,
es decir, se había magnetizado.
Si se espolvorea una superficie con limaduras de hierro, se coloca sobre ellas
una barra imantada y se levanta. De esta forma, se observará que la atracción que
experimentan las limaduras es máxima en los extremos y nula en el centro. Los
extremos se denominan polos del imán, y la parte central, línea neutra. Por ello
para poder aprovechar mejor la fuerza de los polos, se da normalmente forma de
herradura a los imanes.
El estudio sistemático de los fenómenos magnéticos comenzó hace algunos
siglos, y encontrándose a Gauss entre los investigadores que realizaron
contribuciones de importancia.
Se creía que el interior de la Tierra estaba imantada de la misma forma y los
científicos se sintieron muy perplejos cuando vieron que la dirección de la aguja
del compás magnético se desviaba ligeramente en todos los lugares, década tras
década, sugiriendo que existía una pequeña variación del campo magnético
terrestre.
¿Cómo puede un imán producir estos cambios? Edmond Halley (Fig. 4)
propuso ingeniosamente que la Tierra contenía un cierto número de capas
esféricas, una dentro de la otra, cada una imantada de forma diferente y que
giraban lentamente entre sí.
En el año 1820, el físico danés Hans Christian Oersted (ver Fig.1) preparó en
su casa una demostración científica para sus estudiantes y amigos. Planeaba
demostrar el calentamiento de un hilo mediante una corriente eléctrica y también
llevar a cabo demostraciones sobre el magnetismo, para lo que dispuso de una
aguja montada en una peana de madera: Mientras llevaba a cabo su demostración
eléctrica (Fig. 2), Oersted observó para su sorpresa que cada vez que se conectaba
la corriente eléctrica, la aguja se movía. Silenció esto y finalizó sus demostraciones,
pero en los meses siguientes trabajó duro intentando buscarle un sentido al nuevo
fenómeno. Pero no pudo. La aguja era atraída hacia el hilo o repelida por él. Más
bien tendía a permanecer formando ángulos rectos (Fig. 3). Al final publicó sus
hallazgos (en latín) sin ninguna explicación: de esta manera descubrió que los
imanes no son las únicas causas de creación de campos magnéticos, pues como
vimos él experimentalmente observó que una corriente que circula por un hilo
conductor hace que una aguja imantada próxima sufra una desviación. Con esto,
se ve que una corriente eléctrica también crea un campo magnético. Oersted ligaba,
así, los fenómenos eléctricos y magnéticos, lo que constituyó una nueva disciplina:
el electromagnetismo.
En 1820 El descubrimiento de este científico indica que una corriente
eléctrica se comporta como un imán, y si en los imanes dos polos se repelen si son
del mismo signo y se atraen si son de signo contrario, dos conductores paralelos
por los que circula corriente sufren una repulsión si dichas corrientes son de igual
sentido y una atracción si son de sentido contrario.
Andre-Marie Ampere, en Francia, advirtió que si una corriente en un hilo
ejercía una fuerza magnética sobre la aguja, dos hilos semejantes también deberían
interactuar magnéticamente. Mediante una serie de ingeniosos experimentos
mostró que esta interacción era simple y fundamental --las corrientes paralelas
(rectas) se atraen, las corrientes antiparalelas se repelen. La fuerza entre dos largas
corrientes rectas y paralelas era inversamente proporcional a la distancia entre
ellas y proporcional a la intensidad de la corriente que pasaba por cada una. Así
que existen dos tipos de fuerzas asociadas con la electricidad --la eléctrica y la
magnética. En 1864 James Clerk Maxwell (Fig.5) demostró una sutil relación entre
los dos tipos de fuerza, implicando inesperadamente a la velocidad de la
implicando inesperadamente a la velocidad de la luz. De esta relación surgieron: la
idea de que la luz era un fenómeno eléctrico, el descubrimiento de las ondas de
radio, la teoría de la relatividad y una gran consecución de la física actual.
Joseph Henry (1797-1878) físico estadounidense y Michael Faraday (17911867) científico británico, realizando sus trabajos por separado, descubrieron que
siempre que varía el flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado aparece en
éste una corriente eléctrica inducida.
Teoría Electromagnética
A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron
simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo.. En 1831, después
de que Hans Oersted comenzará a describir una relación entre la electricidad y el
magnetismo, y el francés André Marie Ampére seguido por el físico francés
Dominique François profundizarán en dicho campo, el científico británico Michael
Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable
induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por
Oersted. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se
debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas
electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético.
Después de que el físico francés Pierre Ernst Weiss postulará la existencia de
un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro, las
propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada, lo que
permitió que más tarde otros científicos predijeran muchas estructuras atómicas
del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.
El campo magnético
Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en
otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos
producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos (Fig. 5) suelen
representarse mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En
cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las
líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio
entre las líneas.
En el caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y
se curvan para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como
bucles cerrados, con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los
extremos del imán, donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo
magnético es más intenso; en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están
más separadas, el campo magnético es más débil. Según su forma y su fuerza
magnética, los distintos tipos de imán producen diferentes esquemas de líneas de
fuerza.
La estructura de las líneas de fuerza creadas por un imán o por cualquier
objeto que genere un campo magnético puede visualizarse utilizando una brújula o
limaduras de hierro. Los imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo
magnético. Por tanto, una brújula, que es un pequeño imán que puede rotar
libremente, se orientará en la dirección de las líneas. Marcando la dirección que
señala la brújula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campo
magnético, puede deducirse el esquema de líneas de fuerza.
Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una hoja de papel o un
plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético, las limaduras se
orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre
las partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una
partícula cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una
fuerza que forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección
del campo.
Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se
mueven en trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar
las trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de
partículas o los espectrógrafos de masas.
James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell nació en Edimburgo (Escocia) en 1831 en el seno de una
familia bastante acomodada. Perdió a su madre muy pronto así que bajo la tutela de una de
sus tías y su padre estudió en la Academia de Edimburgo. Desde muy pronto era un chico
muy activo e imaginativo, construía y dibujaba maquetas y diagramas de todo tipo, lo que
le valió varios premios.
Con sólo catorce años, una edad muy prematura, escribió varios artículos
explicando los óvalos, que desde su punto de vista era un lugar geométrico de los
puntos de un plano, llegando a la conclusión de la definición de elipse.
Ingresó en la universidad de la misma ciudad, Edimburgo, cuando sólo
contaba con dieciséis años, y cuando tenía diecinueve se fue a Cambridge. Allí ya
empezó a destacar por encima de sus compañeros por su asombrosa capacidad
para solucionar las ecuaciones y problemas relacionados con la física.
Una vez que se graduó en la universidad, cuatro años después tuvo que
renunciar a una importante plaza en el Trinity College de Cambridge por motivos
personales, su padre había enfermado y no dudó en volver a Escocia para estar con
él. Cuando falleció en 1856 comenzó a impartir clases de filosofía natural en el
Marischal College de la ciudad de Aberdeen. Allí estuvo unos cuatro años y
después consiguió una plaza en el King’s College de Londres, también como
profesor de filosofía natural, donde desde el inicio se encontró muy a gusto y
disfrutó de su profesión como nunca lo había hecho. Así en 1961 entró en la Royal
Society.
En esta etapa de su vida empezó a cosechar éxitos importantes, fue
nombrado como director del denominado Cavendish Laboratory, comenzó a
escribir artículos sobre su materia, en especial relacionados con el
electromagnetismo y la termodinámica, es decir, poco a poco se fue haciendo un
hueco y un nombre en el mundo de la física.
Ya en 1957 tenía la teoría de que los anillos de Saturno debían estar
compuestos por partículas muy pequeñas, y que además éstos no podían ser en
ningún caso ni sólidos ni líquidos, ya que en ese caso se romperían de forma
automática. Con su estudio ganó el premio Adams.
Muy poco después se dedicó a estudiar el comportamiento que tenían las
moléculas en los gases, y demostró que el movimiento de ellas producían el efecto
de calor. Todo esto le llevó a interesarse también por la luz, y comentaba que debía
estar compuesta por unos campos de vibraciones eléctricas y magnéticas, que se
desplazarían a la propia velocidad de la luz.
En 1865 por fin publicó estos grandes descubrimientos y dejó caer la tesis
posterior de las radiaciones electromagnéticas. Estas ideas le llevaron a descubrir
en el año 1886 las ondas de radio. Maxwell pensaba que estas andas
electromagnéticas eran conducidas por mediación del éter, una teoría que fue
después refutada por el experimento de Michelson-Morley.
Sus ideas fueron fundamentales para la creación de ondas electromagnéticas en los
laboratorios, lo que demostró otro de los grandes físicos de la historia, Heinrich
Hertz en el año 1887, cuando ya Maxwell había fallecido, pero que ya ponía las
bases de las comunicaciones a larga distancia.
En 1873 en su libro Treatise on Electricity and Magnetism dejó bastante claro
que su tarea esencial era justificar de una manera matemática aquellos conceptos
físicos que hasta ese instante solamente habían sido descritos de manera
cualitativa, como ocurre en las leyes llamadas de la inducción electromagnética
donde tienen cabida los campos de fuerza que fueron emitidas por Michael
Faraday. El hecho de introducir la idea de onda electromagnética le permitió a
Maxwell realizar un estudio completo de la relación entre electricidad y
magnetismo, en sus ya famosas "ecuaciones de Maxwell", que tienen como punto
fundamental los campos de fuerza.
En concreto estableció de manera matemática las especulaciones de Faraday
acerca de la electricidad y las líneas de fuerza que son magnéticas. Eran cuatro
ecuaciones, con las que pudo explicar el comportamiento exacto de los campos
eléctricos y magnéticos y las interrelaciones que pudieran existir entre sí. Así por
tanto dejó sobradamente demostrado que conceptos como la electricidad y el
magnetismo no podían aparecer de manera aislada, la ya denominada teoría del
electromagnetismo.
Con la llamada función de distribución de Maxwell-Boltzmann estudió las
posibilidades que existían de encontrar una partícula a la velocidad que fuese en
un gas que estuviese diluido y que no tuviera campos de fuerza del exterior.
Maxwell de alguna manera demostró las tesis de Avogadro y de Ampère y
estableció la posible relación entre la viscosidad que puede tener un gas con su
temperatura. Así anunció la ley llamada de equipartición de la energía. Se
preocupó también por el color, estableciendo diferentes teorías sobre la percepción
de cada uno de los colores, lo que sería después llamado fotografía tricolor.
Su huella ha sido muy importante en la historia ya que tuvo su influencia en
las mismísimas teorías de la relatividad de Einstein y en la posterior mecánica
cuántica que tuvo su época más gloriosa en el siglo XX.
Maxwell se casó en el año 1858 con una chica llamada Katherine Mary
Dewar, que a su vez era una de las hijas del director del Marischal College donde
Maxwell estudió. Maxwell falleció de cáncer en Cambridge, en Inglaterra, el cinco
de noviembre del año 1879, poco antes de los cincuenta, con la mala suerte de
hacerlo ocho años antes de la confirmación total de su teoría del espectro de ondas
electromagnéticas por parte de Hertz. Con todo es uno de los físicos más
importantes del siglo XIX, fue especialmente un magnífico teórico de la ciencia, y
tenía la peculiaridad y la capacidad de demostrar mejor sus tesis a través de la
matemática que con los propios experimentos.
Michael Faraday
El hombre que logró electricidad con un imán
¿Cómo se puede producir electricidad a partir de dos imanes? Ésta fue
la pregunta que bombardeó la cabeza del físico inglés Michael Faraday en el
siglo XIX. Sus investigaciones y experimentos le llevaron a convertirse en el primer
científico experimental que descubrió la relación que existe entre la electricidad y
el magnetismo. Este genio aportó dos nuevos conceptos a la física moderna:
inducción y electrólisis
¿Se puede producir electricidad a partir de un imán? Sí. Michael Faraday
(Newington, 1791-1867) fue el hombre que descubrió que un imán es susceptible
de generar corriente eléctrica. Para demostrar esta teoría, el físico británico –el
tercero de cuatro hijos criados en la pobreza, pero educados en las normas de una
secta protestante fundamentalista: el amor y la comunidad– enrolló sobre un anillo
de hierro dulce dos bobinas cilíndricas separadas, pero conectadas entre sí.
Faraday puso en contacto la primera bobina con una batería y la segunda
con un galvanómetro (ver definición en Influencias). En el momento de cerrar y
abrir la corriente en la primera de las bobinas, la desviación de la aguja del
galvanómetro indicó la presencia de una corriente inducida en la segunda bobina
¡Generó electricidad!
Con este experimento, en 1831, Faraday aportó un nuevo concepto a la física
moderna: inducción electromagnética. Este hallazgo le condujo a la creación de la
dinamo –máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica– y le
empujó para conseguir formular las leyes generales que regían el comportamiento
electromagnético de la materia.
Otro de los conceptos que Michael Faraday introdujo en la Historia de la
Física fue el de electrólisis. Con esta palabra demostró que es posible la
descomposición química de determinadas sustancias fundidas, mediante el paso
de una corriente eléctrica. En desacuerdo con las opiniones de sus
contemporáneos, Faraday propuso imaginar la electricidad como un intercambio
de cualidades energéticas.
Para demostrar su teoría, el físico describió el fenómeno de la
descomposición de ciertas sales en sus componentes elementales al ser atravesadas
por corrientes eléctricas. Gracias a estos hallazgos, Faraday formuló las leyes
fundamentales de la electrólisis.
Además de sus aportaciones a la física, los primeros años del británico se
centraron en la química. En 1820, Faraday ya había conseguido una buena
reputación como químico analítico, hasta el punto de que algunos organismos
oficiales solicitaban su opinión sobre ciertos temas.
En el terreno de la química, un estudio sobre el cloro le llevó al
descubrimiento de dos nuevos cloruros de carbono. También descubrió el benceno
e investigó nuevas variedades de vidrio óptico. No obstante, su mayor éxito en este
campo fueron los experimentos sobre la licuefacción de los gases (transformación
de un gas en líquido).
Influencias
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HANS CHRISTIAN OERSTED. Es el físico danés (1777-1851) que observó la
existencia de los campos magnéticos por primera vez, en 1820, y demostró
la relación que existe entre la electricidad y el magnetismo. Sus
investigaciones fueron decisivas para la física moderna ya que, gracias a sus
hallazgos, saltó a la Historia el concepto de electromagnetismo. El oersted se
ha convertido en una unidad que mide la intensidad magnética de los
campos.
ANDRÉ MARIE AMPÈRE. Es el físico francés (1775-1836) que formuló la
teoría del electromagnetismo, concibió el galvanómetro –instrumento que
sirve para medir la intensidad de las corrientes eléctricas a través de una
aguja imantada– y sentó las bases de la teoría electrónica de la materia. Este
científico inventó el telégrafo eléctrico y el electroimán.
JEAN-BAPTISTE BIOT. Es un astrónomo y físico francés (1774-1862) que
estudió diversas cuestiones de astronomía y geofísica, pero, sobre todo,
dedicó parte de su vida a indagar acerca del electromagnetismo. Gracias a
un viejo amigo de Faraday, éste mostró interés por la lectura de Biot y sus
trabajos electromagnéticos.
JAMES TYTLER. Fue el autor del artículo titulado Electricity, publicado en
la Enciclopedia Británica, que despertó en Faraday la pasión por la ciencia.
Para Tytler, los efectos eléctricos podían explicarse suponiendo la existencia
de un fluido cuyas vibraciones evidencian los fenómenos.
El maestro Davy y el ahijado Maxwell salen a la palestra
La herencia de Michael Faraday está escrita. Las pruebas son contundentes:
el matemático James Clerk Maxwell y lord William Thomson, sin olvidar a su
maestro, el químico Humphry Davy Sir.
Los investigadores de Faraday han calificado a Maxwell como el ahijado del
científico británico. Cuando tuvo 24 años, James comenzó a estudiar el magnetismo
y la electricidad a partir de los descubrimientos de su padrino, y formuló una
teoría dinámica del campo electromagnético. Maxwell reconoció que el concepto
de electromagnetismo barajado por Faraday no contemplaba la velocidad de la luz
que incidía en la inducción eléctrica, hecho que sí tuvo en cuenta el matemático.
Humphry Davy fue el descubridor del sodio, del potasio, del bario y del
calcio, entre otros elementos. El azar le hizo topar con Faraday, que se convirtió en
su maestro. Davy le ofreció una plaza como ayudante en su laboratorio, donde
después se quedó como sucesor del químico. Con Davy conoció las ideas
científicas de la época.
El ‘primer’ motor eléctrico.
El motor de rotación electromagnética de Faraday se define a partir de la rotación
de imanes alrededor de un cuerpo conductor de electricidad y de todo lo contrario,
la rotación de conductores en torno a un imán.
La contribución de Faraday
Faraday nació en una familia pobre y religiosa. En la Iglesia aprendió una
profunda reverencia hacia el Creador de todas las cosas. Estas convicciones
religiosas influyeron profundamente en su trabajo, ya que Dios era una fuerza de
importancia fundamental en su vida personal y en su trabajo investigador.
Su aprendizaje en las escuelas fue mínimo, y tuvo que trabajar en el oficio de
encuadernador de libros. Escuchaba las conferencias de Davy en la Royal
Institution, y en 1813 le invitó a trabajar en dicha institución como ayudante de
laboratorio.
Durante una década trabajó a su lado y recibió una completa educación en
Química, leyendo cuidadosamente los trabajos más recientes, y consiguió una gran
habilidad y destreza en la manipulación de los materiales y de los instrumentos de
laboratorio que tendrían una importancia decisiva en sus investigaciones a lo largo
de su vida científica.
Hacia 1820 se independizó, y comenzó su larga y fecunda carrera científica.
La contribución de Faraday fue desde entonces inmensa, hizo del orden de 30.000
experimentos, que describía cuidadosamente en sus diarios, y anotaciones.
El experimento precursor del motor eléctrico
Faraday estudió el descubrimiento de Oersted a la luz de la metafísica
newtoniana, y repitió todos sus experimentos. Como resultado de ello, hizo su
primer descubrimiento en electromagnetismo, el principio del motor eléctrico. Las
denominadas "rotaciones electromagnéticas" de Faraday se difundieron
rápidamente por toda Europa.
Al originarse una fuerza tangencial a la espira, y no radial, como debería ser
en un esquema tradicional de acción a distancia con fuerzas centrales, quedaba
patente la imposibilidad de tratar los fenómenos electromagnéticos desde el punto
de vista newtoniano. Fue, por tanto, el primero en sugerir que la acción a distancia
resultaba inadecuada para dar cuenta de la relación entre las fuerzas eléctricas y
las magnéticas, a pesar de los trabajos contemporáneos de Ampère con los que se
intentaba explicar estas interacciones con hipótesis basadas en el punto de vista
newtoniano, y mediante una ingeniosa teoría matemática de la atracción entre
corrientes, que daba cuenta de los resultados experimentales hasta entonces
conocidos.
Además, dicha teoría era incapaz de proporcionar una imagen unitaria de
los fenómenos eléctricos, ya que se obtenía una ley para el caso estático (ley de
Coulomb de interacción entre cargas), y otra diferente para la corriente eléctrica:
mientras las cargas del mismo signo se repelían, las corrientes paralelas y del
mismo sentido se atraían.
En la incipiente teoría del campo electromagnético sugerida por Faraday,
desaparecía la distinción esencial entre fuerza y materia, introduciendo la hipótesis
de que las fuerzas constituyen la única sustancia física.
Las características de las fuerzas eran:
1. Cada punto de fuerza actúa directamente sólo sobre los puntos vecinos.
2. La propagación de cualquier cambio de la intensidad de la fuerza requiere
un tiempo finito.
3. Todas las fuerzas son básicamente de la misma clase; no hay en el fondo
fuerzas eléctricas, magnéticas ni gravitatorias, sino sólo variaciones
(probablemente geométricas) de un sólo tipo de fuerza subyacente.
Lo importante al considerar la influencia de la metafísica de Faraday en sus
investigaciones, es su suposición de que la teoría de campos ofrece una explicación
última a todos los fenómenos. Los cuerpos sólidos, los campos eléctricos y la masa
de los objetos son, de alguna forma, sólo apariencias. La realidad subyacente es el
campo, y el problema de Faraday era encontrar un lazo de unión entre las
apariencias y la supuesta realidad subyacente.
La inducción electromagnética
El descubrimiento de las corrientes inducidas no tiene nada de casual o
improvisado, como bien lo muestran los intentos infructuosos de Faraday
registrados en su diario de los años 1824-1828. Su búsqueda se basaba en dos
presupuestos empíricos y otro filosófico:
1. La reciprocidad electromagnética.
Si una corriente eléctrica produce fuerzas magnéticas, las fuerzas magnéticas
han de producir una corriente eléctrica.
2. Paralelismo electrostático-dinámico.
Si una carga eléctrica induce en un conductor próximo una carga opuesta, una
corriente eléctrica ha de inducir en un conductor paralelo otra corriente del
mismo sentido.
3. Metafísico.
Sobre la unidad radical y metamorfosis de las fuerzas de la naturaleza.
Faraday logró detectar por primera vez corrientes inducidas el 29 de agosto de
1831. Solamente en los momentos de establecer e interrumpir el contacto del
circuito primario con la batería eran apreciables breves corrientes en el secundario.
El aparato empleado era un anillo de hierro con sus bobinados primario y
secundario.
También estudió las corrientes inducidas producidas por movimiento de
imanes mediante un cilindro de cartón alrededor del cual arrolló 220 pies de hilo
de cobre convenientemente aislado conectando sus extremos a un galvanómetro
sensible. Cuando empujaba un imán cilíndrico a lo largo del hueco de la bobina la
aguja del galvanómetro se movía, cuando se retiraba el imán la aguja se movía en
sentido contrario. Al descubrir el fenómeno de la inducción, Faraday había
conseguido transformar el magnetismo en electricidad, el experimento inverso al
de Oersted.
Para explicar estos fenómenos introduce el "estado electrotónico" como un
estado peculiar de tensión, que posteriormente abandona, y que vuelve a surgir en
la teoría de Maxwell como potencial vector. Demostró que el simple movimiento
dentro de un área de fuerza magnética constante podía ser causa de la inducción.
Señaló, que la condición básica para la inducción residía en que el cable cortara las
líneas de fuerza. Si una sección del cable se mueve a lo largo de una línea de
fuerza, no hay fenómeno inductivo, pero si el cable corta las líneas de fuerza, y
diferentes partes del circuito intersecan distinto número de líneas de fuerza
entonces se observa paso de corriente.
Las líneas de fuerza
Las líneas de fuerza se usaban en la época de Faraday, hacia 1820, para
visualizar propiedades físicas. La contribución de Faraday fue la de usar las líneas
para estudiar fenómenos muy poco comprendidos como la inducción
electromagnética, las descargas electrostáticas e incluso, los fenómenos
electroquímicos.
Faraday tenía argumentos a favor del carácter físico de las líneas de fuerza.
La curvatura de las líneas de fuerza magnéticas que se ponen de manifiesto en las
limaduras de hierro sobre un papel encima del imán es un argumento de peso,
pero no concluyente para demostrar la existencia de las líneas de fuerza magnética.
Sin embargo, exactamente las mismas líneas de fuerza se obtienen mediante
experimentos independientes; por ejemplo, cabe determinar a lo largo de que
líneas se puede mover un cable sin que se produzca ninguna corriente inducida. La
concordancia de los dos métodos demuestra que las líneas de fuerza son curvas y
tienen existencia física.
Emprendió una serie de experimentos que sirvieron para contrastar los
aspectos de su teoría que más la distinguían de la concepción newtoniana: en
concreto, averiguar si la propagación del campo requiere un cierto tiempo. Faraday
nunca logró descubrir que las fuerzas eléctricas o magnéticas se propagan con
velocidad finita a lo largo de las líneas de fuerza. Demostró en algunos casos cómo
la teoría de campos podía utilizarse para explicar los fenómenos eléctricos y en
otros, señaló posibles explicaciones. También había sugerido, indicado y tratado de
captar un nuevo modelo de la naturaleza como un campo de fuerzas.
Otros descubrimientos
Otros dos descubrimientos importantes de Faraday fueron el efecto
magneto-óptico (denominado después efecto Faraday) y el diamagnetismo, que
hizo hacia 1845. El primer efecto tuvo gran influencia en Maxwell en el desarrollo
de la teoría electromagnética de la luz.
Descubrió el efecto magneto-óptico gracias a una pieza de vidrio boro
silicato de plomo que colocó encima de los polos de un electroimán. Cuando
pasaba la luz polarizada a través del cristal y establecía el campo magnético,
observó que el plano de polarización de la luz cambiaba. Había tratado este
experimento con otros materiales: aire, cristal, vidrio ordinario, etc., pero ninguno
producía este efecto.
En el campo de la electrólisis, Faraday enunció una ley que establecía que la
disociación química es rigurosamente proporcional a la cantidad de electricidad
que pasa por la disolución. Pensaba, que esta ley podía servir de guía tanto para
explicar la combinación química como la corriente eléctrica, pero una vez más no
aportó ninguna teoría detallada del mecanismo implicado en la interacción del
enlace químico con la electricidad.
La unificación de las fuerzas de la naturaleza
Faraday, junto a Oersted y Ampère estableció la relación entre electricidad y
magnetismo. Del mismo modo estableció la relación entre electricidad y la
Química en sus leyes de la electroquímica. Faraday pensaba en 1834 que estas
fuerzas estaban muy relacionadas y que eran de la misma naturaleza.
Consideraba que todas las fuerzas (eléctricas, magnéticas, químicas,
gravitatorias, etc.) podrían ser diferentes distribuciones espaciales de la fuerza
fundamental. Según esta teoría, las fuerzas pueden convertirse directamente unas
en otras, porque en esencia son idénticas. Por ejemplo, consideraba el
descubrimiento de Oersted como la transformación de fuerza eléctrica en
magnética, y se preguntó si no sería posible transformar el magnetismo en
electricidad. Más tarde, se dedicó incluso a buscar pruebas de la transformación
del magnetismo en luz y de la electricidad en gravedad.
En segundo lugar, Faraday estableció que las fuerzas ni se crean ni se
destruyen. Muchos contemporáneos de Faraday compartían esta idea de la
"conservación de la fuerza"; Helmhotz la desarrolló en la teoría de la conservación
de la energía. Pero en el sistema de Faraday adquiere un significado especial, que
difiere de la conservación de la energía, aunque no explicó cómo la conservación
de las fuerzas encaja en su teoría general de los campos.
Basado en la hipótesis de que todas las fuerzas estaban interrelacionadas, y
que la cantidad total de fuerza se conservaba, investigó sin éxito, la relación entre
electricidad y gravitación, a pesar de que era consciente de las grandes diferencias
que había entre estas dos clases de fuerzas: La electricidad sólo funciona a través
de partículas contiguas propagándose en un tiempo finito, mientras que la fuerza
gravitatoria opera a distancia de forma instantánea. La fuerza gravitatoria actúa a
lo largo de la recta que une los cuerpos interactuantes y no se modifica por el
carácter físico del espacio, mientras que la las líneas de fuerza eléctricas y
magnéticas son curvas y cambian por las propiedades del medio a través del que
pasan. En electricidad hay dos tipos de fuerzas atractivas y repulsivas, mientras
que la fuerza gravitatoria es siempre atractiva.
En 1849, emprendió los primeros experimentos dejando caer una bobina
para ver si se inducía una corriente durante su caída. No obtuvo resultados
positivos, a pesar del perfeccionamiento de sus experimentos: introduciendo
diversos materiales como núcleo de la bobina, incrementando la altura de la caída,
manteniendo la verticalidad de su eje, etc. En sus experimentos midió corriente
inducida pero no producida por la gravedad sino por el débil campo magnético
terrestre. El fracaso de sus experimentos lo atribuyó a la pequeña variación en la
intensidad de la fuerza gravitatoria entre los puntos de partida y de destino de la
bobina que dejaba caer desde una torre
Prosiguió otros experimentos que trataban de relacionar las fuerzas de
atracción gravitatoria y el calor. Siempre dentro de su convicción de que la
gravitación debería estar relacionada con otras fuerzas, y que las interconversiones
entre los distintos tipos de fuerzas jugarían un papel esencial en los fenómenos
celestes y terrestres: planetas, cometas, volcanes, terremotos, etc.
Hertz, Heinrich Rudolf
Científico alemán, primero en transmitir ondas de radio (Hamburgo, 1857 Bonn, 1894). Tras hacerse ingeniero en 1878, abandonó dicha profesión para
dedicarse a la investigación en Física, materia en la que se doctoró por la
Universidad de Berlín en 1880. Fue profesor de las universidades de Kiel (1883),
Karlsruhe (1885) y Bonn (1889). Confirmó experimentalmente las teorías del físico
inglés James C. Maxwell sobre la identidad de características entre las ondas
luminosas y electromagnéticas, consagrándose a la tarea de emitir estas últimas
(«Experimento de Hertz», 1887). Para ello construyó un oscilador (antena emisora)
y un resonador (antena receptora), con los cuales transmitió ondas
electromagnéticas, poniendo en marcha la telegrafía sin hilos. Desde entonces se
conocen como ondas hertzianas a las ondas electromagnéticas producidas por la
oscilación de la electricidad en un conductor, que se emplean en la radio; también
deriva de su nombre el hertzio, unidad de frecuencia que equivale a un ciclo por
segundo y se representa por la abreviatura Hz (y sus múltiplos: kilohertzio,
megahertzio y gigahertzio). Después siguió investigando en otros temas científicos,
hasta elaborar unos Principios de mecánica (que aparecieron después de su muerte,
en 1894) en los que desarrollaba toda la mecánica a partir del principio de mínima
acción, prescindiendo del concepto de fuerza.
Heinrich Hertz en Alemania calculó que una corriente eléctrica oscilando
rápidamente de un lado a otro en una hilo conductor, podía irradiar ondas
electromagnéticas al espacio circundante (hoy llamaríamos a esto una "antena")
(Fig. 6).
Con ese hilo creó (en 1886) y detectó esas oscilaciones en su laboratorio,
usando una chispa eléctrica, en la que la corriente oscilaba rápidamente (así es
como los relámpagos generan esos ruidos crepitantes característicos en la radio).
Hoy llamamos a esas ondas "ondas de radio". Sin embargo anteriormente fueron
"ondas hercianas" y aún hoy honramos la memoria de su descubridor midiendo las
frecuencias en hercios (Hz), oscilaciones por segundo, y las frecuencias de radio en
megahercios (MHz).
Empleando las teorías y el aparato de Hertz, y los descubrimientos de
Edourd Branley de Francia, un inventor italiano (también era ingeniero eléctrico)
llamado Guglielmo Marconi, produjo el primer sistema práctico de teléfono
inalámbrico en 1895. Antes de esto, todos los mensajes telegráficos tenían que
transmitirse por medio de cables que limitaban en gran medida el uso de esta
forma de comunicación. Su hallazgo fue un elemento importantísimo en el
desarrollo de la radio que por años más tardes fue conocido como "inalámbrico".
Nació en Hamburgo, Alemania. Estudió física con la dirección de Helmholtz
y Kirchhoff en la Universidad de Berlín.
En 1885, Hertz aceptó la posición de Profesor de Física en Karlsruhe; ahí fue
donde descubrió las ondas de radio en 1888, su trabajo más importante.
En 1889 Hertz sustituyó a Rudolf Clausius como Profesor de Física en la
Universidad de Bonn, donde sus estudios sobre la penetración de los rayos
catódicos en láminas delgadas de metal lo llevaron a la conclusión de que los rayos
catódicos eran ondas y no partículas.
El descubrimiento de las ondas de radio, la demostración de cómo se
generan y la determinación de su velocidad son algunas de las muchas
contribuciones de Hertz. Después de encontrar que la velocidad de las ondas de
radio era la misma que la de la luz, Hertz demostró que las ondas de radio, al igual
que las de la luz, podían reflejarse, refractarse y difractarse.
Hertz murió de envenenamiento de la sangre a la edad de 36 años.
Durante su corta vida, hizo muchas contribuciones a la ciencia. El hercio
(hertz) que es igual a una oscilación completa o ciclo por segundo, recibió este
nombre en su honor.
GLOSARIO
1. Campo Magnético. Tiene la dirección de la brújula. Produce una
fuerza perpendicular al campo y a la velocidad, proporcional al
área del romboide, cuyos lados son el campo y la velocidad.
2. Electromagnetismo: fuerza que atrae partículas de carga opuesta y repele
partículas de carga similar. El electromagnetismo afecta a todas las
partículas cargadas pero no a las partículas neutras como los neutrinos.
3. Espectrógrafo: instrumento que divide luz u otra radiación
electromagnética en sus longitudes de onda individuales, o espectro, y
registra el resultado fotográficamente.
4. Espectro electromagnético: el conjunto, ordenado por frecuencias o
longitudes de onda, de la radiación electromagnética, desde ondas de radio
de baja frecuencia y longitudes de onda larga, pasando por el infrarrojo, la
luz visible y el ultravioleta, hasta los rayos gamma de alta frecuencia y
longitud de onda corta.
5. Espejo Magnético: Concentración de líneas magnéticas concurrentes. Tiene
la propiedad de repeler a las cargas eléctricas.
6. Galvanómetro: instrumento que sirve para medir la intensidad de las
corrientes eléctricas a través de una aguja imantada.
7. Inducción: Efecto electromagnético producido en la vecindad de un cambio
del campo electromagnético.
8. Magnetismo: Propiedad de atraer que tiene la piedra imán.
9. Magnetómetro: Aparato útil para medir el campo magnético. El primer
magnetómetro medidor de la intensidad del campo fue construido por el
matemático Gauss.
10. Onda: propagación de un esquema de alteraciones.
11. Onda electromagnética: explicada por Maxwell en sus ecuaciones, se refiere
a la danza periódica de campos eléctricos y magnéticos en cada punto del
espacio, se encuentre éste ocupado o vacío. Son campos que ya se
desprendieron de la carga oscilante que los originó y se mueven en el
espacio como si fueran un rayo de luz. La descripción anterior, llamada
onda electromagnética, ¡no es nada más y nada menos que la luz misma!
12. Rayos Catódicos: Electrones producidos entre las terminales metálicas de
tubos evacuados de gases.