- El magnetismo hasta el año
1.800 - Faraday. la inducción
electromanética - Hertz ondas
electromagnéticas - Emisión de ondas
electromagnéticas. - Campo eléctrico y campo
magnético - Maxwell. La síntesis del
electromagnetismo. otra vez la luz
En esta trabajo se desarrolla un caso muy importante de
la relación entre ciencia y
tecnología: el electromagnetismo. Se ilustra la dependencia entre
el conocimiento
científico y las aplicaciones tecnológicas. El
caso del electromagnetismo es notable, entre otras cosas, por el
hecho de que una vez llevados a cabo los descubrimientos
científicos tuvieron inmediata aplicación
práctica y viceversa, las aplicaciones prácticas
fomentaron la investigación científica para
resolver diferentes problemas, lo
cual a su ve abrió nuevos horizontes
científicos.
El conocimiento
científico de la relación entre electricidad y
magnetismo dio
lugar, inmediatamente, a aplicaciones tecnológicas
importantes. Éstas se detallan en los capítulos VII
– X e incluyen al telégrafo, con el que el hombre pudo
comunicarse por medios
eléctricos, y a las máquinas
eléctricas, o sea, motores
eléctricos y generadores de electricidad. De esta
forma, el hombre tuvo a
su disposición fuentes de
corriente
eléctrica de gran intensidad, hecho que cambió
drásticamente la vida, dando lugar a un revolución
en la forma de vida de la humanidad, cuyas consecuencias fueron
la iluminación eléctrica y el teléfono, entre otras.
Otra novedad importante que se dio en el desarrollo de
estas aplicaciones de la electricidad y el magnetismo fue la
creación de los primeros laboratorios industriales, que
desempeñaron un papel
primordial en los subsiguientes avances.
Por otro lado, la historia dio un vuelo
inesperado. James Glerk Maxwell realizó una gran síntesis
teórica de los trabajos de Ampére y faraday sobre
la electricidad y el magnetismo, lo que condujo al sorpresivo
descubrimiento de que la luz era de origen
eléctrico y magnético. Además, como
consecuencia de la teoría
que desarrolló predijo la existencia de las ondas
electromagnéticas. El contexto en que trabajó
Maxwell se presenta en los capítulos XI a XIII y su
contribución se relata en el capitulo XIV. Basado en
el trabajo de
sus antecesores, Maxwell construyó uno de los pilares de
la física,
comparable con la mecánica por Newton. Hemos
de mencionar que la teoría electromagnética de
Maxwell sirvió para el futuro desarrollo de la
teoría de la relatividad de Einstein.
Años después de que Maxwell hiciera la
predicción de las ondas electromagnéticas en forma
teórica, Hertz llevó a cabo un notable experimento,
que es un ejemplo de la forma en que se hace ciencia. Se
propuso indagar si en la naturaleza
efectivamente existen ondas electromagnéticas. Su trabajo
verificó en forma brillante las predicciones de
Maxwell.
Después de los experimentos de
Hertz no quedó ya ninguna duda, desde el punto de vista
conceptual, acerca de la realidad física de los campos,
idea que Faraday matemática. Esta idea ha sido de crucial
importancia en la física posterior, tanto para la
relatividad de Einstein como par las teorías
modernas de las partículas elementales.
Otras consecuencias de los trabajos de Maxwell y Hertz
fue el inicio de las comunicaciones
inalámbricas. Los antecedentes y trabajos más
importantes se presentan en los capítulos XVI a
XVIII.
A principios del
presente siglo, los trabajos de Marconi solamente había
dado por resultado el telégrafo inalámbrico. La
necesidad de desarrollar la radiotelefonía
precipitó el inicio de la electrónica moderna. De hecho, esta rama
del electromagnetismo consolidó el importante papel de los
laboratorios industriales. Una vez logrado el entendimiento
fundamental de grandes novedades: la radio, que
dominaría la vida humana durante varias décadas, y
posteriormente la
televisión, que tanta repercusión ha
tenido.
La posibilidad práctica de construir pilas voltaicas
produjo una revolución en el estudio de la electricidad.
Hemos de mencionar que en muchos laboratorios era muy poco
factible construir las máquinas de electricidad por
fricción, ya que eran bastante caras; sin embargo, las
pilas eran relativamente baratas. Permitieron el avance de
la ciencia
química ya
que estaban al alcance de muchos laboratorios; de otra manera no
se hubieran podido realizar muchas investigaciones
científicas. Gran parte de los primeros descubrimientos
electroquímicos fueron hechos precisamente con pilas
voltaicas. Poco después de haber recibido una carta de Volta en
la que explicaba cómo construir una pila, William
Nicholson (1.753 – 1.825) y Anthony Carlisle (1.768 –
1.840) construyeron en Londres uno de estos dispositivos, y con
el fin de conseguir una mejor conexión eléctrica,
conectaron cada una de las terminales de la pila a un recipinte
con agua. Se
dieron cuenta de que en una de las terminales aparecía
hidrógeno y en la otra, oxígeno. Fue así como descubrieron
el fenómeno de la electrólisis, en el que, por medio de una
corriente eléctrica, se separan los átomos que
componen la molécula del agua. Humphry Davi (1.778 –
1.829), también en Inglaterra,
descompuso por medio de la electrólisis otras sustancias,
y así descubrió los metales sodio y
potasio al descomponer electroquímicamente diferentes
sales minerales, como
la potasa cáustica, la soda fundida, etc. También
obtuvo elctroquímicamente los elementos bario, calcio,
magnesio y estroncio. Poco después Fraday
descubrió, también con las pilas voltaicas, las
leyes de la
electrólisis.
EL
MAGNETISMO HASTA EL AÑO 1.800
En el caso del magnetismo, al igual que en el de la
electricidad, desde tiempos remotos el hombre se dio cuenta de
que el mineral magnetita o imán (un óxido de
hierro)
tenía la propiedad
peculiar de atraer el hierro. Tanto Tales de Mileto
como Platón y
Sócrates
escribieron acerca de este hecho.
En el periodo comprendido entre los años 1.000 –
1.200 d.C. se hizo la primera aplicación práctica
del imán. Un matemático chino, Shen Kua
(1.030-1.090) fue el primero que escribió acerca del uso
de una aguja magnética para indicar direcciones, que fue
el antecedente de la brújula. Este instrumento se basa en
el principio de que si se suspende un imán en forma de
aguja, de tal manera que pueda girar libremente, uno de sus
extremos siempre apuntará hacia el norte.
Más tarde, después del año 1.100,
Chu Yu informó que la brújula se utilizaba
también para la navegación entre Cantón y
sumatra.
La primera mención europea acerca de la
brújula fue dada por un inglés,
Alexander Neckham (1.157-1.217). Hacia 1.269 petrus Peregrinus de
Maricourt, un cruzado francés, hizo una descripción detallada de la brújula
corno instrumento de navegación.
En el año 1.600 el inglés William Gilbert
(1.544 – 1.603), médico de la reina Isabel I,
publicó un famoso tratado, De magnete, en el que
compendió el
conocimiento que se tenía en su época sobre los
fenómenos magnéticos. Analizó las diferentes
posiciones de la brújula y propuso que la Tierra es
un enorme imán, lo que constituyó su gran
contribución. De esta forma pudo explicar la
atracción que ejerce el polo norte sobre el extremo de una
aguja imantada. Asimismo, Gilbert se dio cuenta de que cada
imán tiene dos polo, el norte (N) y el sur (S), que se
dirigen hacia los respectivos polos terrestres. Descubrió
que polos iguales se repelen, mientras que polos distintos se
atraen, y que si un imán se calienta pierde sus
propiedades magnéticas, las cuales vuelve a recuperar si
se le enfría a la temperatura
ambiente.
El científico francés Coulomb, el que
había medido las fuerzas entre caras eléctricas,
midió con su balanza las fuerzas entre los polos de dos
imanes. Descubrió que la magnitud de esta fuerza
varía con la distancia entre los polos. Mientras mayor sea
la distancia, menor es la fuerza.
FARADAY.
LA INDUCCIÓN
ELECTROMANÉTICA
Los trabajos de Ampere se difundieron rápidamente
en todos los centros activos de
investigación de la época, causando
gran sensación. Un joven investigador inglés,
Michael Faraday (1.791- 1.867) se empezó a interesar en
los fenómenos eléctricos y repitió en su
laboratorio
los experimentos tanto de Oersted como de Ampére. Una vez
que entendió cabalmente el fondo físico de estos
fenómenos, se planteó la siguiente cuestión:
de acuerdo con los descubrimientos de Oerssted y Ampére se
pude obtener magnetismo de la electricidad.
Faraday inició en 1.825 una serie de experimentos
con el fin de comprobar si se podía obtener electricidad a
partir del magnetismo. Pero no fue sino hasta 1.831 que pudo
presentar sus primeros trabajos con respuestas
positivas.
Después de muchos intentos fallidos, debidamente
registrados en su diario, Faraday obtuvo un indicio en el
otoño de 1.831. El experimento fue el siguiente.
Enrolló un alambre conductor alrededor de un núcleo
cilíndrico de madera y
conectó sus externos a un galvanómetro G;
ésta es la bobina A de la figura 5. en seguida
enrolló otro alambre conductor encima de la bobina
anterior. Los extremos de la segunda bobina, B en la
figura, los conectó a una batería. La
argumentación de Faraday fue la siguiente: al cerrar el
Contacto C de la batería empieza a circular una
corriente eléctrica a lo largo de la bobina B. De
los resultados de Oersted y Ampére, se sabe que esta
corriente genera un efecto magnético a su alrededor. Este
efecto magnético, entonces por la bobina A
debería empezar a circular una corriente eléctrica
que debería poder
detectarse por medio del galvanómetro.
Sus experimentos demostraron que la aguja del
galvanómetro no se movía, lo cual indicaba que por
la bobina A no pasaba ninguna corriente
eléctrica.
Sin embargo, Faraday sé dio cuenta de que en el
instante en que conectaba la batería ocurría una
pequeña desviación de el agua de
galvanómetro. También se percató de que en
el momento en que desconectaba la batería la aguja del
galvanómetro se desviaba ligeramente otra vez, ahora en
sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en un
intervalo de tiempo muy
pequeño, mientras se conecta y se desconecta la
batería, si hay corriente en la bobina B. Siguiendo
esta idea Faraday descubrió que efectivamente se producen
corrientes eléctricas sólo cuando el efecto
magnético cambia, si éste es constante no hay
ninguna producción de electricidad por
magnetismo.
Al conectar el interruptor en el circuito de la bobina
B de la figura 5 el valor de la
corriente eléctrica que circula por él cambia de
cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto
magnético que produce esta corriente a su alrededor
también cambia de coro a un valor distinto de cero. De la
misma manera, cuando se desconecta la batería la corriente
en el circuito cambia de un valor no nulo a cero, con el
consecuente cambio del
efecto magnético.
Figura 5. Esquema del experimento de Faraday
con que descubrió la inducción
electromagnética
Por otro lado, cuando está circulando una
corriente con el mismo valor todo el tiempo, hecho que ocurre
cuando la batería está ya conectada, el efecto
magnético que produce la bobina también es
constante y no cambia con el tiempo.
Después de muchos experimentos adicionales
Faraday llegó a una conclusión muy importante. Para
ello definió el concepto de flujo
magnético a través de una superficie de la
siguiente forma: supongamos que un circuito formado por un
alambre conductor es un círculo. Sea A el
área del círculo. Consideremos en primer lugar el
caso en que la dirección del efecto magnético sea
perpendicular al plano que forma el círculo (Figura 6) y
sea B la intensidad del efecto. El flujo magnético
a través de la superficie es el producto de
B con el área del círculo, o sea,
(BA). En segundo lugar consideremos el caso en que la
dirección del efecto magnético no sea perpendicular
al plano del círculo. Si proyectamos la superficie del
círculo perpendicularmente a la dirección del
efecto, se obtiene la superficie A’. El flujo
magnético es ahora igual a (BA’). Llamaremos al
área A’ el área efectiva. El flujo es,
por tanto, igual a la magnitud del efecto magnético
multiplicada por el área efectiva.
Si el efecto magnético que cruza el plano
del circuito cambia con el tiempo, entonces, de acuerdo con el
descubrimiento de Faraday se genera, o como se ha convenido en
llamar, se induce una corriente eléctrica a lo largo del
alambre que forma el circuito.
Lo importante es que si el flujo neto cambia entonces se
induce una corriente eléctrica. Este descubrimiento lleva
el nombre de ley de
inducción de Faraday y es uno de los resultados más
importantes de la teoría
electromagnética.
El profesor de la Escuela
politécnica de Karlsruhe, en Alemania, se
interesó en la teoria electromagnética propuesta
por Maxwell. La reformuló matemáticamente logrando
que las ecuaciones
fueran más sencillas, y simétricas. Desde 1884
Hertz pensó en la manera de generar y detectar en un
laboratorio las ondas electromagnéticas que Maxwell
había predicho. Después de mucho trabajo y de
experiencias sin éxito,
en 1887 construyó un dispositivo con el que logró
su fin. El experimento que realizo fue a la vez genial y
sencillo.
Utilizó un carrete o bobina de Ruhmkorff, que es
un transformador que produce un voltaje muy alto. En seguida
conectó el carrete a un dispositivo formado por dos
varillas de cobre (Fig.
29); en uno de los extremos de cada varilla añadió
una esfera grande y en el otro una pequeña. Cada una de
las esferas grandes servia como condensador para almacenar carga
eléctrica. Una vez hecha la conexión, en cierto
instante el voltaje entre las esferas chicas era lo suficiente
grande para que saltara una chispa entre ellas.
Hertz razonó que al salir estas chispas se
producirá un campa eléctrico variable en la
región vecina a las esferas chicas, qué
según Maxwell debería inducir un campo
magnético, también variable.
Estos cambios serían una perturbación que
se debería propagar, es decir, debería producirse
una onda electromagnética. De esta forma, Hertz
construyó un radiador de ondas
electromagnéticas.
Efectivamente, al conectar el carrete de Ruhmkorff a su
dispositivo; Hertz observo que saltaban chispas entre las esferas
chicas de manera intermitente. Así logró construir
un generador de ondas electromagnéticas.
El siguiente paso fue construir un detecto de las ondas
electromagnéticas que supuso eran emitidas por su
dispositivo. Para este fin construyó varios detectores.
Uno de ellos era simplemente otro dispositivo similar al
radiador; otro tipo fue espira metálica en forma circular
que tenia en sus extremos dos esferas, también
conductoras, separadas una pequeña distancia. El argumento
de Hertz fue el siguiente: si en efecto existen ondas
electromagnéticas, al ser emitidas por el circuito se
propagarán en todo el espacio circundante. Al llegar las
ondas al detector, se inducirá en él un campo
eléctrico (además del magnético) y por
tanto, en las varillas conductoras o en la espira se
inducirá una corriente eléctrica. esto hará
que a través de sus extremos se induzca un voltaje, que si
llega a tener un valor suficientemente grande, dará lugar
a que salte una chispa entre las esferas. Mientras mayor sea el
valor de la amplitud de la corriente eléctrica en el
circuito emisor, mayor será la magnitud del campo
eléctrico inducido y por lo tanto, mayor será la
diferencia de potencial entre los extremos de la espira del
receptor. Esto es precisamente lo que encontró Hertz en su
experimento. Con su detector situado a un distancia alrededor de
30 m del radiador, observó que saltaba una chispa entre
las esferas del detector, con lo que demostró que la ondas
electromagnéticas ¡efectivamente existen!.
Más tarde, el mismo Hertz pudo demostrar que estas ondas
se reflejan, se refractan y se comportan como las ondas de luz
(véase el capítulo XVI), hecho considerado por la
teoría de Maxwell. Así lo reportó Hertz en
1888: "Es fascinante que los procesos que
investigué en una escala un
millón veces más amplia, los mismos
fenómenos que se producen en la vecindad de un espejo de
Fresnel, o entre las delgadas láminas para exhibir los
anillo de Newton". Con esto, Hertz se refería a que la
longitud de las ondas que su aparato produjo eran un
millón de veces la longitud de onda de la luz
visible.
De los valores
que utilizó para los elementos del circuito, Hertz estimo
que la frecuencia f de la onda era de alrededor de 3 x
107 Hz. Además Hertz determinó que la
longitud de la onda 
era de 10 m. Con estos valores
determinó que la velocidad
v de la onda es:
V = f = (3 X 107 Hz) X (10 m) = 3 X
108 m/s = 300 000 km/s
igual que el valor predicho por Maxwell, o sea, la
velocidad de la luz.
De esta manera se realizó en forma brillante la
primera demostración experimental de la existencia de
ondas electromagnéticas, generadas por una frecuencia (y
por tanto, longitud de onda) particular. Recordemos que como hay
una relación entre la frecuencia y la longitud de onda
dada por la ecuación antes mencionada, si se conoce una se
puede obtener la otra.
No había motivo por el cual no se pudiesen
generar ondas con diferentes frecuencias, desde las más
bajas hasta las más altas. Al conjunto de posibles valores
de la frecuencia (o de la longitud de la onda) se llama el
espectro electromagnético. Posteriormente, con diferentes
tipos de técnicas
electrónicas ha sido posible generar, detectar y analizar
casi todo el dominio de
valores de las ondas electromagnéticas.
EMISIÓN DE ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS.
ANTENAS
Una vez que Maxwell predijo la existencia de ondas
electromagnéticas se presentó la importante
cuestión de cómo generarlas. Hertz fue el primero
que estudió este problema y los resolvió. Para ello
desarrolló un formalismo matemático con el cual
pudo encontrar las características de estas ondas a partir de
las ecuaciones de Maxwell. De este trabajo se desprendió
la predicción de que si una partícula
eléctricamente cargada se mueve en forma acelerada,
entonces emite ondas electromagnéticas. Así, por
ejemplo, en el experimento de Hertz la chipa que salta de una
esfera a la otra está compuesta por electrones acelerados
que emiten ondas electromagnéticas.
Cuando una corriente eléctrica se establece a lo
largo de un cable se están moviendo partículas
cargadas. Sin embargo, no siempre ocurre que estas
partículas se aceleren; por ejemplo, si la corriente es de
valor constante como la correine directa que se establece cuando
la fuente es de una batería conectada a un foco de una
linterna, entonces las partículas que dan lugar a la
corriente eléctrica se mueven con velocidad constante y
por tanto no se están acelerando. Una partícula
experimenta una aceleración cuando su velocidad cambia al
transcurrir el tiempo. En consecuencia, solamente en una
corriente eléctrica que varía al transcurrir el
tiempo, las partículas se aceleran. Esto sucede, por
ejemplo, con la corriente
alterna.
Supóngase que una varilla metálica se
conecta a una fuente de corriente alterna. Los electrones que
circulan por la varilla llegarán a un extremo y se
regresarán; por consiguiente, su velocidad cambia y hace
que se aceleren, y en consecuencia emiten ondas
electromagnéticas. Esta onda sí emitida
tendrá la misma frecuencia de los electrones que oscilan
en la varilla.
El elemento que produce las ondas se llama antena
emisora. En el caso anterior la antena es la varilla.
Además de varillas las antenas pueden
tener otras configuraciones. Las características que
tengan las ondas emitidas dependerán de la forma
geométrica y de la longitud de la antena. Así, en
el caso de una varilla, las ondas emitidas tienen la misma
frecuencia que la corriente que las induce. A esta frecuencia
f le corresponde una longitud de onda dada por (v/f),
siendo la v la velocidad de la luz (ecuación antes
mencionada). Por otro lado, la potencia de la
onda emitida depende tanto de la longitud de la onda como de la longitud L de
la varilla. La potencia que emite adquiere un valor máximo
cuando la longitud de la varilla es igual a la mitad de la
longitud de onda. En consecuencia, conviene construir la antena
con esta longitud. Este hecho es una manifestación del
fenómeno de resonancia.
La antena no emite la misma potencia en todas las
direcciones; a lo largo de la antena no hay emisión. En
una dirección perpendicular a la varilla se alcanza la
potencia máxima; de hecho, alrededor de la
dirección perpendicular se forma un cono dentro del cual
la emisión es apreciable; en direcciones fuera del cono
prácticamente no hay radiación.
A este tipo de antenas se les llama direccionales.
Supongamos que, por ejemplo, se quiere emitir (o
recibir) una onda de televisión
que corresponde al canal 2. Ésta tiene una frecuencia de
57 MHz y le corresponde, según la ecuación
mencionada arriba, una longitud de onda de 5.26 m. Por tanto, la
antena tiene que tener una longitud de onda de 5.26 m/2 = 2.63 m
para obtener una potencia máxima de
emisión.
La anchura del cono es una medida del ancho del haz que
se emite. Mientras más pequeño sea el haz,
más direccional será la emisión de la
antena. El ancho del haz depende de la frecuencia de la onda:
mientras menor sea ésta, menor será el ancho del
haz.
Cuando a una varilla le llega una onda
electromagnética, ésta induce en la varilla una
corriente eléctrica que tiene la misma frecuencia que la
de la onda incidente. Cualquier dispositivo, como la varilla, que
transforma una onda electromagnética en una corriente
eléctrica se llama antena receptora.
Las antenas, ya sean receptoras o emisoras, funcionan
con las misma características. Así, las propiedades
direccionales de la recepción en una antena receptora son
las mismas que si funcionara como emisora. Además, una
antena receptora absorbe la máxima potencia cuando su
longitud en igual a la mitad de la longitud de onda que tiene la
onda incidente.
El tipo de antena que se use, ya sea para emisión
o recepción, depende de la aplicación que se quiera
hacer. Por ejemplo, en el caso de una estación de radio o de
televisión se requiere que pueda llegar a receptores
situados en todas las direcciones con respecto a al antena;
además, la señal emitida debe llegar lo más
lejos posible. En consecuencia, una antena emisora de una
estación debe poder manejar potencias altas y radiarlas en
todas direcciones. En contraste, la antena receptora maneja
potencias muy pequeñas, ya que está relativamente
lejos de la emisión. Además, la antena receptora
debe ser muy direccional, pues debe captar la señal de la
emisión que viene de una dirección determinada. Por
esto, las antenas emisoras tienen formas geométricas
diferentes de las antenas receptoras.
CAMPO
ELÉCTRICO Y CAMPO MAGNÉTICO
Además de sus notables descubrimientos
experimentales Faraday hizo una contribución
teórica que ha tenido una gran influencia en el desarrollo
de la física hasta la actualidad: el concepto de
línea de fuerza y asociado a este, el de campo.
Oersted había escrito que el efecto
magnético de una corriente eléctrica que circula
por un alambre se esparce en el espacio fuera del alambre. De
esta forma la aguja de una burbuja lo podrá sentir y girar
debido a la fuerza que experimenta.
Por otro lado, ya desde tiempos de Gilbert se
habían hecho experimentos, el de una barra
magnética con limaduras de hierro, donde se puede apreciar
que las limaduras se orientan a lo largo de ciertas
líneas.
Asimismo, desde la época de Newton se
trató de encontrar el mecanismo por medio del cual dos
partículas separadas cierta distancia experimentan una
fuerza, por ejemplo, la de atracción gravitacional. Entre
los científicos de esa época y hasta tiempos de
Faraday se estableció la idea de que existía la
llamada acción a distancia. Esto significa que las dos
partículas experimentan una interacción
instantánea. Así, por ejemplo, si una de las
partículas se mueve y cambia la distancia entre ellas, la
fuerza cambia instantáneamente al nuevo valor dado en
términos de la nueva distancia entre ellas.
Antes de Faraday la idea de las líneas de fuerza
se había tratado como un artificio matemático.
Estas líneas de fuerza ya se habían definido de la
siguiente forma: supongamos que hay una fuerza entre dos tipos de
partículas, por ejemplo, eléctricas. Sabemos que si
son de cargas iguales se repelen, mientras que si sus cargas son
opuestas se atraen. Consideremos una partícula
eléctrica positiva (Figura 8(a)), que llamaremos 1.
Tomemos ahora otra partícula, la 2, también
positiva, pero de carga mucho menor que la 1. A esta
partícula 2 la llamaremos de prueba, pues con ella veremos
qué pasa en el espacio alrededor de la partícula 1.
La fuerza entre ellas se muestra en la
figura. Ahora dejemos que la partícula de prueba se mueva
un poco. Debido a que es repetida por la 1 se alejará y
llegará a una nueva posición que se muestra en la
figura 8 (b). Sí se vuelve a dejar que la partícula
de prueba se mueve un poco llegará a otra posición,
y así sucesivamente. La trayectoria que sigue la
partícula de prueba al moverse en la forma descrita es una
línea de fuerza. Nos damos cuenta de que la fuerza que
experimenta la partícula de prueba es siempre tangente a
la línea de fuerza. Ahora podemos repetir la experiencia
colocando la partícula de prueba en otro lugar y
así formar la línea de fuerza correspondiente. De
esta manera podemos llenar todo el espacio que rodea a la
partícula de líneas de fuerza, y nos percatemos de
que todas ellas salen de la partícula 1.
Si la partícula 1 fuera de carga negativa, las
líneas de fuerza tendrían sentido opuesto a las
anteriores, pues la partícula 1 atraería a la
2.
De esta forma se puede encontrar las líneas de
fuerza de cualquier conjunto de cargas eléctricas. En
general éstas son líneas curvas que empiezan en
cargas positivas y terminan en cargas negativas.
Figura 8
En cada caso la fuerza que experimenta una
partícula de prueba de carga positiva que se coloca en
cualquier punto de espacio tendría una dirección
que sería tangente a la línea de fuerza en ese
punto.
Podemos por tanto afirmar que para cualquier distribución de carga la (s)
partícula(s) crea(n) una situación en el espacio a
su alrededor tal, que sí se coloca una partícula de
prueba en cualquier punto, la fuerza que experimenta la
partícula de prueba es tangente a la línea de
fuerza. Se dice que cualquier distribución de carga
eléctrica crea a su alrededor una situación que se
llama campo eléctrico.
De manera completamente análoga se puede definir
las líneas de fuerza magnéticas. Al colocar una
limadura de hierro ésta se magnetiza y se orienta en una
dirección tangente a la línea de fuerza. Las
limaduras de hierro desempeñan el papel de sondas de
prueba para investigar qué situación
magnética se crea alrededor de los agentes que crean el
efecto magnético. En el capítulo anterior hablamos
del efecto magnético que se produce en el espacio. Este
efecto es el campo magnético.
Al cambiar la disposición de las cargas
eléctricas, imanes o corrientes eléctricas, es
claro que las líneas de fuerza que producen en el espacio
a su alrededor también cambian. El efecto que se produce
en el espacio constituye un cambio. Así tenemos tanto un
campo eléctrico como. Uno magnético. Por tanto, un
campo es una situación que un conjunto de cargas
eléctricas o imanes y corrientes eléctricas
producen en el espacio que los rodea.
Fue Faraday quien proporcionó una realidad
física a la idea de campo, y basándose en ello se
dio cuenta de que si se cambia la posición física
de cualquier partícula eléctrica en una
distribución, entonces el campo eléctrico que rodea
a ésta también deberá cambiar y por tanto.
Al colocar una partícula de prueba en cualquier punto, la
fuerza que experimenta cambiará. Sin embargo, a diferencia
de la acción a distancia, estos cambios tardan cierto
intervalo de tiempo en ocurrir, no son instantáneos. Otro
ejemplo es cuando una corriente eléctrica que circula por
un alambre cambia abruptamente. Faraday se preguntó si el
cambio en el campo magnético producido ocurría
instantáneamente o si tardaba en ocurrir, pero no pudo
medir estos intervalos de tiempo ya que en su época no se
disponía del instrumental adecuado. (Incluso hizo varios
intentos infructuosos por diseñar un instrumento que le
sirviera a este propósito al final de su vida.) Sin
embargo, no tuvo la menor duda de que en efecto
transcurría un intervalo finito de tiempo en el que se
propagaba el cambio. Así, Faraday argumentó que la
idea de acción a distancia no podía ser
correcta.
Faraday argumentó para rechazar la idea de
acción a distancia. La fuerza entre dos partículas
eléctricamente cargadas no solamente depende de la
distancia entre ellas también de lo que haya entre ellas.
Si las partículas están en el vacío, la
fuerza tendrá cierto valor, pero si hay alguna sustancia
entre ellas el valor de la fuerza cambiará. Faraday
realizó varios experimentos para confirmar sus
afirmaciones. Escribió que el medio que se encuentre entre
las partículas causa una diferencia en la
transmisión de la acción que no pueda haber
acción a distancia. Por lo tanto, la acción entre
las partículas se debe transmitir, punto a punto, a
través del medio circulante.
Fue en 1837 que Faraday propuso la idea de que la
línea de fuerza tenía realidad física. Con
ello demostró tener una gran intuición
física para entender los fenómenos
electromagnéticos. Hay que mencionar que debido a que no
tenía preparación matemática adecuada, por
no haber asistido a una escuela de enseñanza superior, Faraday no pudo
desarrollar la teoría matemática del campo
electromagnético, hecho que tuvo que esperar hasta
Maxwell.
MAXWELL.
LA SÍNTESIS DEL ELECTROMAGNETISMO. OTRA VEZ LA
LUZ
El Escocés James Clerk Maxwell (1837-1879),
alumno de Faraday, fue posiblemente el más imaginativo de
los físicos del siglo XIX. En 1873 publicó la
monumental obra tratado de electricidad y magnetismo, en la que
presentó una síntesis e los conocimientos de este
tema. Maxwell formuló matemáticamente la ley de
Faraday. La síntesis fue hecha en términos de un
conjunto de ecuaciones, conocidas como las ecuaciones de Maxwell,
que contenía como fondo físico los descubrimientos
de Oersted, Ampére, Faraday y otros científicos que
describimos en capítulos anteriores.
Maxwell estudió con mucho detenimiento los
trabajos que sus predecesores habían hecho sobre
electricidad y magnetismo. En particular analizó muy
incisivamente la ley de Ampére y su formulación
matemática, y llego a la conclusión de que
contenía una contradicción. Revisemos la ley
Ampére.
Maxwell generalizo la formulación de la ley de
Ampére al decir que cuando se habla de corriente se debe
incluir la corriente convencional (llamada la conducción),
que es la que había considerado Ampére, y
además, la corriente de desplazamiento. Por lo tanto, esta
generalización incluye casos en que las corrientes
varían con el tiempo. Podemos decir que la
formulación original que hizo Ampére sólo es
correcta para el caso en que la corriente que se estudia no
varíe con el tiempo.
OSWALDO SALAS NIEBLES
COLEGIO SALESIANO SAN ROQUE.- BARRANQUILLA