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Electromagnetismo

Enviado por pedromas6



  1. El magnetismo hasta el año 1.800
  2. Faraday. la inducción electromanética
  3. Hertz ondas electromagnéticas
  4. Emisión de ondas electromagnéticas.
  5. Campo eléctrico y campo magnético
  6. 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.

HERTZ ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

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

 


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