En nuestro ambiente
diario las fuerzas magnéticas no tienen influencia y para
detectarlas se necesita un instrumento sensible, la aguja del
compás (brújula).
Esto es así porque los materiales que
encontramos en nuestra vida diaria, incluidos el oxígeno
y el nitrógeno que respiramos, son todos neutros
eléctricamente. Los átomos de oxígeno, por
ejemplo, contienen electrones con cargas eléctricas
negativas y protones que son positivos, pero las dos cargas se
equilibran entre si, y se cancelan las fuerzas eléctricas
y magnéticas. Las fuerzas magnéticas no tiene casi
efecto sobre los átomos neutros.
Sin embargo, a 60 millas (100 km) o más sobre la
superficie de la Tierra, el
ambiente natural es muy diferente. Las capas de la atmósfera a esas
alturas son calentadas fuertemente por los rayos X y la luz ultravioleta
del Sol (y también por otras causas), arrancando los
electrones negativos de los átomos y dejando a los
átomos restantes como "iones" cargados positivamente.
Estos fragmentos cargados eléctricamente reaccionan con
fuerza a las
fuerzas magnéticas y pueden ser guiados y atrapados por
ellas.
Con una adecuada aportación de energía,
estos fragmentos también pueden acelerarse a altas
velocidades, ocasionar corrientes eléctricas y emitir una
variedad de ondas de radio.
Se pone en evidencia que esos electrones e iones libres
serán guiados por las (o "líneas de
fuerza") que se elevan desde las cercanías del polo sur
magnético y entran en la Tierra de
nuevo cerca del polo norte.
Los electrones e iones tienden a permanecer unidos a las
líneas magnéticas de forma parecida a las cuentas de un
collar en el hilo, aunque, a diferencia de las cuentas,
también emigran.("deriva") hacia los "hilos"
colindantes.
Resulta que la estructura de
las líneas de campo cerca de la Tierra determina mucho del
movimiento y
del comportamiento
de los electrones iones libres encontrados allí. Los
satélites
que observan las fuerzas magnéticas en el espacio hallaron
(figura de la derecha) que en la mayoría de las
direcciones, esas líneas no se alejan indefinidamente sino
que están confinadas dentro de una cavidad, la
magnetosfera terrestre. El espacio fuera de ella está
dominado por el Sol y por el
rápido "viento
solar" de iones y electrones libres emitidos por
el Sol
La Tierra tiene un campo
magnético con
polos Norte y Sur. El campo
magnético de la Tierra alcanza hasta 36 000 millas en el
espacio.
El campo magnético de la Tierra está
rodeado por una región llamada la magnetosfera. La
magnetosfera previene que la mayoría de las
partículas del Sol, que se trasladan con el
viento solar, choquen contra la
Tierra.
Algunas partículas del viento solar pueden
penetrar la magnetosfera. Estas
partículas dan origen a los
espectáculos de luces de la Aurora
El campo magnético de la tierra es como una
pequeña pero poderosa barra magnética ubicada cerca
del centro de la tierra y inclinada 11º con respecto al eje
de rotación de la tierra. El magnetismo en la
tierra lo podemos visualizar como líneas de fuerza del
campo magnético que indican la presencia de una fuerza
magnética en cualquier punto del espacio. La
brújula esta influida por este campo ya que su aguja rota
y se detiene cuando esta paralela a las líneas de fuerza
en dirección Norte-Sur.
El modelo que
asume que existe un magneto al interior de la tierra tiene un
problema. Experimentos en
laboratorio
nos muestran que los materiales pierden sus propiedades
magnéticas cuando se calientan por sobre los 500 ºC,
entonces bajo los 20 o 30 Km de corteza no habría
magnetismo ya que las temperaturas son muy elevadas. Se cree
entonces que la tierra es un gran dinamo. Por ejemplo para
producir electricidad se
utiliza un enrollado de cobre que es
un material conductor y este al girar produce un campo
magnético. Los científicos creen que el
núcleo externo del núcleo es de hierro
liquido, entonces por procesos
convectivos generados por radioactividad hay movimiento del
hierro liquido y como el hierro es un buen conductor al moverse
genera un campo magnético.
Al estudio de la intensidad y la dirección del
campo magnético de la Tierra en el pasado, por medio de
rocas naturales,
para determinar así sus cambios durante largos periodos de
tiempo, se le
conoce como paleo magnetismo. El desarrollo del
paleo magnetismo llevó a un resultado sorprendente: el
campo magnético ha sufrido diferentes inversiones en
el pasado. Claramente la antigüedad de la lava aumenta con
la profundidad. La dirección de la magnetización
remanente de dos capas superiores (3.62 y 3.68 millones de
años), así como de una muy profunda (4.5 millones
de años) es prácticamente paralela a la del campo
magnético terrestre actual.
Relaciones entre el viento solar y el campo
magnético de la tierra.
a) La relación entre el viento solar y el campo
magnético se puede simular en el laboratorio haciendo
incidir un flujo de plasma de electrones y de iones de helio
sobre una esfera que contiene un electro magneto. El chorro de
plasma es desviado en forma análoga a como sucede en la
tierra cuando llega el viento solar.
b) Diagrama
construido con base en los datos recopilados
por satélites artificiales ilustrando la relación
real entre el viento solar y el campo magnético de la
Tierra. Los puntos en la figura representan el flujo de
partículas que llega del Sol. Las líneas de fuerza
del campo magnético están aplastadas del lado
opuesto. A este fenómeno se le llama
magnetosfera.
Sin embargo, la magnetización remanente de todas
las capas intermedias está orientada en forma antiparalela
a la actual. Se piensa que una inversión completa del campo
magnético de la Tierra toma de 1 000 a 10 000 años.
No se sabe a ciencia cierta
el motivo de estas inversiones, pero sí se ha podido
predecir estos resultados mediante un modelo de los
dínamos acoplados electromagnéticamente,
extendiendo el modelo original descrito unos párrafos
atrás. Se ha probado que, bajo condiciones apropiadas, un
acoplamiento entre dos sistemas de
dínamos auto excitantes puede causar inversiones repetidas
del campo magnético. Sin embargo, el problema de la
inversión del campo sigue estando abierto, así como
la discusión de las implicaciones que este fenómeno
posee.
Una importante utilidad del
campo magnético terrestre es que nos protege del viento
solar. El viento solar es un plasma, gas de hidrógeno casi perfectamente ionizado, que
emana del Sol, habiendo sido parte de la corona solar. La
velocidad del
flujo del plasma es de 300 a 400 km/seg en condiciones normales y
puede llegar a 800 km/seg en una tormenta.
En la figura 27 se muestra un
ejemplo de una simulación
de la interacción entre el viento solar y el
campo magnético. Cuando el modelo de la Tierra no tiene
campo, el plasma hace impacto directo con la
superficie.
En cambio, cuando
se le conecta un fuerte imán, el plasma se desvía y
se forma una cavidad alrededor del modelo de la Tierra. La enorme
cavidad natural en torno a la Tierra
es conocida actualmente como la magnetosfera y su larga cola
debida al viento solar en dirección opuesta al Sol es
llamada cola geomagnética.
Las partículas cargadas, principalmente
electrones y protones, quedan atrapadas en diferentes
''cinturones'' de energía llamados cinturones Van Allen.
Sus órbitas están confinadas en un plano ecuatorial
alrededor de la Tierra debido al campo magnético. Hay dos
cinturones de electrones, aproximadamente a 2 000-5 000 y 13
000-19 000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, y
los protones parecen estar distribuidos en capas intermedias. Las
partículas en las capas externas provienen principalmente
del viento solar, pero dos de las capas internas están
formadas por rayos cósmicos.
Así pues, el campo magnético terrestre
constituye una defensa para la Tierra de las partículas
cargadas que permanecen en órbitas que oscilan de norte a
sur del ecuador
magnético en los cinturones Van Allen.
¿Qué sucedería durante una
inversión de la dirección del campo como la que
hemos mencionado? Necesariamente habría un periodo grande
de años en que el campo magnético sería muy
pequeño o nulo y las radiaciones sobre la superficie muy
intensas.
Ha habido muchas especulaciones sobre esto, unidas a la
evolución de las especies. Tal vez la
radiación
intensa al penetrar en las células
logre alterar las moléculas de ADN de los
cromosomas,
modificando las características hereditarias de los seres
vivos. Tal vez puedan desaparecer unas especies y aparecer otras.
Ciertamente, éste no podría ser considerado como el
mecanismo único para la evolución, pero
podría colaborar a entender la súbita
aparición o extinción simultánea de algunas
especies en todo el mundo, en sitios donde los argumentos de
adaptación al medio no son válidos por tratarse de
medios muy
variados. La verificación de estas hipótesis está en proceso y
requiere de muchas observaciones en lugares adecuados en donde se
pueda afirmar que el magnetismo original no ha sido
alterado.
Una magnetosfera tiene muchas partes, tales como: frente
de choque en arco, envoltura magnética, magneto cola,
lámina de plasma, lóbulos, plasmafera, cinturones
de radiación, y gran cantidad de corrientes
eléctricas. Está compuesta de partículas
cargadas y flujo magnético.
Estas partículas son responsables de gran
cantidad de maravillosos fenómenos naturales tales como la
aurora y emisiones de radio naturales tales como el rugido de un
león u ondas silbantes.
Las partículas se mueven y circulan sobre la
magnetosfera, e incluso generan tormentas. La magnetosfera cambia
constantemente.
En 1820, el físico danés Hans Christian
Oersted descubrió que la corriente
eléctrica que circulaba por un conducto atraía
la aguja de una brújula colocada en sus proximidades.
Había hallado el vínculo entre electricidad y
magnetismo. Uno de los muchos científicos intrigados por
el descubrimiento de Oersted fue el inglés
William Sturgeon, quien descubrió que, al atravesar la
corriente un conductor enrollado sobre una barra de hierro en
forma de herradura, se formaba lo que denominó un
electroimán, capaz de levantar veinte veces su propio
peso.
En 1831, el físico estadounidense Joseph Henry
mejoró el diseño
de Sturgeon; empleó alambre de cobre aislado con seda (de
una de las enaguas de su esposa) y lo enrolló alrededor de
la barra en varias capas, con lo que aumentaba enormemente la
fuerza del imán. El electroimán constituyó
la base de gran número de máquinas
eléctricas posteriores.
Se pueden encontrar electroimanes en numerosas
aplicaciones de la vida cotidiana, desde relés que
permiten controlar circuitos,
hasta grandes grúas para cargar chatarras.
Cuando se tienen cargas eléctricas en movimiento,
aparece asociado un campo magnético, que es de la misma
naturaleza que
los que proporcionan los imanes permanentes.
La Tierra tiene su propio campo magnético que es
capaz de orientar a las brújulas. Las brújulas no
son más que pequeños imanes que pueden girar y
orientarse libremente.
Es fácil demostrar la existencia de campos
magnéticos producidos por corrientes eléctricas.
Para ello, en las proximidades de una brújula, se coloca
una bobina de hilo de cobre barnizado, formando un circuito con
una pila y un interruptor que permitirá que pase la
corriente o no.
Si se deja el circuito abierto, la brújula se
orienta respecto del campo magnético existente que no es
otro que el campo magnético de la Tierra.
Sin embargo, al cerrar el interruptor, circula corriente
por el circuito, lo que origina un campo magnético mucho
más intenso que el de la Tierra en las proximidades de la
brújula y hace girar la brújula para orientarse
respecto de este nuevo campo.
Los electroimanes funcionan como la bobina que acabas de
ver, y son capaces de atraer materiales
ferromagnéticos.
EL
ELECTROIMÁN. MOTORES Y
GENERADORES DE ELECTRICIDAD
LOS descubrimientos de Ampère y Faraday tuvieron
inmediatas aplicaciones prácticas que cambiaron la faz de
la civilización moderna.
Usando el descubrimiento de Oersted, de que una
corriente eléctrica produce un campo magnético en
el espacio alrededor del cable que la conduce, tanto
Ampère como Arago lograron magnetizar agujas de hierro. Lo
hicieron de la siguiente forma: enrollaron un cable alrededor de
la aguja y luego conectaron los extremos de aquél a una
batería. Al pasar la corriente por el cable crea un campo
magnético en el espacio dentro de la bobina; este campo
magnético a su vez magnetiza la aguja. De la misma forma
que un imán permanente magnetiza una limadura de
hierro.
En 1825 el inglés William Sturgeon (1783-1850)
enrolló 18 espiras de alambre conductor alrededor de una
barra de hierro dulce, que dobló para que tuviera la forma
de una herradura (Figura 9). Al conectar los extremos del cable a
una batería el hierro se magnetizó y pudo levantar
un peso que era 20 veces mayor que el propio. Este fue el primer
electroimán, es decir, un imán accionado por
electricidad.
Años después, en 1829, el
estadounidense Joseph Henry (1797-1878) construyó una
versión mejorada del electroimán. Para ello
enrolló en una barra de hierro dulce espiras en forma
mucho más apretada y en un número mayor; de esta
manera logró una mayor intensidad
magnética.
El electroimán se comporta de forma equivalente a
un imán permanente, con la ventaja de que su intensidad se
puede controlar, ya sea cambiando la corriente que se le hace
circular o variando el número de espiras de la bobina.
Además, al cesar la corriente, cuando se desconecta la
batería, desaparece el efecto magnético.
El descubrimiento de Ampère sentó las
bases para la invención del primer motor
eléctrico. Su funcionamiento es el siguiente.
Supóngase que se enrolla una bobina alrededor de un
cilindro de hierro (Figura 10) y que ésta se fija en un
eje LL, alrededor del cual puede girar. Si metemos la
bobina dentro de los polos de un imán permanente, como se
muestra en la figura, y se hace pasar una corriente
eléctrica por ella, ésta se vuelve un imán
que puede girar dentro del imán permanente. Los polos de
los imanes ejercen fuerzas entre sí; por consiguiente, la
bobina experimenta fuerzas que la hacen girar alrededor del eje
LL. Si se conecta adecuadamente el eje, por medio de
poleas y
bandas, se puede aprovechar el giro de la bobina y realizar
trabajo
mecánico, como por ejemplo subir cuerpos o moverlos, etc.
De esta manera es posible transformar la energía
eléctrica que la batería entrega al hacer circular
la corriente por la bobina, en energía mecánica para mover algún objeto. Al
dispositivo que funciona de esta forma se le llama motor
eléctrico.
Figura 10. Esquema de un motor
eléctrico.
El motor eléctrico acabado de describir fue el
primero que se construyó y resultó ser muy burdo.
En 1837 L. C. Davenport construyó el primer motor
eléctrico para uso industrial. Alrededor de 1845 Charles
Wheatstone reemplazó el imán permanente del motor
por un electroimán, accionado por una batería
externa. Así se logró un motor más efectivo.
Posteriormente se fueron añadiendo diferentes mejoras,
pero el principio básico de su funcionamiento es el
descrito.
Por otro lado, en 1832, o sea un año
después del anuncio del descubrimiento de Faraday,
Hippolyte Pixii en Francia, a
sugerencia de Faraday, construyó el primer generador de
electricidad. En forma breve, su comportamiento es el
siguiente.
Tomemos el mismo aparato mostrado en la figura 10 y en
lugar de conectar los extremos del cable de la bobina a una
batería como en el motor, los conectamos entre sí e
intercalamos en el circuito un galvanómetro. Ahora, por
medio de una manivela hacemos girar la bobina alrededor del eje
LL, con la bobina dentro del imán permanente. De
esta manera, el flujo magnético del imán permanente
a través del plano de cada espira de la bobina
varía con el tiempo. Por lo tanto podemos decir que,
según la ley de Faraday,
se induce una corriente eléctrica a través del
alambre conductor.
En efecto, se puede observar que la aguja del
galvanómetro se empieza a mover. De esta manera se produce
electricidad que se puede, por así decirlo, recoger de los
extremos del alambre de la bobina, por ejemplo,
conectándolos a un foco.
Con este aparato la energía mecánica que se desarrolla al girar la
bobina por medio de la manivela se ha convertido en
energía eléctrica que tiene la corriente que se
induce. Este aparato se llama generador (o dínamo) de
electricidad.
Desde la década de 1830, hasta 1880, se fueron
añadiendo diferentes dispositivos tanto al motor como al
generador para hacerlos más eficientes. Sin embargo, el
uso de estos aparatos en forma masiva no se dio sino hasta la
década de 1880. El motivo principal no fue técnico
sino económico. En efecto, la industria
europea de mediados del siglo XIX estaba basada en unidades
productoras de fuerza motriz muy grandes, como las máquinas
de vapor estacionarias en las fábricas, y en las
locomotoras y motores marinos para el transporte.
La creciente mecanización de las industrias
menores dio lugar a la construcción de pequeñas unidades
también accionadas por vapor. Hacia la octava
década del siglo se empezaron a usar máquinas que
utilizaban gas y luego gasolina. Estos fueron los primeros
motores de combustión interna. Sin embargo, para la
industria, el motor eléctrico era un medio más
flexible y práctico para disponer de fuerza motriz que los
motores de vapor, gas o gasolina. Pero la posibilidad de utilizar
masivamente el motor eléctrico dependía de que se
contara con una amplia red de abastecimiento de
energía
eléctrica, la cual solamente se pudo construir cuando
se creó una necesidad más fuerte que la pura
demanda
industrial. Esta necesidad surgió con la evolución
de los servicios
domésticos, en particular el de la iluminación eléctrica, tema que
trataremos en un capítulo posterior.
Con los descubrimientos del electromagnetismo, las únicas aplicaciones
que tuvieron demanda inicial fueron en primer lugar las
relacionadas con las comunicaciones, como el telégrafo; luego
hubo demanda en la galvanoplastia (operación mediante la
cual se deposita una capa de metal sobre un objeto determinado) y
ya posteriormente en la iluminación y en la fuerza
motriz.
Mediante una balanza de torsión, Coulomb
encontró que la fuerza de atracción o
repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados
cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia
r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa.
El valor de la
constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que
se exprese F, q, q’ y r. En el
Sistema
Internacional de Unidades de Medida vale 9·109
Nm2/C2.
Las formulaciones matemáticas para poder
describir el comportamiento de la fuerza eléctrica fueron
desarrolladas en el año 1785 por Charles-Augustin
de Coulomb (1,736-1,806). famoso también
por sus investigaciones
sobre el magnetismo, el roce, las fuerzas insertas en estructuras de
ingeniería, y otros temas. Ahora bien, nos
es posible estimar, por ejemplo, en lo que respecta a distancia,
que la «fuerza de Coulomb» es igual a la de gravedad
como la describió Newton: al
duplicar la distancia, su magnitud disminuye a la cuarta parte
(ley inversa del cuadrado de la distancia). Muy semejante verdad.
Pero pese a ello, hay una diferencia fundamental entre ambas
fuerzas. Mientras la gravedad depende de la masa del objeto (se
duplica cuando se duplica la masa), la fuerza eléctrica
sólo depende de su carga (también se duplica con la
carga, pero permanece invariable si se dobla en tamaño la
masa). Podemos describir también el fenómeno,
señalando que mientras dos cuerpos de distinta masa caen
igual hacia un tercero que los atrae por gravedad, dos objetos de
diferente carga caen en forma diferente si son atraídos
eléctricamente hacia un tercero. La fuerza
eléctrica no es reductible a una propiedad
geométrica del espaciotiempo, como lo es la
gravedad.
Para una distribución continua en cgs,
Ahora bien, cuando hablamos de interacción de la
fuerza eléctrica a distancia, la Ley de Coulomb nos
permite deducir que si hay una carga eléctrica aquí
y otra, por ejemplo, en la Luna, ellas se influyen mutuamente a
través del vacío del espacio intermedio, tal como
las masas lo hacen según la teoría
de Newton de la gravedad.
Aquí, hemos entrado a una cuestión de la
física
que, para muchos, siempre va a ser un motivo de discusión
y dudas. Para obtener el electromagnetismo y la gravedad
matemáticamente se necesitan cinco dimensiones
espaciotiempo en vez de cuatro. Para ello, es necesario aceptar
la idea propuesta por el matemático Theodor Kaluza,
quién demostró que con el artificio de una
dimensión adicional a las cuatro conocidas de
espaciotiempo, es factible obtener el electromagnetismo y la
gravedad a partir de una misma teoría. El problema de la
idea es saber qué es esa quinta dimensión agregada,
que no percibimos. En uno de mis trabajos que se encuentra
inserto en uno de los temas que he difundido en «A
Horcajadas en el Tiempo», precisamente en el
capítulo XII, sección 05.02,
intento explicar los alcances teóricos de esa propuesta de
Kaluza.
EL ORIGEN
ATÓMICO DEL CAMPO MAGNÉTICO
Hacia fines del siglo XIX, se logró una descripción unificada de los
fenómenos electromagnéticos. Si la luz resulta de
la vibración de cargas, la siguiente pregunta a responder
es, ¿por qué los átomos emiten luz?,
¿hay algo que vibre dentro de ellos? Como veremos a
continuación, la respuesta de la última pregunta
es: sí, el electrón. Las primeras evidencias de
la existencia de esa partícula son muy antiguas y
están asociadas con la electricidad, es decir, con los
fenómenos relacionados con el movimiento,
acumulación o deficiencia de electrones en la materia.
DESCARGAS A TRAVÉS DE GASES
El fenómeno eléctrico más
espectacular es el de las descargas entre nubes (los
rayos), que originalmente era asociado al estado de
ánimo de algunas deidades; fue Benjamín Franklin el
primero en demostrar su naturaleza eléctrica en su famoso
experimento con cometas de papel. Sin embargo, los rayos
resultaron demasiado esporádicos e incontrolables como
para permitir su estudio sistemático.
Las descargas eléctricas a través de gases
habían sido observadas en el laboratorio por Francis
Hauskbee quien, en 1709, reportó la aparición de
una luz extraña cuando electrificaba un recipiente
de vidrio que
contenía aire a baja
presión. Otros estudiosos del
fenómeno fueron William Watson, quien en 1748 notó
la aparición de flamas en la zona de vacío de sus
barómetros de mercurio, y Michael Faraday, quien en 1838
realizó experimentos con descargas eléctricas a
través de gases enrarecidos. La conducción
eléctrica a través de gases intrigó a
Faraday, ya que incluso los gases que eran considerados como
aislantes, cuando eran enrarecidos, propiciaban fácilmente
ese tipo de descargas. ¿Sería posible la
conducción eléctrica en el vacío? En tal
caso, se podría estudiar directamente la naturaleza del
fluido eléctrico.
LOS RAYOS CATÓDICOS
Antes de que se lograra dar respuesta a esta pregunta,
debieron desarrollarse tres técnicas
experimentales fundamentales: una bomba de vacío
eficiente, un sello metal-vidrio que permitiera transmitir el
potencial eléctrico a los electrodos dentro de la zona
evacuada y la bobina de inducción para obtener las enormes
diferencias de potencial requeridas. La necesidad de este tipo de
cambios se aprecia mejor si se considera que Faraday utilizaba un
tubo de vidrio tapado en ambos extremos por corchos a
través de los cuales hacía pasar alambres para
conectar los electrodos internos a una batería.
Las primeras bombas de
vacío funcionaban con pistones ajustados a sus respectivos
cilindros a través de empaques que sellaban muy mal. No
fue sino hasta 1855 que Johann Heinrich Geissler inventó
en Bonn, Alemania, una
bomba que utilizaba columnas de mercurio como pistones, y que
eliminaba así los empaques. De este modo, se lograron
obtener presiones de una diezmilésima de atmósfera.
Simultáneamente, el mismo Geissler desarrolló
nuevos tipos de vidrio cuyos coeficientes de dilatación
eran iguales a los de algunos metales, con lo
que permitió pasar alambres a través de vidrio
fundido sin peligro de que se formaran fracturas por las que se
perdiera el vacío.
Otra mejora indispensable fue la obtención de
grandes diferencias de potencial eléctrico. En este
sentido, la contribución de otro alemán, Heinrich
Daniel Ruhmkorff, fue importante. Como ya se mencionó, los
primeros experimentos con tubos de descarga obtenían sus
voltajes de baterías enormes conectadas en serie.
Ruhmkorff modificó la bobina de inducción para
obtener algo parecido a las bobinas de los automóviles
actuales, con las que se producen descargas de miles de voltios a
partir de una batería de menos de diez voltios.
Con estos avances, en 1858 el profesor
alemán Julius Plucker estudió la conducción
de electricidad a través de gases a muy baja
presión utilizando un tubo de vidrio en el que
colocó dos placas metálicas en la parte interior de
los extremos. Tal como se había observado antes para un
vacío pobre, Plucker vio cómo se iluminaba todo el
tubo al aplicar electricidad a las placas.
Sin embargo, cuando casi todo el gas era evacuado
notó que esa luz desaparecía quedando tan
sólo un resplandor verdoso en el vidrio cercano a la zona
de la placa conectada a la terminal positiva de su fuente de
electricidad (el ánodo); la imagen luminosa
no dependía mucho de la posición de ese electrodo.
Más bien, parecía como si la luminosidad en esa
zona fuera producida por algún tipo de rayos
emitidos por la placa conectada al cátodo, y que viajaban
de una placa a la otra a través del
vacío.
Plucker también observó que la
posición de la imagen luminosa podía ser modificada
si se acercaba un imán a la zona del ánodo. Un
alumno de Plucker, J. W. Hittorf, encontró que al
interponer objetos entre el cátodo y el ánodo se
producían sombras en la imagen luminosa, con lo que
reforzó la idea del origen catódico para esos
rayos. El nombre de rayos catódicos fue introducido
años después por el investigador alemán
Eugen Goldstein, quien además demostró que las
propiedades de esos rayos no dependían del material de que
estuviera hecho el cátodo.
Una de las primeras teorías
sobre la naturaleza de los rayos catódicos fue propuesta
por el inglés William Crookes, quien sugirió que se
podía tratar de moléculas de gas, cargadas
eléctricamente en el cátodo y, posteriormente,
repelidas violentamente por la acción
del campo
eléctrico. Goldstein puso en duda esta
hipótesis basado
en la gran penetrabilidad que demostraban tener los rayos
catódicos, lo cual había sido interpretado por el
físico alemán Heinrich Hertz como una
indicación de que, en lugar de partículas, los
rayos catódicos serían ondas
electromagnéticas tal como él mismo había
demostrado que era la luz. Sin embargo, en 1895 el físico
francés Jean Baptiste Perrin encontró que los rayos
catódicos depositaban carga en un electroscopio, con lo
que confirmó que se trataba de partículas cargadas.
Fue por aquellas fechas que el inglés Joseph John Thomson
se interesó en medir la velocidad de dichas
partículas.
THOMSON Y EL ELECTRÓN
Nacido en 1856, Thomson se ganó en 1880 una
posición en el Trinity College de la Universidad de
Cambridge, Inglaterra, para
trabajar en el Laboratorio Cavendish. Originalmente dedicó
su tiempo a estudios matemáticos poco relevantes, hasta
que en 1884 fue inesperadamente designado director del
laboratorio. El Cavendish había sido construido diez
años antes con fondos donados por el Duque de Devon,
William Cavendish, descendiente del famoso Henry Cavendish, quien
midiera por primera vez la fuerza de atracción
gravitacional entre dos objetos de laboratorio. El puesto de
director había sido ocupado por James Clark Maxwell y,
posteriormente, por John William Strutt (Lord Rayleigh), quien se
retiró en 1884.
El nuevo nombramiento implicaba una orientación
más experimental para su investigación y, siguiendo los consejos de
Rayleigh, Thomson se dedicó a estudiar la naturaleza de
los rayos catódicos. Como ya vimos, por esas fechas el
tema era atacado también en otros laboratonos. La
contribución de Thomson fue publicada en tres
artículos aparecidos en 1897. Aun cuando no era demasiado
hábil con las manos —uno de sus asistentes
decía que ellos preferían que no tocara los
instrumentos—, su genio consistió en saber
qué hacer luego de cada nueva observación.
Para medir la velocidad de los rayos catódicos,
Thomson los hacía pasar por la combinación de un
campo eléctrico y uno magnético, producidos por un
par de placas conectadas a una batería y por un par de
electroimanes, respectivamente (véase figura 2). Tanto la
fuerza eléctrica como la magnética ejercidas sobre
las supuestas partículas eran directamente proporcionales
a la relación entre su carga y su masa. Sin embargo, la
fuerza magnética depende, además, de la velocidad.
Con este principio, Thomson ajustaba ambos campos para compensar
con el segundo la deflección ocasionada por el primero. En
estas condiciones, conocer el cociente de los campos era medir la
velocidad. Como información adicional, el experimento
permitía medir la relación entre la carga y la masa
de las partículas en cuestión.
Figura 2. Tubo de rayos catódicos. Los electrones
emitidos por el cátodo (C) son acelerados por el campo
eléctrico hacia el ánodo (A) que deja pasar algunos
por un orificio central. La trayectoria de este haz es afectada
por la acción de un campo magnético y uno
eléctrico. J.J. Thomson buscaba cancelar esos efectos para
determinar la velocidad de los electrones.
Los resultados del trabajo de Thomson indicaban que la
velocidad de los rayos con los que él trabajaba era,
aproximadamente, diez veces menor que la de la luz. Sin embargo,
lo que más llamó su atención es que la relación
carga/masa obtenida era mil veces mayor que la esperada para
iones (véase II.7). Este resultado sugería que, si
los rayos catódicos tenían algún origen
atómico, se trataba de partículas (los electrones)
mil veces más ligeras que el átomo de
hidrógeno. Estas partículas resultaron ser los
electrones.
Estrictamente, el que la masa del electrón fuese
mil veces menor que la del átomo que lo contenía
era sólo una de las posibles interpretaciones, que
dependía de suponer que la carga del electrón era
igual a la unidad electrolítica de carga. Fue entonces
necesario determinar experimentalmente, y en forma independiente,
la carga y/o la masa del electrón.
CARGA Y MASA DEL ELECTRÓN
Los primeros experimentos tendientes a determinar la
carga del electrón fueron motivados por el descubrimiento
de un alumno de Thomson, Charles Thomson Rees Wilson, en el
sentido de que los iones podían servir como semillas de
condensación de gotas en las nubes. La fascinación
de Wilson por los fenómenos ópticos producidos por
la luz del sol al pasar por las nubes, lo motivaron a estudiar en
el laboratorio la producción de atmósferas
gaseosas.
Antes que Wilson, Coulier y Aitken habían
descubierto un método
para producir nubes al expandir una cámara que contuviera
una atmósfera húmeda. Siguiendo este método,
en 1894 Wilson encontró que, en ausencia de polvo, se
podía lograr una atmósfera supersaturada de humedad
libre de gotas.
La producción de gotas sólo se
producía si se rebasaba cierto límite de
saturación, o bien si se provocaba algún tipo de
ionización de las moléculas del medio.
Aparentemente, cada ion atrapaba a las moléculas libres
para formar gotas.
En 1895, cuando Roentgen descubrió los rayos X, J. J.
Thomson propuso a Wilson estudiar el efecto de esos rayos sobre
medios supersaturados con su cámara de expansión, y
se encontró que esos rayos eran altamente
ionizantes.
Poco tiempo después, con el descubrimiento de la
radiactividad, vio que ésta era capaz de producir gotas en
la cámara. La cámara de Wilson fue esencial en el
descubrimiento de algunas de las partículas elementales,
motivo por el cual recibió el Premio Nobel de
física en 1927.
Thomson y otros de sus colegas, J. S. E. Townsend y H.
A. Wilson, cada uno por su cuenta, diseñaron métodos
para medir la masa de las gotitas que se formaban alrededor de
cada ion. Townsend, por ejemplo, separaba el líquido de
las gotitas que se formaban alrededor de iones, midiendo la carga
total. La masa de cada gotita era deducida de la velocidad de
caída bajo la acción conjunta de la gravedad y la
viscosidad del
aire.
La masa total del líquido dividido por la masa de
cada gotita determinaba el número de gotitas acumuladas, y
la carga total dividida por el número de gotitas daba la
carga de cada gotita. En el supuesto de que cada gotita
creció alrededor de un ion, la carga de cada gotita
sería la carga del ion. Y ya que este tipo de
ionización se puede asociar con la pérdida de un
electrón por parte de una molécula, la carga del
ion es de la misma magnitud que la del electrón perdido,
puesto que la molécula no ionizada es
eléctricamente neutra.
El método de Thomson utilizaba medidas de
conductividad eléctrica y térmica de la nube
gaseosa para determinar la masa líquida, mientras que H.
A. Wilson mejoró el método de Townsend al incluir
un campo eléctrico variable, paralelo al gravitacional,
que permitía una medida más directa de la carga de
cada gotita. Sus resultados, publicados independientemente entre
1897 y 1903, indicaban que la carga iónica era del orden
de l0-19 coulombs.
Las medidas del grupo de
Thomson, a pesar de ser bastante cercanas al valor aceptado
actualmente (1.6021 X 10-19 coulomb), fueron vistas
con desconfianza y abrieron el camino para medidas más
precisas. En 1906, el físico norteamericano Robert Andrews
Millikan atacó el problema repitiendo las medidas de H. A.
Wilson con la ayuda de Harvey Fletcher, entonces estudiante de
doctorado. Pronto se dieron cuenta que la masa de las gotitas
variaba rápidamente debido a la evaporación. Para
minimizar este efecto empezaron a utilizar gotitas de aceite.
Otro cambio importante fue que, en lugar de observar el
comportamiento global, Millikan se concentró en el
comportamiento de gotas individuales al ser expuestas al efecto
combinado de la gravedad y el campo eléctrico a la manera
de Wilson. Los resultados mostraron que, si bien la carga inicial
de cada gotita observada era enorme comparada con lo reportado
por Thomson y su grupo, ésta fluctuaba de una a otra (para
la misma gotita) en pasos discretos.
Pronto se dieron cuenta de que estas diferencias eran
múltiplos pequeños de una misma carga,
aparentemente debidas a la pérdida o ganancia de algunos
electrones por interacción con el medio en su trayecto.
Luego de un simple análisis estadístico, esto los
llevó a deducir 1.592 X l0-19 coulombs como la
carga del electrón, que se denota comúnmente con la
letra e. Millikan recibió el Premio Nobel en 1923
por este trabajo.
Una vez determinada la carga del electrón, su
masa pudo ser deducida utilizando la relación carga/masa
medida por Thomson, que dio como resultado 9 X 10-31
kg. El propio Millikan dedujo el número de Avogadro,
simplemente dividiendo el faraday por e, que dio como
resultado: 6.06 X 1023 moléculas por gramo-mol,
y la masa del ion de hidrógeno a partir de la
relación carga/masa deducida en electrólisis, que dio 1.66 X
10-27 kg. Es decir, la masa del electrón es
casi 1/2000 de la del átomo que lo contiene. Un cálculo
aritmético simple también permitió a Thomson
deducir que las dimensiones de un átomo son del orden de
10-10 metros.
Para terminar, vale la pena hacer notar que, si bien
Zeeman y otros realizaron simultáneamente investigaciones
cuyos resultados muestran inequívocamente la existencia
del electrón, el crédito
de este descubrimiento se otorga casi enteramente a Thomson. Esto
puede deberse a que, desde su publicación original,
Thomson hizo hincapié en el carácter elemental del
electrón, al considerarlo una fracción del
átomo.
RESUMEN
Los estudios enfocados a entender la naturaleza del
fluido eléctrico fueron motivados inicialmente por
las descargas a través de gases. En tal labor se
requirió el desarrollo de técnicas de vacío
y de otras que dieron como resultado el tubo de rayos
catódicos. El descubrimiento de que estos rayos
están constituidos por partículas cargadas
fue la labor de J. J. Thomson quien, antes de deducir la
naturaleza elemental, necesitó demostrar que su masa era
mucho menor que la de los átomos que las
contenían
Las fuerzas magnéticas son producidas por el
movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo
electrones, lo que indica la estrecha relación entre la
electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas
fuerzas se denomina teoría electromagnética. La
manifestación más conocida del magnetismo es la
fuerza de atracción o repulsión que actúa
entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin
embargo, en toda la materia se pueden observar efectos más
sutiles del magnetismo.
Recientemente, estos efectos han proporcionado claves
importantes para comprender la estructura atómica de la
materia.
Fuerza magnética sobre una corriente
rectilínea
Una carga en movimiento en presencia de un imán
experimenta una fuerza magnética Fm que
desvía su trayectoria. Dado que la corriente
eléctrica supone un movimiento continuado de cargas, un
conductor por donde circula corriente sufrirá, por la
acción de un campo magnético, el efecto conjunto de
las fuerzas magnéticas que se ejercen sobre las diferentes
cargas móviles de su interior. Si la corriente es
rectilínea y de longitud l, la expresión de
la fuerza magnética toma la forma:
Fm = I.B.L.sen | (11.6) |
en donde I es la intensidad de corriente,
B la intensidad de campo y el ángulo que
forma la corriente con el vector campo. La anterior
ecuación, que se conoce como ley de Laplace,
se puede obtener experimentalmente, también puede
deducirse de la expresión Fm =
I.B.l.sen de la fuerza magnética sobre
una carga móvil. Admitiendo que la corriente es
estacionaria, esto es, de intensidad constante y considerando en
tal circunstancia el movimiento de avance de las cargas como
uniforme, se cumple la igualdad:
q.v = I.L | (11.7) |
pues en tal supuesto v = L/t e I = q/t; despejando la
variable t en ambas ecuaciones e
igualándolas, resulta
L/v = q/I
ecuación equivalente a la anterior. La
dirección y el sentido de la fuerza magnética
Fm se obtiene aplicando la regla de la mano
izquierda, con el dedo pulgar representando la dirección
de la fuerza magnética Fm, el
índice el campo magnético B y el dedo
corazón
la corriente l.
Fuerza magnética sobre una espira
rectangular
Una espira con forma rectangular por la que circula una
corriente cuando es situada en el interior de un campo
magnético, como el producido por un imán de
herradura, sufre un conjunto de acciones
magnéticas que producen en ella un movimiento de giro o
rotación, hasta situarla dispuesta paralelamente a la
dirección del campo B (o dirección de las
líneas de fuerza).
La explicación de este fenómeno puede
efectuarse aplicando la ley de Laplace a cada uno de los tramos
rectilíneos de la espira. Supóngase que como se
muestra en la figura adjunta, la espira puede girar en torno a un
eje que es perpendicular a las líneas de
fuerza.
La espira rectangular está formada por dos pares
de segmentos rectilíneos paralelos entre sí, un par
horizontal AD y BC y otro vertical AB = DC, por los que circula
la corriente I. Cuando se aplica la regla de la mano izquierda a
los segmentos horizontales AD y BC se advierte que las fuerzas
magnéticas correspondientes resultan verticales y opuestas
de modo que no producen ningún efecto de movimiento. Las
fuerzas sobre los segmentos verticales AB y DC son opuestas y
paralelas y están contenidas en un plano horizontal.
Constituyen por tanto un par de fuerzas, el cual da lugar a un
movimiento de giro que hace que la espira se sitúe
perpendicularmente a las líneas de fuerza. En tal
situación también estas otras fuerzas actuantes se
anulan mutuamente y el cuadro permanece en equilibrio. La
expresión del momento del par de fuerzas que actúa
sobre la espira es, de acuerdo con su
definición:
M = fuerza x braza = Fm.b.sen
donde b es la dimensión horizontal de la
espira y es el ángulo que forma la dirección de una
cualquiera de las dos fuerzas del par con la línea que une
sus respectivos puntos de aplicación. La aplicación
de la ley de Laplace a uno cualquiera de los segmentos verticales
de longitud a da lugar a la expresión:
Fm = B.I.a.sen 90º = B.I.a
pues B y la dirección de la corriente
I son perpendiculares; la expresión del momento
toma la forma:
M = B.I.a.b.sen = B.I.S.sen | (11.8) |
donde S = a · b es el
área de la espira. Cuando la espira al girar se orienta
paralelamente al campo, se hace cero y el momento
M resulta nulo, lo que explica que esta orientación
sea la del equilibrio.
Trayectoria de una partícula en un campo
magnético
La desviación de una aguja magnética bajo
la acción de un campo originado por una corriente,
según el experimento de Oersted, pone de manifiesto la
existencia de una fuerza magnética que el campo aplica
sobre la aguja.
Si existe una fuerza hacia alguna dirección,
según la tercera ley de Newton, debe existir una segunda
fuerza equivalente y de sentido contrario, que actúe sobre
el conductor o sobre las cargas en movimiento. Esto se da
realmente, ya que si colocamos una barra conductora en un
imán en forma de "u", observaremos que se mueve saliendo o
entrando en el imán, hacia el lado de la corriente que
este dispuesto. Al experimentar en esta forma nos damos cuenta
que el sentido de la corriente, el campo y el movimiento son
perpendiculares entre sí. Esto permite señalar
varias reglas para determinar con precisión uno de
éstos sentidos cuando se conocen los otros dos.
Regla de la mano izquierda:
Consiste en colocar perpendicularmente entre sí
los tres primeros dedos de la mano izquierda, de modo que el
índice señale el sentido del campo, el medio
indique el sentido de la corriente y, entonces, el pulgar
señala el sentido del movimiento del conductor o de la
desviación que experimentan las cargas.
Regla de la mano derecha:
Consiste en extender la mano derecha, de modo que el
pulgar quede perpendicular a los restantes dedos (en un solo
plano). Entonces, si el pulgar indica el sentido de la corriente
y de los demás dedos, el sentido del campo, el sentido del
movimiento o de la fuerza aplicada sobre el conductor o sobre las
cargas será perpendicular a la palma de la mano,
alejándose de ésta.
APLICACIONES TECNOLÓGICAS DEL
MAGNETISMO.
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 vez abrió nuevos horizontes
científicos.
Se reseña la curiosidad científica que ha
tenido el hombre
desde tiempos inmemoriales por las propiedades de la electricidad
por un lado y del magnetismo por otro.
Se relata el descubrimiento de la relación entre
estos dos campos, resaltando el hecho de que no son
independientes. Se habla de los trabajos de Christian Oersted,
André-Marie Ampère y Michael Faraday, algunas de
las figuras señeras de la ciencia en
el siglo pasado.
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 una
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 vuelco
inesperado. James Glerk Maxwell realizó una gran síntesis
teórica de los trabajos de Ampère y Faraday sobre
la electricidad y el magnetismo, lo que le 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 capítulo XlV. Basado
en el trabajo de
sus antecesores, Maxwell construyó uno de los pilares de
la física, comparable con la mecánica desarrollada
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 había propuesto originalmente y que Maxwell
elaboró en su forma matemática. Esta idea ha sido de crucial
importancia en la física posterior, tanto para la
relatividad de Einstein como para las teorías modernas de
las partículas elementales
Otra consecuencia 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 habían
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. En el capítulo XX se describe
la relación entre la parte científica y sus
aplicaciones prácticas. Una vez logrado el entendimiento
fundamental del funcionamiento de los tubos al vacío hubo
una nueva irrupción de grandes novedades: la radio, que
dominaría la vida humana durante varias décadas, y
posteriormente la
televisión, que tanta repercusión ha tenido.
Esto lo reseñamos en los capítulos XXI y
XXII.
En el capítulo XXIII presentamos en forma breve
la introducción y aplicaciones de la
electricidad en México.
En los capítulos XXV y XXVI se detalla la
invención del radar y el papel determinante que
desempeñó en la victoria de los ingleses en la
llamada Batalla de Inglaterra. Ésta, que tuvo en sus
momentos culminantes en el otoño de 1940, fue decisiva en
la posterior derrota de la Alemania nazi y pudo lograrse gracias
a que los ingleses contaban con el radar, primitivo, pero
funcional. Éste fue una aplicación importante de la
teoría electromagnética. Para mejorar su
funcionamiento y reducir su tamaño fue necesario trabajar
con microondas,
que se lograron generar por medio del
magnetrón.
Como se reseña en el capítulo XXVII, hacia
1946 se terminó de construir un dispositivo que
llegaría a tener gran influencia en la vida humana: las
computadoras
electrónicas.
Otra revolución se lleva a cabo en la segunda
parte de la década de 1940: la invención del
transistor. En
el capítulo XXVIII se presenta el trabajo
científico que se realizó para lograr esta novedad;
en particular, la base cuántica fue indispensable para
hacer una descripción correcta de la estructura
microscópica de los sólidos. De esta manera, como
se puede leer en el capítulo XXIX, se inició un
torrente de aplicaciones y de mejoras cada vez más
interesantes, lo que hizo posible la miniaturización de
los aparatos electrónicos.
De hecho, a partir de la década de 1950 se ha
vivido en una revolución continua.
Los avances científicos en la comprensión
de la estructura de la materia han dado lugar a un sinfin de
aplicaciones del electromagnetismo. Una de ellas fue el láser,
cuyo principio se basó en un mecanismo que Einstein
propuso en 1917 para explicar la distribución de
radiación encontrada por Planck en 1900. En el capitulo
XXX se detalla la base del funcionamiento de este dispositivo,
que tiene una cantidad impresionante de aplicaciones, algunas de
las cuales presentamos.
Finalmente, en el último capítulo, el
XXXI, se indican algunos de los avances que se están dando
en la actualidad, así como las tendencias hacia el futuro.
La fotónica, o sea la transmisión de señales, ahora por medio de ondas
electromagnéticas y usando fibras ópticas,
está ahora al frente del desarrollo, con la posibilidad
real de reemplazar a los dispositivos electrónicos. De
hecho, se vislumbra que en el siglo venidero los aparatos no sean
ya electrónicos sino fotónicos,
convirtiéndose en realidad un sueño de excitantes
posibilidades, sólo concebido en la ciencia
ficción.
Por limitación de espacio el autor ha elegido
sólo algunos de los más importantes avances
tecnológicos del electromagnetismo; aun así ha
sido necesario abreviar la información, ya que varios de
ellos requerirían un libro
completo.
En esta obra se plantea el hecho de que, en el caso del
electromagnetismo, la frontera entre
la ciencia y la tecnología no
está bien delimitada; de hecho, es difícil hablar
de frontera. Y es que las dos están tan interrelacionadas
que no puede avanzar una sin la ayuda de la otra. Esta mancuerna
ha sido la base de la civilización moderna
Hecho y publicado por:
Mario E. Navas
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