Biografía de la física

Electromagnetismo.- Aunque los primeros investigadores de los fenómenos eléctricos y magnéticos tuvieron que presentir que había alguna relación entre ellos, no pudieron establecerla. Las cargas eléctricas no influyen en absoluto sobre los imanes, ni los imanes influyen sobre las cargas eléctricas. El honor de haber descubierto el puente entre la electricidad y el magnetismo corresponde al físico danés Hans Chistian Oersted que, habiendo oído hablar de la obra de Volta, construyó una pila (batería) eléctrica de su propia invención y efectuó diversos experimentos con ella. Un día del año 1820, cuando se dirigía a dar su lección en la Universidad de Copenhague, Oersted, tuvo una idea. Si la electricidad estática no afecta a los imanes, tampoco la electricidad (cargas en movimiento) debería afectarlos. Al llegar al aula atestada de jóvenes estudiantes, Oersted colocó en la mesa su pila de Volta, conectó los dos extremos opuestos con un alambre de platino (ubicado a lo largo de la mesa) y situó una brújula por abajo del alambre. La aguja que se suponía que siempre se orientaba en la dirección Norte-Sur giró y se quedó quieta en dirección perpendicular al alambre. El público no se impresionó, pero Oersted, sí. Después de su lección permaneció en el aula tratando de comprobar el insólito fenómeno que acababa de descubrir. Primero pensó que el movimiento de la brújula podría haber sido producido por las corrientes de aire procedentes del alambre calentado por la corriente eléctrica. Para comprobarlo situó un trozo de cartón entre el alambre y la brújula para detener las corrientes de aire. Pero no observó alguna diferencia. Después hizo girar la pila de Volta 180 grados de modo que la corriente en el alambre fluyera en la dirección contraria. La aguja también giró 180 grados y su polo norte señalaba ahora en la dirección en que antes estaba el polo sur. Para Oersted no cabía duda de que existía una interacción entre los imanes y la electricidad en movimiento y que la dirección en que la brújula se orientaba dependía de la dirección en que corría la electricidad por el alambre. Escribió todos los hechos y las observaciones relativas a este descubrimiento y envió el artículo para su publicación a la revista francesa “Annales de Chimie et de Physique”. El artículo apareció a fines de 1820.

¡Así el electromagnetismo, como Oersted lo llamó, llegó a ser realidad!

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George Gamow, “Biografía de la física,” Salvat Editores 1989.

Cuando llegó a París la noticia del descubrimiento de Oersted atrajo la atención del físico y matemático francés André Marie Ampère que, en el transcurso de unas cuantas semanas, encontró que no sólo una corriente eléctrica actúa sobre una aguja magnética, sino que también dos corrientes actúan una sobre otra, produciéndose una atracción entre dos alambres paralelos que transportan corrientes eléctricas en el caso de que las corrientes vayan en la misma dirección y una repulsión si las direcciones de las dos corrientes son contrarias. Demostró también que una espiral de alambre de cobre que puede girar libremente en torno de un eje vertical se orienta en la dirección Norte-Sur si la corriente sigue la misma dirección que la aguja de la brújula y que dos espirales o bocinas interactúan una sobre otra de la misma manera que dos varillas imantadas. Esto le llevó a la idea de que el magnetismo natural es debido a una corriente eléctrica que corre dentro de los cuerpos magnetizados, e imaginó que cada molécula de materiales magnéticos contiene dentro de si una corriente circular, representando un pequeño electroimán. Estas ideas de Ampère han sido plenamente confirmadas por los físicos modernos que consideran que las propiedades magnéticas de los átomos y moléculas son debidas a electrones que giran en torno al núcleo o giran rápidamente en torno a sus propios ejes.

Descubrimientos de Faraday.- Michel Faraday, que llevó los estudios clásicos sobre los fenómenos eléctricos y magnéticos a su cima y abrió una nueva era que ahora llamamos “física moderna”, nació en 1791, cerca de Londres, en la familia de un herrero. Su familia era demasiado pobre para sostenerlo en la escuela y a la edad de 13 años entró como recadero en una librería propiedad de un tal Mr. Riebau. Un año después, Mr. Riebau le tuvo de aprendiz de encuadernador por un plazo de siete años. Faraday no sólo encuadernaba los libros que llegaban a la librería sino que leía muchos, desde la primera a la última página, que estimularon en él un ardiente interés por la ciencia. Faraday escribió “mientras fui aprendiz me gustaba leer los libros científicos que caían en mis manos y entre ellos me deleitaba con las Conversaciones de Química y los artículos sobre electricidad de la Enciclopedia Británica. Hice los experimentos sencillos que podían ser costeados por unos cuantos peniques a la semana y de este modo construí una máquina eléctrica.”

Después de descubrir la electrólisis en la librería, Faraday tuvo que buscar un nuevo empleo porque se terminaba su contratación en la librería. Su aspiración era trabajar con Sir Humphry Davy, un famoso químico, a cuyas lecciones Faraday había asistido. Transcribía caligráficamente sus notas sobre las conferencias de Davy, añadiéndole sus excelentes dibujos, y las envió en un volumen elegantemente encuadernado a sir Humphry con una petición de empleo en su laboratorio. Davy contrató al joven Faraday para lavar botellas. Faraday aceptó y permaneció en la Real Institución durante los 45 años restantes de su vida, primero como ayudante de Davy, después como su colaborador y por último, a la muerte de Davy, como sucesor suyo.

En la época de Faraday la idea de que el magnetismo debía producir electricidad, lo mismo que la corriente eléctrica produce magnetismo, estaba en el aire y muchos físicos intentaron observar este efecto y ensayaron las configuraciones estáticas de imanes y alambres, tales como una varilla imantada con un alambre enrollado a su alrededor, que se negaba obstinadamente a producir alguna chispa cuando se unían los dos extremos. Al genio de Faraday o acaso a la enorme cantidad de experimentación que realizó día tras día, se debe haber hecho evidente que la producción de una corriente eléctrica es un proceso dinámico y requiere, bien un cambio en la fuerza de otra corriente, bien un cambio en la posición del imán. Faraday descubrió que era posible generar corriente en una bobina sólo mientras el imán se estaba moviendo i. e. mientras era metido o sacado de la bobina.

Campo electromagnético.- Por impresionantes que fueran los descubrimientos experimentales de Faraday, estos no los pudo poner en ideas teóricas, a causa de su poca instrucción ya que prácticamente no tenía  conocimientos matemáticos, Faraday no pudo ser lo que habitualmente se llama un físico teórico. Ya que para tener una concepción teórica de un fenómeno físico embrollado es absolutamente necesario un conocimiento de las complicadas matemáticas.

El trabajo de dar a las ideas de Faraday una formulación matemática cuantitativa fue realizado por el famoso escocés, James Clerk Maxwell, nacido en Edimburgo dos meses después de haber anunciado Faraday su descubrimiento de la inducción electromagnética. Al contrario que Faraday, Maxwell era un gran matemático.

Sin duda la obra más importante de Maxwell fue la formulación matemática de las ideas de Faraday relativas a la naturaleza y leyes del campo electromagnético. En una de sus ecuaciones estableció matemáticamente (Faraday) que un cambio en el tiempo del campo magnético induce la existencia automática de un campo eléctrico (fuerzas electromotrices y corrientes eléctricas en los conductores). En otra de sus ecuaciones estableció que corrientes eléctricas producen campos magnéticos, pero además agregó que el magnetismo también se podía producir si los campos eléctricos cambiaban en el tiempo. En las dos ecuaciones de Maxwell mencionadas, se relacionan el valor del cambio del campo magnético con la distribución espacial del campo eléctrico y viceversa.

Mediante sus ecuaciones, Maxwell pudo predecir la existencia de las ondas electromagnéticas i. e. ondas que transportan energía y que se mueven a la velocidad de la luz. La existencia de estas ondas fue confirmada experimentalmente en 1888 por el físico alemán Henrich Hertz poco después de haberlas predicho Maxwell y condujo al desarrollo de  la técnica de la radiocomunicación que actualmente representa una de las mayores ramas de la civilización industrial.

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