El Electromagnetismo: una historia de grandes
pasos.
En el
presente capítulo se hará un breve repaso a la Historia del Electromagnetismo
como ciencia, desde sus orígenes hasta la aparición de artilugios eléctricos
como bombillas, motores, tendidos eléctricos, etc.
En
primer lugar, antes de comenzar dicho repaso, es importante señalar que el
conocimiento de los principios que rigen el electromagnetismo ha permitido a
los seres humanos desarrollar toda una serie de inventos con aplicaciones prácticas
(algunos de ellos ya mencionados), que han sido fundamentales en la profunda
transformación que ha experimentado el modo de vida de los humanos durante los
últimos dos siglos aproximadamente, especialmente en los países desarrollados.
A dicho proceso de transformación disruptiva se le puede llamar, sin temor a
sobreestimar su impacto e influencia, la Revolución Eléctrica.
Por
lo tanto, el conocimiento de la Historia del Electromagnetismo nos acerca de
manera decisiva a nuestra propia Historia, y nos permite entender mejor el
mundo en el que vivimos actualmente, y la manera en la que hemos llegado hasta
aquí.
Hecha
esta pequeña -pero notoria- aclaración, comenzamos ahora sí con el repaso a la
Historia del Electromagnetismo. Tenga el lector presente que esta exposición
estará necesariamente simplificada, y que muchas contribuciones al desarrollo
de esta ciencia no serán tratadas en la misma como merecerían, dado que el
objetivo es servir como introducción al tema y discutir los principales hitos
en la construcción de una de las grandes teorías clásicas de la Física (en
otras palabras: la Historia completa del Electromagnetismo no cabe en unas
pocas páginas).
Los primeros descubrimientos.
Las
observaciones de fenómenos eléctricos, tales como tormentas eléctricas o peces
eléctricos (como por ejemplo las anguilas), deben de haberse producido desde
tiempos inmemoriales; muy probablemente, a tales fenómenos se les atribuiría un
carácter mágico o mitológico. Los primeros indicios acerca de la existencia de
fuerzas eléctricas y magnéticas se remontan sin embargo a la Antigüedad, y
suelen atribuirse (¡oh, sorpresa!) a los griegos. En torno al año 600 a.C., el
filósofo griego Tales de Mileto, describió cómo el ámbar (resina de árboles
fosilizada) atraía pequeños y ligeros objetos cuando era frotado con pieles de
animales. La palabra que empleaban los griegos para designar el ámbar era “elektron”, y de ahí procede el nombre de
“electricidad”. Los griegos también sabían que la magnetita, un mineral
compuesto por óxidos de hierro, atraía trozos de hierro. La palabra griega para
designar la magnetita es “magnetislithos”,
y de ahí procede el nombre de “magnetismo”.
Por
otra parte, el uso de la brújula magnética es también antiquísimo (recordemos
que una brújula es una aguja de hierro –o de magnetita- imantada que se alinea
según el campo magnético de la Tierra, señalando de esta forma sus extremos el
polo norte y el polo sur terrestres, aproximadamente). Se suele atribuir a los
chinos la invención de la brújula magnética, posiblemente durante el siglo III
a.C. Es probable que los vikingos también la inventaran de manera
independiente, si bien más tardíamente (alrededor del siglo I d.C.). Por
supuesto, ambas civilizaciones se habrían beneficiado inmensamente de tal invención
en lo concerniente a la navegación, aunque parece que ésta no fue la aplicación
original en la antigua China. En Europa, en contraste, la primera referencia
conocida a la brújula data de principios del siglo XIII d.C.
Los orígenes como Ciencia.
En 1269,
el francés Petrus Peregrinus de Maricourt colocó un fino rectángulo de hierro
sobre una esfera de magnetita en diferentes posiciones, y observó que se
alineaba siempre en meridianos análogos a los de la Tierra, lo cual le llevó a
definir el concepto de polos magnéticos. Descubrió también que cuando un imán
es cortado en dos, cada una de las piezas resultantes también tiene dos polos.
Y observó que polos semejantes se repelen y que polos opuestos se atraen.
Recogió el resultado de sus investigaciones en su “Epistola de Magnete”, que hoy en día constituye el primer (pequeño)
tratado conocido sobre el tema.
Hasta
finales del siglo XVI sin embargo, no se produjeron apenas nuevos avances. En
el año 1600, William Gilbert, médico de la reina Isabel I de Inglaterra, que
había dedicado años a estudiar de manera sistemática el magnetismo (y en menor
medida, la electricidad estática), publicó “De
Magnete”; suele considerarse la publicación de esta obra como el origen del
Electromagnetismo como disciplina científica. Entre otras cosas, Gilbert
concluyó que la Tierra debía ser un inmenso imán. Esta notable afirmación
contrasta con la visión aceptada en la época, según la cual el magnetismo se
debía a la atracción de los polos de la esfera celeste.
El siglo XVIII: la Electrostática.
El
siglo XVII vio nacer los generadores electrostáticos, aparatos capaces de
almacenar carga eléctrica, generalmente por fricción. El primer generador
electrostático fue el construido por Otto von Guericke en 1663, aunque
numerosos diseños distintos aparecieron con posterioridad. Entre todos ellos,
destacaron significativamente las botellas o jarras de Leyden, inventadas de
manera independiente por Peter von Musschenbroek (1746), un científico holandés
de la ciudad de Leiden, y el alemán Ewald Georg von Kleist (1745). La botella de Leyden era una botella de
vidrio sellada, llena de agua hasta la mitad, que contenía un cilindro
conductor que sobresalía por la abertura de la botella. La carga se le
comunicaba al cilindro mediante un generador de fricción. William Watson,
médico y científico inglés, añadió un recubrimiento metálico tanto en el
interior (en contacto con el cilindro conductor) como en el exterior, lo que
aumentó enormemente la capacidad de las botellas y constituyó la invención del
primer condensador eléctrico; hoy en día los condensadores se emplean de manera
rutinaria en infinidad de aparatos electrónicos.
Los
generadores electrostáticos podían acumular grandes cantidades de carga, y jugaron
un papel fundamental en el nacimiento y desarrollo, a principios del siglo
XVIII, del estudio científico de la electricidad, ya que posibilitaron la
investigación de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados, en situaciones
en las que las cargas son estáticas. Así, en 1785 Charles Coulomb determinó
experimentalmente la ley que lleva su nombre, según la cual la fuerza eléctrica
entre dos cargas (o entre los polos de dos imanes) disminuye con el cuadrado de
la distancia, y es proporcional al valor de cada carga. Para ello inventó la
balanza de torsión, un importante instrumento que sirve para medir fuerzas que
son débiles. La ley de Coulomb había sido sin embargo ya demostrada por el
científico escocés John Robinson en 1769 (aunque de manera menos concluyente),
y al parecer también por el extravagante científico inglés Henry Cavendish (quien
sin embargo no publicó, fiel a su costumbre, sus resultados). Por su parte, los
matemáticos Siméon-Denis Poisson (en 1813), Geroge Green (en 1828) y Carl
Friedrich Gauss (en 1835) realizaron importantísimas contribuciones matemáticas
a la teoría del Electromagnetismo, y de esta forma, a principios del siglo XIX
quedaron establecidos los principios de la electrostática.
La pila de Volta.
En el
año 1800 se produjo un descubrimiento crucial, que cambiaría el rumbo de la
Historia. Ese año, Alessandro Volta escribió una carta al presidente de la
Royal Society de Londres, sir Joseph Banks. Junto a la carta envió un aparato
compuesto por discos de cinc y de cobre apilados alternativamente uno sobre
otro en pares (cinc, cobre, cinc, cobre…), y separados los pares entre sí por
paños empapados en una solución salina (salmuera), también en forma de disco (Fig.1).
Cuando se conectaban los extremos de esta pila de discos mediante cables
conductores, se producía una corriente continua (esta corriente se manifestaba
mediante el calentamiento de los materiales conductores, o la separación de
compuestos químicos, como el agua, en sus elementos constituyentes)1.
Este
artilugio, que ha pasado a la historia como “la pila de Volta”, revolucionó el
estudio de la electricidad, ya que permitió disponer de una fuente de corriente
continua duradera. Hasta entonces, se disponía solamente de generadores de
carga tales como las botellas de Leyden, que si bien permitían acumular una gran
cantidad de carga (lo cual era apropiado para el estudio de la electrostática),
se descargaban muy rápidamente, y no permitían por lo tanto el estudio de las
corrientes eléctricas.
La
pila de Volta fue por lo tanto un invento de la mayor relevancia, sin el cual
no se podrían haber producido los descubrimientos posteriores de Ampère,
Faraday, etc. sobre el electromagnetismo. Tanto es así, que su valía fue
reconocida de inmediato. Francesc Aragó, quien también realizó contribuciones
notables al electromagnetismo, escribió: “La
producción de electricidad por el mero contacto de metales diferentes es uno de
los hechos más grandes y establecidos de la Ciencia Física... y ahora estos
medios están en manos de todos los experimentadores, y es gracias al genio de Volta
que lo ha hecho posible”. O también: “[es] el instrumento más maravilloso que el hombre nunca ha inventado, sin
exceptuar el telescopio y la máquina de vapor” [1]. Volta incluso llegó a
presentar su invento en una sesión particular ante el propio Napoleón I
Bonaparte, quien, impresionado, le otorgó la medalla de oro al mérito
científico y le nombró conde y senador de Lombardía.
Sin
embargo, la pila de Volta tenía un problema: el peso de los discos comprimía el
paño húmedo, lo cual provocaba cortocircuitos. Para solucionar este
inconveniente, William Cruickshank, químico de la Royal Military Academy de
Woolwich, ideó una sencilla pero decisiva mejora, introducida a principios de
1802: colocó los componentes de la pila en horizontal en el interior de una
caja de madera, y sustituyó la solución salina por ácido sulfúrico.
La
mejora introducida por Cruickshank permitió construir baterías cada vez más
grandes, con un mayor número de discos o placas metálicas (algo que no habría
sido posible con el diseño original de Volta), las cuales proporcionaban
voltajes e intensidades de corriente mayores. De hecho, a principios del siglo
XIX comenzó una carrera tecnológica entre Francia e Inglaterra por ver quién
construía la pila más grande [1]. En 1802, Humphry Davy había construido una
gran pila que le había permitido aislar por primera vez mediante electrólisis
diferentes elementos químicos, tales como el sodio, el potasio,… (ver el
capítulo de Electroquímica). Sin embargo, hacia 1808 la pila ya estaba muy desgastada,
y se hizo necesario construir una nueva. Por aquel entonces, Joseph Louis
Gay-Lussac y Louis Jacques Thénard estaban inmersos en la construcción de una
batería de grandes dimensiones en Francia. La Royal Institution de Londres, a
la que pertenecía Humphry Davy, andaba escasa de fondos, e inició una campaña
(apelando al nacionalismo y a la grandeza de la nación de Inglaterra) para
recaudar fondos para construir una gran batería antes que los franceses.
Finalmente, los ingleses consiguieron su objetivo en 1810, con la construcción
de una inmensa batería que generaba 2.200 voltios, mientas que la pila de los
franceses no llegaría hasta 1813.
La unificación de la electricidad y el
magnetismo.
El descubrimiento de
Oersted.
Como ya
se ha señalado, la invención de la pila de Volta posibilitó el comienzo de los
estudios sobre las corrientes eléctricas. Así, en 1820 Hans Christian Oersted,
químico y físico danés, realizó un descubrimiento crucial, que desataría un
torbellino de investigaciones acerca de la relación entre la electricidad y el
magnetismo. Oersted creía firmemente en la interconexión entre ambos fenómenos
desde hacía más de una década, en un momento en el que no existían indicios de
tal interdependencia y pocos científicos podían siquiera sospecharla. Esta
convicción filosófica le llevó a demostrar que una corriente eléctrica provoca
la desviación de una aguja imantada. En otras palabras: las corrientes
eléctricas se comportan como imanes, ejerciendo una fuerza sobre las agujas
imantadas y desviándolas de su posición natural, orientada según el campo
magnético terrestre. En concreto, Oersted demostró que una corriente eléctrica
continua que circula por un conductor rectilíneo ejerce una fuerza sobre una
aguja imantada que tiende a alinear ésta a lo largo de una circunferencia
centrada en el conductor (la alineación es mayor cuanto mayor sea la intensidad
de la corriente, debido a que hay que compensar la fuerza ejercida por el campo
magnético de la Tierra). Era la primera demostración de que la electricidad y
el magnetismo estaban conectados de algún modo, y supuso un verdadero hito en
la Historia del Electromagnetismo.
Las aportaciones de
Ampère (y Aragó, Biot y Savart).
A raíz
de este importante descubrimiento, los científicos de la época comenzaron un
gran número de experimentos, con resultados notables en un período de tiempo
muy breve. Entre todos ellos, destacó especialmente el francés André-Marie
Ampère. Ampère formuló una teoría electromagnética según la cual todos los
efectos magnéticos, incluidos los de los imanes, eran el resultado de
electricidad en movimiento (esto es, de corrientes eléctricas –que serían
internas en el caso de los imanes-), y no de un “fluido magnético”, tal y como
se creía entonces. Asimismo, llevó a cabo notables descubrimientos en el plano
experimental que confirmaron sus intuiciones. Descubrió que la propia pila
voltaica, cuando sus extremos eran conectados, provocaba también la deflexión
de una aguja imantada del mismo modo que lo hace un cable por el que circula
corriente; para llevar a cabo este descubrimiento, inventó el galvanómetro, un
sensible aparato que se sigue utilizando hoy en día para medir la corriente
eléctrica (en base precisamente a la deflexión causada por la corriente en una
aguja imantada); descubrió que dos cables conductores rectilíneos por los que
circula corriente se atraen o se repelen mutuamente según la corriente vaya en
el mismo o en distinto sentido en ambos (¡y que esta atracción no es una
atracción eléctrica!, un buen indicio de que las corrientes producen efectos
magnéticos); en realidad, este último descubrimiento estuvo precedido por la
observación de que un cable enrollado en forma de hélice por el que circula una
corriente (es decir, un solenoide) se comporta exactamente como un imán,
atrayendo y repeliendo otros imanes; esta espectacular revelación vino a su vez
precedida además por una predicción teórica suya, según la cual la acción de
los imanes se debía precisamente a corrientes circulares alrededor de su eje
longitudinal, por lo que este descubrimiento no fue casual, sino buscado (para
contrarrestar los efectos debidos a la extensión del cable en la dirección de
dicho eje, Ampère dobló sobre sí mismos los extremos del cable y los extendió
hacia el centro de la hélice); este descubrimiento supuso también de facto la
invención de los electroimanes2, que hoy en día se utilizan de
manera rutinaria en una gran variedad de dispositivos eléctricos, y que
constituyeron la clave para la invención del telégrafo (se utilizan también por
ejemplo en los aceleradores de partículas para dirigir a éstas); demostró
además, en colaboración con François Aragó, que un electroimán podía provocar
la magnetización de una aguja de hierro colocada a lo largo de su eje; y que el
campo magnético de la Tierra ejerce una fuerza sobre un circuito circular plano
que tiende a alinearlo perpendicular a los meridianos magnéticos terrestres.
En
definitiva, estableció de manera esclarecedora una serie hechos experimentales
y reveló la naturaleza eléctrica de los campos magnéticos. Elaboró además toda
una teoría del Electromagnetismo que publicó en 1825 en su importante obra “Mémoire sur la théorie mathématique des
phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’experience”. En un
principio pensó que la electricidad era un fluido3, pero ante los
repetidos intentos en vano de encontrar evidencias en una serie de ingeniosos
experimentos llevados a cabo por su amigo y físico Augustin Fresnel, asumió la
idea de éste de que la corriente eléctrica se debía a una “corriente molecular”
de numerosas y pequeñas partículas cargadas, que se movían dentro del
conductor. Esta idea, que a la postre se demostraría cierta tras el
descubrimiento del electrón por parte de J.J. Thomson en 1897, fue cuestionada
por muchos científicos de la época, incluyendo a Michael Faraday [2].
Por
su parte, François Aragó demostró que un cable por el que circula corriente
eléctrica es capaz de atraer limaduras de hierro como si fuera un imán y
magnetizar de manera permanente una aguja de coser. Otra aportación importante
fue la de Jean-Baptiste Biot y Félix Savart, quienes utilizando un cable
conductor y pequeños cilindros de acero magnetizado suspendidos en hilos de seda
de gusano, establecieron la ley que lleva su nombre, según la cual la acción de
un elemento muy pequeño de cable por el que circula corriente, sobre un pequeño
imán, se produce en la dirección perpendicular al cable y a la línea que une
perpendicularmente el punto y el cable.
Todas
estas notables aportaciones y descubrimientos tuvieron lugar durante el propio
año 1820, a principios del cual Oersted había anunciado su hallazgo. Así, en
apenas un año se pasó fugazmente de una situación en la que no existía ningún
indicio sobre la conexión entre electricidad y magnetismo, a otra en la que
buena parte de dicha conexión había sido revelada con acierto (al menos en lo
referente a la magnetostática, esto es, al estudio de los campos magnéticos
creados por corrientes que no varían en el tiempo).Faltaban aún sin embargo
unos cuantos hallazgos sorprendentes por llegar.
El descubrimiento de
la inducción electromagnética.
Hacia
1822, estaba claro que las corrientes eléctricas producían efectos magnéticos.
Una pregunta natural entonces era si los imanes -incluidos los electroimanes-
podían producir efectos eléctricos. Pese al interés y los múltiples intentos
por demostrar tal conjetura, a comienzos de la década de 1830 ningún resultado
en positivo había sido hallado. Entonces, en 1831, Michael Faraday enrolló dos
bobinas de cobre en torno a un anillo de hierro, a modo de transformador (Fig.2),
conectó una de ellas a una pila voltaica, y la otra a un galvanómetro muy
sensible. Hizo pasar corriente por la primera de las bobinas y observó en ese
momento que la aguja del galvanómetro oscilaba muy fugazmente cuando conectaba
la pila, y que la aguja volvía a oscilar rápidamente, esta vez en sentido
contrario, cuando desconectaba la pila. El efecto duraba apenas una fracción de
segundo, y desaparecía en cuanto la corriente se estabilizaba. Posiblemente ése
era el motivo por el cual no había sido descubierto con anterioridad: ¡no era
la propia corriente eléctrica la que causaba la inducción, sino la variación de
la corriente!
Fig.2.
Grabado del transformador utilizado por Faraday para descubrir la inducción electromagnética. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Faradays_transformer.png
Faraday
se dio cuenta de este hecho sutil, y llevó a cabo una sistemática serie de
experimentos para dilucidar el fenómeno de la inducción. Descubrió así que si
acercaba o alejaba un imán a una bobina, o una bobina a un imán, o si acercaba
o alejaba una bobina por la que circulara corriente a otra, también se inducía
corriente eléctrica en la bobina. Descubrió también que la corriente inducida
era tanto mayor cuanto más rápido fuera el movimiento, más potente el imán y
mayor el área de la bobina. En definitiva, describió de manera exhaustiva el
fenómeno de la inducción electromagnética.
Ésta
fue sin duda la aportación a la Ciencia y al mundo más determinante de Faraday
(entre las numerosísimas que hizo [3]): la inducción electromagnética permite
la generación de la electricidad que consumimos, en centrales térmicas,
hidroeléctricas, eólicas y nucleares, y ha posibilitado lo que podríamos llamar
la Revolución Eléctrica (en analogía con la Revolución Industrial, acontecida a
raíz de la invención de la máquina de vapor).
Es
interesante, llegados a este punto, destacar que todo comenzó con unas modestas
y fugaces deflexiones de la aguja de un galvanómetro. Este hecho ilustra
perfectamente el funcionamiento de la Ciencia Básica, en contraste con la
Ciencia Aplicada. Se dice que, en una ocasión, Faraday, al ser preguntado sobre
la utilidad del descubrimiento que acababa de realizar, respondió: «¿Y para
qué sirve un recién nacido?» [4].
También
Joseph Henry, profesor universitario estadounidense, realizó en los mismos años
que Faraday experimentos muy similares, que al parecer también lo condujeron al
hallazgo de la inducción electromagnética, si bien Faraday publicó antes los
resultados. Henry descubrió además la autoinducción (descubrimiento que sí se
le reconoce), mejoró y popularizó los electroimanes (llegó a construir uno
capaz de sostener masas cercanas a una tonelada) e inventó el telégrafo en
1831, aunque no lo patentó (posteriormente ayudaría a Samuel Morse en la
construcción de su telégrafo, entre Baltimore y Washington). Las aportaciones
de Henry lo convierten por lo tanto en una figura descomunal en la Historia de
la Física. Una figura que, no obstante, se ha visto eclipsada por la de Michael
Faraday, pero que es de justicia destacar.
La unificación de luz y electromagnetismo: la
síntesis electromagnética.
Con el
descubrimiento de la ley de inducción por parte de Faraday (con el permiso de
Henry), y los descubrimientos realizados con anterioridad por Oersted, Ampère,
Aragó y compañía, se había logrado hallar una bonita interdependencia entre la
electricidad y el magnetismo: los fenómenos eléctricos producían efectos
magnéticos (más aún, eran la única fuente de los mismos); al mismo tiempo,
estos fenómenos magnéticos producían efectos eléctricos.
La
teoría del Electromagnetismo clásico iba tomando forma. Gran cantidad de hechos
experimentales habían sido probados, y también interpretados a la luz de
consideraciones teóricas, y se habían incluso diseñado y fabricado artilugios
como motores y generadores eléctricos. Existían sin embargo discrepancias en la
interpretación sobre la manera en la cual un cuerpo cargado ejercía su ‘influencia’
electromagnética sobre otro. Por un lado, un gran número de científicos
consideraban que se producía una “acción a distancia” entre las cargas, tal y
como sugerían las ecuaciones, y como se pensaba que se comportaba también la
gravedad entre cuerpos con masa. Por su parte, Faraday creía que las cargas
distorsionaban de algún modo el espacio a su alrededor, creando una cierta
“tensión”, y que esta distorsión o tensión era la que provocaba las fuerzas
eléctrica y magnética, que se podían explicar y representar mediante las
denominadas “líneas de fuerza”. Éstas constituirían una especie de red que
llenaría el espacio alrededor de los cuerpos cargados, y servirían como
representación gráfica para indicar la intensidad, la dirección y el sentido de
las fuerzas eléctrica y magnética (Fig.3). Para
Faraday, la existencia de tales líneas reflejaba la integridad e interconexión
de todas las cosas, en tanto que obras de Dios (cabe recordar que Faraday
pertenecía a una minoritaria y ferviente corriente religiosa de la Iglesia
presbiteriana, los sandemanianos). Hoy en día se aceptan las ideas de Faraday,
se entiende el electromagnetismo (y también otras teorías físicas) en términos
de campos, y las líneas de fuerza se utilizan como representación de los campos
eléctricos y magnéticos. Esto es así gracias a la denominada síntesis
electromagnética llevada a cabo por James Clerk Maxwell, profesor escocés del
King’s College por aquella época.
Fig.3. Limaduras
de hierro dispuestas a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético
generado por un imán. Biangular Coordinates
Redux: Discovering a New Kind of Geometry - Scientific Figure on ResearchGate. Fuente:
Maxwell
había leído los “Experimental Researches on
Electricty” de Faraday, y había quedado convencido por las explicaciones e
intuiciones de Faraday acerca de las líneas de fuerza. De modo que, a
principios de la década de 1860, se propuso formular dichas ideas en términos
matemáticos, una tarea que Faraday (cuyo conocimiento matemático, según se
dice, era limitado) no había realizado. Es importante resaltar que, si bien
Faraday no dotó de contenido matemático a sus descripciones de los campos
eléctrico y magnético en términos de líneas de fuerza, demostró una gran intuición
física al introducir el concepto de campo y aceptar su validez como realidad
física subyacente a los fenómenos observados. Es por ello que también debe ser
considerado un importante teórico, si bien esta faceta suya ha quedado a menudo
oscurecida y poco reconocida, debido probablemente tanto a su innegable pericia
en el plano experimental como a su falta de destreza matemática. “Al principio me asusté cuando vi la cantidad
de fuerza matemática relacionada con el tema”, le confesó Faraday a Maxwell
[5] cuando este último introdujo por primera vez sus ideas en un artículo
publicado en dos partes entre 1855 y 1856, titulado “On Faraday’s Lines of Force”.
Maxwell
quería encontrar una teoría coherente que permitiera explicar de manera
satisfactoria las diversas leyes formuladas de manera cuantitativa y precisa
hasta la fecha por Coulomb, Ampère, Faraday…, que aparecían como piezas bien
establecidas pero inconexas de un único puzle. Para ello, empleó el concepto de
líneas de fuerza de Faraday -como ya se ha mencionado- y los conceptos
introducidos por Poisson, Gauss y Green, pero además se sirvió de una analogía
física: un modelo mecanicista del medio en el que se producían los fenómenos
electromagnéticos (del éter en este caso, según el pensamiento de la época).
Maxwell entendía este modelo como “una
ayuda al pensamiento”, en sus propias palabras [5].
Esta
ayuda fue clave. El modelo de Maxwell fue evolucionando: empezó tomando
elementos del flujo de calor y sus ecuaciones, y acabó representando los medios
en los que se producen los fenómenos electromagnéticos como si estuvieran
compuestos por esferas empaquetadas, entre las que se movían partículas
pequeñas (comparadas con el tamaño de las esferas). El movimiento de estas
partículas (corriente eléctrica) actuaba como cojinete y hacía girar por
fricción las esferas, lo cual hacía que las esferas se achataran por los polos
y se ensancharan por el ecuador, del mismo modo que le ocurre a la Tierra al
girar. El ensanchamiento provocaba una fuerza efectiva radial en el plano del
ecuador, y el achatamiento provocaba de igual modo una fuerza efectiva de
‘succión’ en la dirección perpendicular a este plano. La diferencia en la
intensidad de los fenómenos en distintos medios (por ejemplo en el hierro
comparado con otros materiales) se debía entonces a una distinta densidad de
las esferas.
De
esta forma, Maxwell logró explicar todos los fenómenos electromagnéticos
conocidos hasta ese momento, y aunarlos todos bajo un conjunto unificado de
ecuaciones. En otras palabras, puso las piezas conocidas del rompecabezas en su
sitio. Pero no solo eso. Pudo explicar también lo que sucedía en la frontera
entre dos materiales con propiedades eléctricas y magnéticas distintas, lo cual
se desconocía. Más aún, Maxwell consideró que las esferas eran elásticas, y que
por lo tanto se podían deformar, dando lugar a pequeños desplazamientos de las
partículas eléctricas y en consecuencia, a pequeñas corrientes (a este tipo de
corriente, que aparece cuando el campo eléctrico varía en el tiempo, la denominó
“corriente de desplazamiento”). Esto
ocurriría en los materiales aislantes sometidos a campos eléctricos, mientras
que en los conductores las partículas tendrían mayor libertad para poder
moverse (esta característica de los materiales se explicaba por un distinto
grado de elasticidad de las esferas). Éste era un fenómeno completamente nuevo,
predicho acertadamente por Maxwell.
Maxwell
se dio cuenta además de que las corrientes de desplazamiento generadas por la
variación del campo eléctrico eran también fuente del campo magnético (es
decir, producían un campo magnético). Al introducir esta novedosa contribución
en las ecuaciones, pudo predecir que las perturbaciones (variaciones) en el
campo eléctrico provocaban perturbaciones en la rotación de las celdas, y por
lo tanto, en el campo magnético, y viceversa, y que estas perturbaciones se
transmitían en forma de ondas transversales. Esto es justo lo que pasa en las
ondas electromagnéticas. Maxwell calculó la velocidad de propagación de estas
ondas, ¡y halló un resultado muy cercano a los medidos por el francés Armand Fizeau en 18494 y anteriormente por el
gran astrónomo británico James Bradley en 1728! Acababa de descubrir y de
predecir que la luz es una onda electromagnética5. Sus resultados
fueron publicados en un artículo en cuatro partes (1860-1862) titulado “On Physical Lines of Force”, y de esta
forma completó la denominada síntesis electromagnética. El “modelo de vórtices
moleculares”, como el propio Maxwell lo bautizó, resultó ser una de las ideas
más provechosas de la Historia de la Ciencia.
La
formulación matemática del Electromagnetismo como una teoría completa en
términos de campos desarrollada por Maxwell supuso, y supone aún hoy en día,
uno de los mayores logros intelectuales alcanzados por la humanidad. Asimismo,
esta síntesis electromagnética supuso la unificación de los fenómenos ópticos y
los fenómenos electromagnéticos dentro de una teoría coherente. Es importante
destacar en este punto también a Olivier Heaviside, quien reformuló las
ecuaciones de Maxwell y consiguió reducir su número de trece a cuatro,
dotándolas así de su forma moderna (Fig.4).
Fig.4. Ecuaciones de
Maxwell en el vacío, expresadas en su forma moderna. Fuente: elaboración propia
del autor.
Más
de veinte años más tarde de la predicción hecha por Maxwell, entre 1887 y 1888,
un físico alemán llamado Heinrich Hertz confirmaría experimentalmente la
existencia de las ondas electromagnéticas. La idea de Hertz fue generar una
onda que viajara hasta un receptor que consistía en un cable conductor en forma
de circunferencia con una pequeña abertura. Al atravesar la onda el circuito, el
flujo magnético a través de éste variaría y se induciría en él una fuerza
electromotriz, que se manifestaría por la producción de una chispa entre los
extremos del cable. Hertz llevó a la práctica esta idea con éxito, completando
de este modo la primera transmisión y recepción de ondas electromagnéticas, y
confirmando también así las predicciones, y por lo tanto la teoría, de Maxwell.
Hoy en día, la transmisión de ondas electromagnéticas es fundamental en el
mundo moderno (piénsese en las telecomunicaciones, la radio, el wifi, etc.).
La Revolución Eléctrica.
En
paralelo a los descubrimientos y los avances en la comprensión de la naturaleza
del electromagnetismo, se produjo una auténtica revolución mediante la
introducción de la bombilla, la corriente alterna, los generadores eléctricos y
otros brillantes inventos que cambiaron el mundo para siempre. No es necesario
enfatizar aquí en exceso la magnitud de la importancia de los inventos
desarrollados a raíz del conocimiento generado por el descubrimiento de las
leyes del electromagnetismo. Basta simplemente con imaginar por un momento cómo
sería nuestra vida y cómo sería el mundo sin electricidad. La historia de todas
estas invenciones es también fascinante, pero solo se abordará someramente
debido a que no queremos desviarnos demasiado de la narración sobre el
desentrañamiento de la naturaleza física profunda del electromagnetismo. Se
mencionarán brevemente, eso sí, las importantes contribuciones hechas por
Faraday, Swan, Edison y Tesla.
El
primer descubrimiento de Faraday en el campo del electromagnetismo no fue la
inducción electromagnética, sino la “rotación electromagnética” tal y como él mismo la bautizó. En
1821, Faraday colocó una barrita imantada en el interior de un recipiente con
mercurio y la lastró por uno de sus extremos, de manera que flotara
verticalmente a modo de boya. Colocó también un cable conductor atravesando
verticalmente el recipiente, e hizo pasar corriente por él. Como consecuencia,
la barra comenzó a rotar alrededor del cable. Faraday había conseguido utilizar
la corriente eléctrica para generar movimiento capaz de efectuar trabajo:
¡había inventado el primer (y rudimentario) motor eléctrico! Las aplicaciones
de los motores eléctricos hoy en día, a nivel industrial principalmente, son
gigantescas.
Pero
Faraday fue una persona prolija. En el mismo año 1831, diseñó el primer
generador eléctrico, un disco de cobre cuyo borde se encontraba entre los polos
de un imán en forma de herradura. Al girar el disco en el seno del campo
magnético producido por el imán, se producía una fuerza sobre los electrones
del mismo en la dirección radial, de manera que uniendo el centro y el borde
del disco mediante un cable conductor y contactos deslizantes se generaba una
corriente eléctrica en el circuito. De esta manera, se transformaba la energía
cinética de rotación en corriente eléctrica; de una manera similar funcionan
los generadores de las centrales que nos suministran energía, transformando la
energía del movimiento de las turbinas en corriente, aunque en este caso la
parte móvil suelen ser los imanes. Por supuesto, el funcionamiento del mundo
moderno se asienta sobre la generación de energía eléctrica por estos medios.
También
dependemos actualmente de la iluminación eléctrica. Como es bien sabido, Thomas
Alva Edison patentó la bombilla en Estados Unidos en 1879. En realidad, la
bombilla de incandescencia ya había sido inventada por Joseph Wilson Swan en
torno a 1860, tras doce años de experimentos (hubo también otros inventores que
desarrollaron diferentes modelos de bombilla). Sin embargo, estas bombillas no
eran duraderas ni comercializables a gran escala. Edison probó más de 6000
materiales distintos hasta que encontró uno que le permitió obtener filamentos
que duraran lo suficiente como para fabricar un artilugio que fuera
comercialmente viable. El material escogido fue bambú carbonizado, que años más
tarde sería reemplazado por el propio Edison por un filamento de tungsteno.
Esta mejora convirtió a Edison en un hombre rico, y posibilitó la iluminación
de hogares y ciudades, que comenzó a ser llevada a cabo al poco tiempo de
producirse el descubrimiento. Por su parte, Swan se había vuelto a adelantar a
Edison y había conseguido la patente británica en 1878, con un filamento de
celulosa. En 1883, ambos fusionaron sus compañías en la “Edison and Swan
Electric Light Company”, conocida comúnmente como “Ediswan”, zanjando de este
modo la polémica sobre la prioridad en la invención de la bombilla ‘de uso
práctico’.
Otra
aportación clave al mundo fue la de Nikola Tesla, responsable de la
introducción de la corriente alterna en 1888. La corriente alterna (que varía
en el tiempo y revierte periódicamente su sentido) permite la transmisión y
distribución eficaz de la energía eléctrica, evitando así las enormes pérdidas
asociadas a la transmisión a grandes distancias de la corriente continua; hoy
en día, las redes de alta tensión de distribución eléctrica funcionan con
corriente alterna. Es famosa la disputa –denominada “la guerra de las
corrientes”- que mantuvo al respecto Tesla con Edison, quien abogaba
fuertemente (y de manera errónea) por el uso de corriente continua en la
distribución de la electricidad. Tesla desarrolló además, en el mismo año 1888,
un motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna (en contraste con
el primer motor diseñado por Faraday, que funcionaba con corriente continua),
otra genial invención cuya enorme utilidad se extiende hasta nuestros días.
La Electrodinámica y la Teoría de la
Relatividad Especial de Einstein.
Retomamos
ahora de nuevo la narración sobre el estudio de los campos electromagnéticos: a
principios del siglo XX, la teoría del Electromagnetismo clásico estaba
firmemente establecida y había propiciado una revolución en la forma de vida de
millones de personas mediante la introducción de sistemas de iluminación y la
potenciación de la producción industrial. No estaba todo dicho respecto de la
naturaleza última del electromagnetismo, sin embargo. El primer cuarto del
siglo XX vio nacer dos teorías físicas, la Relatividad y la Mecánica Cuántica,
que revolucionaron la Física, y eventualmente también, de nuevo, la forma de
vida de millones de seres humanos mediante la invención del transistor,
impulsor de la Revolución Electrónica. Ambas teorías aportaron nuevos conocimientos,
más profundos, sobre el electromagnetismo.
El
papel que jugó el Electromagnetismo, y en particular las ecuaciones de Maxwell,
en el establecimiento de la Teoría Especial de la Relatividad fue absolutamente
clave. El principio de relatividad de Einstein establece que las leyes de la
Física son las mismas para todos los sistemas de referencia inerciales
(sistemas en los que se cumple la 1ª ley de Newton, o ley de la inercia; estos
sistemas se mueven con velocidad constante unos respecto de otros). Es decir,
que las ecuaciones que determinan cómo se comportan los objetos cargados, por
ejemplo, deben ser las mismas cuando se describe este comportamiento en un
sistema inercial o en otro.
La
pregunta entonces era cuáles eran las transformaciones (matemáticas) que
permitían pasar de la descripción en un sistema inercial a la descripción en
otro sistema inercial que se mueve con velocidad constante respecto al primero,
manteniendo las leyes de la Física invariantes. Hendrik Antoon Lorentz había
obtenido las transformaciones que llevan su nombre al imponer la invariancia de
las ecuaciones de Maxwell frente a tales cambios entre sistemas inerciales.
Estas transformaciones constituyen la base matemática de la Teoría de la
Relatividad Especial, y eran conocidas por Albert Einstein cuando desarrolló esta
teoría en 1905. Einstein demostró que las transformaciones de Lorentz describen
de manera apropiada la Naturaleza, y que por lo tanto las ecuaciones de Maxwell
son correctas; lo que había que modificar por tanto eran las leyes de la
Mecánica de Newton (que no son invariantes), lo cual llevaba a predecir efectos
verdaderamente sorprendentes (y anti-intuitivos) como la dilatación del tiempo
o la contracción de las longitudes. Otra particularidad por cierto de las transformaciones
de Lorentz deducidas a partir de las ecuaciones clásicas del Electromagnetismo
de Maxwell, es que mantienen constante la velocidad de la luz.
Con
la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, se puede resolver de manera
clarificadora el siguiente problema: piense el lector en una carga que se mueve
con respecto a un sistema de referencia (tres ejes de coordenadas “x”, “y”,
“z”). En dicho sistema de referencia, el movimiento de la carga genera un campo
magnético. Piense ahora en otra carga que se mueve en este campo magnético (en
una dirección no paralela al mismo); la Física nos dice que dicha carga
experimentará una fuerza. Ahora bien, piense ahora sobre esta misma situación,
pero vista desde el punto de vista de otro sistema de referencia en el cual una
de las dos cargas está en reposo (velocidad cero). En este caso, un observador
en dicho sistema debería concluir que no habrá fuerza (o bien porque la segunda
carga no se mueve en el seno del campo magnético, o bien porque no hay tal
campo magnético debido a que la primera carga no se mueve). ¿Entonces? ¿No
decía el principio de relatividad que en todos los sistemas inerciales las
leyes de la Física son las mismas? ¿Que si una carga experimenta una fuerza de
Lorentz6 en un sistema inercial, también experimentará una fuerza en
otro sistema inercial? La respuesta a esta aparente paradoja se encuentra en
las transformaciones interdependientes de los campos eléctricos y magnéticos al
pasar de un sistema a otro. En palabras del propio Einstein [6]:
“Lo que me condujo más o menos directamente a
la Teoría Especial de la Relatividad fue la convicción de que la fuerza
electromotriz que actúa sobre un cuerpo en movimiento en un campo magnético era
nada menos que un campo eléctrico”.
De esta
forma, queda puesta de relieve la más profunda e intrínseca interrelación entre
los campos eléctricos y magnéticos, entre la electricidad y el magnetismo, cuya
misteriosa conexión comenzó a destaparse con el experimento de Oersted a
principios del siglo XIX. La otra gran teoría física moderna, la Mecánica
Cuántica, también revela hechos profundos sobre la naturaleza de los campos
electromagnéticos (la existencia del fotón y la naturaleza cuántica del
magnetismo, principalmente)7. Y también surgió como solución a
problemas directamente relacionados con el electromagnetismo (en particular, al
problema de la llamada radiación del cuerpo negro”. Pero ésa es ya otra
historia…
Referencias:
[1] Paul, C. y Valls,
A. (2016). El Magnetismo Rotatorio de Aragó.
10.13140/RG.2.1.1694.6803.
[2] Faraday, M. (1821-22). Historical
Sketch of Electro-magnetism. Annals
of Philosophy 1821: 195-200, 274-90; 1822, 19: 107-17.
[3] García-Martín, D. (2018) Michael
Faraday, la inducción electromagnética y su enseñanza en 2º de Bachillerato. Ciencia y Educación 6.
[4] Parra Castillo,
S. (2012). Faraday. La inducción electromagnética. RBA. España.
[5] Sabadell, M.A.
(2013). Maxwell. La síntesis
electromagnética. RBA. España.
[6] Resnick, R. (1977)
Introducción a la teoría especial de la
relatividad. Limusa. México.
Diego García-Martín
Junior research engineer en el Barcelona Supercomputing Center
(BSC).
Realizando un doctorado en computación cuántica
codirigido entre la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) – Instituto de Física
Teórica (IFT) y la Universidad de Barcelona (UB).Doctor 21/11/2022. Fuente: IFT
Notas:
1 El
hecho de que la electricidad podía ser transmitida por un material conductor se
conocía gracias al descubrimiento llevado a cabo por Stephen Gray en 1729, que fue
capaz por ejemplo de transmitir una corriente a lo largo de un tallo de cáñamo
de 150 metros. Había buenos motivos por lo tanto para sospechar la existencia
de una verdadera “corriente material” a través de los materiales conductores.
2 En
1824, William Sturgeon introdujo los núcleos de hierro (cuya función es
aumentar la intensidad del campo magnético) en los electroimanes, al enrollar
un cable de cobre alrededor de un núcleo en forma de herradura. Esta mejora fue
determinante en los experimentos posteriores que llevaron al descubrimiento de
la inducción electromagnética por parte de Michael Faraday y Joseph Henry. El
propio Henry construyó electroimanes de gran potencia, capaces de levantar casi
una tonelada, gracias a que utilizó seda para aislar el cable conductor, lo que
le permitió enrollar el cable de manera mucho más compacta y potenciar así aún
más el campo magnético.
3 La
idea de que la electricidad era un fluido estaba bastante aceptada durante los
siglos XVII, XVIII y XIX. Charles François de Cisternay Du-Fay defendió en 1733
que existían dos fluidos eléctricos, y que en general la materia era neutra, pues
contenía igual cantidad de ambos; cuando por fricción, un cuerpo adquiría más
de un fluido que de otro, entonces atraía o repelía otros objetos igualmente
cargados. Benjamin Franklin, inventor del pararrayos tras su famoso experimento
con la cometa, pensaba por el contrario que existía un único fluido eléctrico,
y que un exceso o un defecto de este fluido en un cuerpo provocaba que los
cuerpos estuvieran cargados positiva o negativamente. Las ideas de Franklin,
introducidas por primera vez en 1747, dominaron el estudio de la electricidad
durante 100 años aproximadamente. Hoy sabemos que ninguna de las dos opiniones
es totalmente correcta. En primer lugar, la electricidad no es un fluido.
Después, por un lado, Franklin tenía razón en que un único tipo de carga es el
que se transmite en las corrientes eléctricas (los electrones). Por otro lado,
Du-Fay tenía razón en que existen dos tipos de carga eléctrica, que hoy
denominamos positiva y negativa.
4 El
valor de esta medición fue mejorado entre los años 1850-1862 por el también
francés Jean Léon Foucault. Estos experimentos para determinar la velocidad de
la luz fueron sugeridos directamente por Aragó a Fizeau y Foucault.
5 La
existencia de la relación entre la luz y el electromagnetismo había sido puesta
de relieve por primera vez de manera convincente en 1845 por Faraday, tras
numerosos esfuerzos infructuosos. De hecho, el efecto descubierto por Faraday
también fue explicado por Maxwell en su artículo. Faraday descubrió que la
dirección de vibración de un rayo de luz linealmente polarizado sufre una
rotación cuando el rayo atraviesa un material colocado en el interior de un
solenoide por el que circula corriente (un experimento muy similar había sido
llevado a cabo en 1823 por William Herschel, quien sin embargo no logró
observar el efecto buscado). Este descubrimiento sugería vívidamente que
existía una relación estrecha entre ambos fenómenos. Además, el propio Faraday,
antes de que Maxwell lo demostrara, también había pensado que los efectos
eléctricos y magnéticos debían transmitirse a velocidades finitas,
probablemente mediante vibraciones (ondas); así lo dejó escrito en una nota que
hizo guardar en una caja fuerte en la Royal Institution en 1831.
6 La
fuerza de Lorentz es la fuerza total (eléctrica y magnética) que experimenta
una partícula cargada en el seno de un campo electromagnético. La expresión
matemática para esta fuerza fue introducida por primera vez, no obstante, por
Heaviside en 1889, y derivada posteriormente por Lorentz en 1895.
7 Otro hecho sorprendente
que explica la Mecánica Cuántica es la existencia a bajas temperaturas de
materiales superconductores (como el aluminio o el niobio), en los que la
corriente circula sin resistencia, y que hoy en día se utilizan por ejemplo
para intentar fabricar ordenadores cuánticos. (Véase capítulo Computación
Cuántica de Elías Fernández-Combarro).
Espero contar con suerte cuando vaya a comprar generadores eléctricos
ResponderEliminargracia
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