Breve historia de la idea de campo (II)

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Electromagnetismo
Introducción
La Física Aristotélica
La Física de Newton
Las teorías anti-
newtonianas
La Física newtoniana
de Ampère
Las líneas de fuerza 
de Faraday
La teoría del campo
de Maxwell
Las ondas
electromagnéticas
La teoría de los
electrones de Lorentz
La teoría de la
Relatividad
Bibliografía

Las líneas de fuerza de Faraday

Faraday nació en una familia pobre y religiosa. En la Iglesia aprendió una profunda reverencia hacia el Creador de todas las cosas. Estas convicciones religiosas influyeron profundamente en su trabajo, ya que Dios era una fuerza de importancia fundamental en su vida personal y en su trabajo investigador.

Su aprendizaje en las escuelas fue mínimo, y tuvo que trabajar en el oficio de encuadernador de libros. Escuchaba las conferencias de Davy en la Royal Institution, y en 1813 le invitó a trabajar en dicha institución como ayudante de laboratorio.

Durante una década trabajó a su lado y recibió una completa educación en Química, leyendo cuidadosamente los trabajos más recientes, y consiguió una gran habilidad y destreza en la manipulación de los materiales y de los instrumentos de laboratorio que tendrían una importancia decisiva en sus investigaciones a lo largo de su vida científica.

Hacia 1820 se independizó, y comenzó su larga y fecunda carrera científica. La contribución de Faraday fue desde entonces inmensa, hizo del orden de 30.000 experimentos, que describía cuidadosamente en sus diarios, y anotaciones.

 

El experimento precursor del motor eléctrico

Faraday estudió el descubrimiento de Oersted a la luz de la metafísica newtoniana, y repitió todos sus experimentos. Como resultado de ello, hizo su primer descubrimiento en electromagnetismo, el principio del motor eléctrico. Las denominadas "rotaciones electromagnéticas" de Faraday se difundieron rápidamente por toda Europa.

Al originarse una fuerza tangencial a la espira, y no radial, como debería ser en un esquema tradicional de acción a distancia con fuerzas centrales, quedaba patente la imposibilidad de tratar los fenómenos electromagnéticos desde el punto de vista newtoniano. Fue, por tanto, el primero en sugerir que la acción a distancia resultaba inadecuada para dar cuenta de la relación entre las fuerzas eléctricas y las magnéticas, a pesar de los trabajos contemporáneos de Ampère con los que se intentaba explicar estas interacciones con hipótesis basadas en el punto de vista newtoniano, y mediante una ingeniosa teoría matemática de la atracción entre corrientes, que daba cuenta de los resultados experimentales hasta entonces conocidos.

Además, dicha teoría era incapaz de proporcionar una imagen unitaria de los fenómenos eléctricos, ya que se obtenía una ley para el caso estático (ley de Coulomb de interacción entre cargas), y otra diferente para la corriente eléctrica: mientras las cargas del mismo signo se repelían, las corrientes paralelas y del mismo sentido se atraían.

En la incipiente teoría del campo electromagnético sugerida por Faraday, desaparecía la distinción esencial entre fuerza y materia, introduciendo la hipótesis de que las fuerzas constituyen la única sustancia física.

Las características de las fuerzas eran:

  1. Cada punto de fuerza actúa directamente sólo sobre los puntos vecinos.

  2. La propagación de cualquier cambio de la intensidad de la fuerza requiere un tiempo finito.

  3. Todas las fuerzas son básicamente de la misma clase; no hay en el fondo fuerzas eléctricas, magnéticas ni gravitatorias, sino sólo variaciones (probablemente geométricas) de un sólo tipo de fuerza subyacente.

Lo importante al considerar la influencia de la metafísica de Faraday en sus investigaciones, es su suposición de que la teoría de campos ofrece una explicación última a todos los fenómenos. Los cuerpos sólidos, los campos eléctricos y la masa de los objetos son, de alguna forma, sólo apariencias. La realidad subyacente es el campo, y el problema de Faraday era encontrar un lazo de unión entre las apariencias y la supuesta realidad subyacente.

 

La inducción electromagnética

El descubrimiento de las corrientes inducidas no tiene nada de casual o improvisado, como bien lo muestran los intentos infructuosos de Faraday registrados en su diario de los años 1824-1828. Su búsqueda se basaba en dos presupuestos empíricos y otro filosófico:

  1. La reciprocidad electromagnética.
  2. Si una corriente eléctrica produce fuerzas magnéticas, las fuerzas magnéticas han de producir una corriente eléctrica.

  3. Paralelismo electrostático-dinámico.
  4. Si una carga eléctrica induce en un conductor próximo una carga opuesta, una corriente eléctrica ha de inducir en un conductor paralelo otra corriente del mismo sentido.

  5. Metafísico.
    Sobre la unidad radical y metamorfosis de las fuerzas de la naturaleza.

 

Faraday logró detectar por primera vez corrientes inducidas el 29 de agosto de 1831. Solamente en los momentos de establecer e interrumpir el contacto del circuito primario con la batería eran apreciables breves corrientes en el secundario. El aparato empleado era un anillo de hierro con sus bobinados primario y secundario.

También estudió las corrientes inducidas producidas por movimiento de imanes mediante un cilindro de cartón alrededor del cual arrolló 220 pies de hilo de cobre convenientemente aislado conectando sus extremos a un galvanómetro sensible. Cuando empujaba un imán cilíndrico a lo largo del hueco de la bobina la aguja del galvanómetro se movía, cuando se retiraba el imán la aguja se movía en sentido contrario. Al descubrir el fenómeno de la inducción, Faraday había conseguido transformar el magnetismo en electricidad, el experimento inverso al de Oersted.

Para explicar estos fenómenos introduce el "estado electrotónico" como un estado peculiar de tensión, que posteriormente abandona, y que vuelve a surgir en la teoría de Maxwell como potencial vector. Demostró que el simple movimiento dentro de un área de fuerza magnética constante podía ser causa de la inducción. Señaló, que la condición básica para la inducción residía en que el cable cortara las líneas de fuerza. Si una sección del cable se mueve a lo largo de una línea de fuerza, no hay fenómeno inductivo, pero si el cable corta las líneas de fuerza, y diferentes partes del circuito intersecan distinto número de líneas de fuerza entonces se observa paso de corriente.

 

Las líneas de fuerza

Las líneas de fuerza se usaban en la época de Faraday, hacia 1820, para visualizar propiedades físicas. La contribución de Faraday fue la de usar las líneas para estudiar fenómenos muy poco comprendidos como la inducción electromagnética, las descargas electrostáticas, e incluso los fenómenos electroquímicos.

Faraday tenía argumentos a favor del carácter físico de las líneas de fuerza. La curvatura de las líneas de fuerza magnéticas que se ponen de manifiesto en las limaduras de hierro sobre un papel encima del imán es un argumento de peso, pero no concluyente para demostrar la existencia de las líneas de fuerza magnética. Sin embargo, exactamente las mismas líneas de fuerza se obtienen mediante experimentos independientes; por ejemplo, cabe determinar a lo largo de que líneas se puede mover un cable sin que se produzca ninguna corriente inducida. La concordancia de los dos métodos demuestra que las líneas de fuerza son curvas y tienen existencia física.

Emprendió una serie de experimentos que sirvieron para contrastar los aspectos de su teoría que más la distinguían de la concepción newtoniana: en concreto, averiguar si la propagación del campo requiere un cierto tiempo. Faraday nunca logró descubrir que las fuerzas eléctricas o magnéticas se propagan con velocidad finita a lo largo de las líneas de fuerza. Demostró en algunos casos cómo la teoría de campos podía utilizarse para explicar los fenómenos eléctricos y en otros, señaló posibles explicaciones. También había sugerido, indicado y tratado de captar un nuevo modelo de la naturaleza como un campo de fuerzas.

 

Otros descubrimientos

Otros dos descubrimientos importantes de Faraday fueron el efecto magneto-óptico (denominado después efecto Faraday) y el diamagnetismo, que hizo hacia 1845. El primer efecto tuvo gran influencia en Maxwell en el desarrollo de la teoría electromagnética de la luz.

Descubrió el efecto magneto-óptico gracias a una pieza de vidrio boro silicato de plomo que colocó encima de los polos de un electroimán. Cuando pasaba la luz polarizada a través del cristal y establecía el campo magnético, observó que el plano de polarización de la luz cambiaba. Había tratado este experimento con otros materiales: aire, cristal, vidrio ordinario, etc., pero ninguno producía este efecto.

En el campo de la electrólisis, Faraday enunció una ley que establecía que la disociación química es rigurosamente proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la disolución. Pensaba, que esta ley podía servir de guía tanto para explicar la combinación química como la corriente eléctrica, pero una vez más no aportó ninguna teoría detallada del mecanismo implicado en la interacción del enlace químico con la electricidad.

 

La unificación de las fuerzas de la naturaleza

Faraday, junto a Oersted y Ampère estableció la relación entre electricidad y magnetismo. Del mismo modo esatableció la relación entre electricidad y la Química en sus leyes de la electroquímica. Faraday pensaba en 1834 que estas fuerzas estaban muy relacionadas y que eran de la misma naturaleza.

Consideraba que todas las fuerzas (eléctricas, magnéticas, químicas, gravitatorias, etc.) podrían ser diferentes distribuciones espaciales de la fuerza fundamental. Según esta teoría, las fuerzas pueden convertirse directamente unas en otras, porque en esencia son idénticas. Por ejemplo, consideraba el descubrimiento de Oersted como la transformación de fuerza eléctrica en magnética, y se preguntó si no sería posible transformar el magnetismo en electricidad. Más tarde, se dedicó incluso a buscar pruebas de la transformación del magnetismo en luz y de la electricidad en gravedad.

En segundo lugar, Faraday estableció que las fuerzas ni se crean ni se destruyen. Muchos contemporáneos de Faraday compartían esta idea de la "conservación de la fuerza"; Helmhotz la desarrolló en la teoría de la conservación de la energía. Pero en el sistema de Faraday adquiere un significado especial, que difiere de la conservación de la energía, aunque no explicó cómo la conservación de las fuerzas encaja en su teoría general de los campos.

Basado en la hipótesis de que todas las fuerzas estaban interrelacionadas, y que la cantidad total de fuerza se conservaba, investigó sin éxito, la relación entre electricidad y gravitación, a pesar de que era consciente de las grandes diferencias que había entre estas dos clases de fuerzas: la electricidad sólo funciona a través de partículas contiguas propagándose en un tiempo finito, mientras que la fuerza gravitatoria opera a distancia de forma instantánea. La fuerza gravitatoria actúa a lo largo de la recta que une los cuerpos interactuantes y no se modifica por el carácter físico del espacio, mientras que la las líneas de fuerza eléctricas y magnéticas son curvas y cambian por las propiedades del medio a través del que pasan. En electricidad hay dos tipos de fuerzas atractivas y repulsivas, mientras que la fuerza gravitatoria es siempre atractiva.

En 1849, emprendió los primeros experimentos dejando caer una bobina para ver si se inducía una corriente durante su caída. No obtuvo resultados positivos, a pesar de el perfeccionamiento de sus experimentos: introduciendo diversos materiales como núcleo de la bobina, incrementando la altura de la caída, manteniendo la verticalidad de su eje, etc. En sus experimentos midió corriente inducida pero no producida por la gravedad sino por el débil campo magnético terrestre. El fracaso de sus experimentos lo atribuyó a la pequeña variación en la intensidad de la fuerza gravitatoria entre los puntos de partida y de destino de la bobina que dejaba caer desde una torre

Prosiguió otros experimentos que trataban de relacionar la fuerzas de atracción gravitatoria y el calor. Siempre dentro de su convicción de que la gravitación debería estar relacionada con otras fuerzas, y que las interconversiones entre los distintos tipos de fuerzas jugarían un papel esencial en los fenómenos celestes y terrestres: planetas, cometas, volcanes, terremotos, etc.