HISTORIA DEL ELÉCTROMAGNETISMO
HISTORIA DEL ELECTROMAGNETISMO
El fenómeno del magnetismo se conoce desde tiempos antiguos. La piedra imán o magnetita, un óxido de hierro que tiene la propiedad de atraer los objetos de hierro, ya era conocida por los griegos, los romanos y los chinos.
Las fuerzas eléctricas, magnéticas, la gravedad, y las llamadas fuerzas débiles y fuertes son las cinco fuerzas conocidas de la física. La gravedad es dominante a una escala planetaria y estelar, mientras que las fuerzas débiles y fuertes son importantes dentro del núcleo de los átomos; las fuerzas eléctricas y magnéticas son fundamentales en el intermedio.
El electromagnetismo abarca tanto la electricidad como el magnetismo y es básico para todo circuito eléctrico y magnético.
Tales de Mileto, matemático, astrónomo y filósofo griego observo que al frotar el ámbar con seda sé producían chispas y el ámbar adquiría la capacidad de atraer partículas de pelusa y de paja. La palabra griega para el ámbar es el electrón, de ella se deriva las palabras electricidad, electrón y electrónica. Noto la fuerza de atracción entre trozos de una roca magnética natural llamada piedra de imán que se encontró en un lugar llamado magnesia, de cuyo nombre se derivan las palabras magneto y magnetismo. En el siglo XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó importantes investigaciones sobre los imanes. Tales de Mileto fue pionero en la electricidad y el magnetismo, pero su interés como el de otros contemporáneos era filosófico más que práctico. Sin embargo, el primer estudio científico de los fenómenos eléctricos no apareció hasta el 1600 d.C., cuando se publicaron las investigaciones del médico británico, William Gilbert de Inglaterra quién realizo los primeros experimentos sistemáticos acerca de los fenómenos eléctricos y magnéticos describiéndolo en su libro de magnate. Invento el electroscopio para medir los efectos electrostáticos primero en reconocer que la tierra era un gigantesco imán, proporcionando una nueva visión dentro de los principios de la brújula y la aguja o brújula de inclinación.
La primera máquina para producir una carga eléctrica fue descrita en 1672 por el físico alemán Otto Von Guericke. Estaba formada por una esfera de azufre movida por una manivela, sobre la que se inducía una carga cuando se apoyaba la mano sobre ella. El científico francés Charles François de Cisternay Du Fay fue el primero en distinguir claramente los dos tipos diferentes de carga eléctrica: positiva y negativa. El condensador más antiguo, la botella de Leyden, fue desarrollado en 1745. Estaba formado por una botella de vidrio recubierta por dos láminas de papel de estaño, una en el interior y otra en el exterior. Si se cargaba una de las láminas con una máquina electrostática, se producía una descarga violenta si se tocaban ambas láminas a la vez.
En 1750 Benjamín Franklin científico estadounidense, estableció la ley de la conservación de la carga en experimentos hechos con electricidad, que condujeron a su invención del pararrayos determinando que existían cargas positivas y negativas.
Dedicó mucho tiempo a la investigación de la electricidad. Su famoso experimento con una cometa o papalote demostró que la electricidad atmosférica que provoca los fenómenos del relámpago y el trueno es de la misma naturaleza que la carga electrostática de una botella de Leyden. Franklin desarrolló una teoría según la cual la electricidad es un ‘fluido’ único que existe en toda la materia, y sus efectos pueden explicarse por el exceso o la escasez de ese fluido.
La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas fue demostrada experimentalmente por el químico británico Joseph Priestley alrededor de 1766. Priestley también demostró que una carga eléctrica se distribuye uniformemente sobre la superficie de una esfera metálica hueca, y que en el interior de una esfera así no existen cargas ni campos eléctricos.
Más adelante el francés Charles de Coulomb invento la balanza de torsión que mide las fuerzas eléctricas y magnéticas y durante este periodo Karl Friedrich Gauss, formulo el teorema de la divergencia relacionando un volumen y su superficie.
El electromagnetismo tuvo su origen en el invento de la pila eléctrica, realizado por el italiano Alessandro Volta en 1800.
En 1813, Hans Christian Oersted predijo que se hallaría una conexión entre la electricidad y el magnetismo. En 1819 colocó una brújula cerca de un hilo recorrido por una corriente y observó que la aguja magnética se desviaba. Con ello demostró que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. Aquí vemos cómo las líneas de campo magnético rodean el cable por el que fluye la corriente.
Hans Cristian Oersted (1819) físico danés encontró que un alambre por el que fluyera corriente, provocaba la desviación de la aguja de una brújula cercana, descubriendo que la electricidad podía producir magnetismo.
André Marie Ampere amplió las observaciones de Oersted, inventando la bobina de solenoide para producir campos magnéticos. También formulando correctamente la teoría de que los átomos de un imán se magnetizan por medio de corrientes eléctricas muy pequeñas que circulan en ellos.
Los físicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta llevaron a cabo los primeros experimentos importantes con corrientes eléctricas. Galvani produjo contracciones musculares en las patas de una rana aplicándoles una corriente eléctrica. En 1800, Volta presentó la primera fuente electroquímica artificial de diferencia de potencial, un tipo de pila eléctrica o batería. En esta misma época, el alemán George Simón Ohm formulo la ley que lleva su nombre relacionando la corriente, el voltaje y la resistencia; tuvo que pasar una década para que los científicos comenzaran a reconocer su verdad e importancia.
Michael Faraday realizó importantes contribuciones al estudio de la electricidad y el magnetismo. Descubrió que al mover un alambre en un campo magnético se genera una corriente (inducción electromagnética). Este descubrimiento contribuyó al desarrollo de las ecuaciones de Maxwell y llevó a la invención del generador eléctrico.
De todo esto surgió Michael Faraday demostrando que un campo magnético cambiante podía producir una corriente eléctrica. Mientras que Oersted encontró que la electricidad podía producir magnetismo, Faraday descubrió que el magnetismo podía producir electricidad las investigaciones experimentales de Faraday, posibilitaron a James Clerk Maxwell, profesor de la universidad de Cambridge, Inglaterra, establecer la interdependencia de la electricidad y el magnetismo.
En 1873, el científico inglés James Clerk Maxwell (1831-1879), manifestó la íntima conexión entre los campos eléctrico y magnético, al señalar: un campo eléctrico variable origina un campo magnético. Con su teoría comprobó que la electricidad y el magnetismo existían juntos, y por lo tanto no debían aislarse. Esto dio origen a la Teoría Electromagnética, en ella se afirmaba que la luz se propagaba en ondas a través del espacio y así como existían ondas luminosas era posible suponer la existencia de ondas electromagnéticas viajando por el espacio.
Maxwell le dio una expresión matemática a las consideraciones que hizo Faraday respecto a las líneas de fuerza magnética. Gracias a esto logró una aplicación práctica a las ideas de los campos magnético y eléctrico propuestas por Faraday. Más tarde el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), estudió las ecuaciones planteadas por Maxwell para la Teoría electromagnética y logró demostrar con la producción de ondas electromagnéticas, que éstas se desplazan por el espacio sin necesidad de cables conductores y que su naturaleza es semejante a las ondas luminosas.
A fines del siglo XIX los científicos reconocieron la existencia de las ondas electromagnéticas y las llamaron ondas hertzianas como un reconocimiento a éste físico alemán. Así concluimos que el efecto magnético de la corriente y la inducción electromagnética han revolucionado a la ciencia, pues dieron origen a un área muy importante de la física llamada electromagnetismo. Al aplicar sus principios y las leyes a escala industrial, se ha logrado un gran avance tecnológico: la electrificación del mundo.
Aunque las ecuaciones de Maxwell son de gran importancia y, junto con condiciones en la frontera de continuidad y otras relaciones auxiliares son la base del electromagnetismo moderno. Algunos científicos del tiempo de Maxwell fueron escépticos de su teoría, y en 1888 fueron vindicadas por Heinrich Hertz, profesor de física en Karl Ruhe, Alemania quien género y detecto ondas de radio de cerca de 5 metros de longitud de onda, demostró que con un transmisor y receptor de chispa o señal, excepto por la diferencia en la longitud de onda, la polarización, la reflexión y la refracción de las ondas de radio eran idénticas a las de la luz. Hertz fue el padre de la radio, pero su invento permaneció como una curiosidad de laboratorio hasta que el italiano Guglielmo Marconi adapto el sistema de chispa de Hertz para enviar mensajes a través del espacio. Marconi al agregar la sintonización, una antena grande sistemas de tierra, y longitudes de onda más largas pudo enviar señales a grandes distancias. En 1901 causo sensación al enviar señales de radio a través del océano atlántico. Marconi fue pionero en el desarrollo de la comunicación por radio para barcos. Antes de la radio o comunicación inalámbrica, como se le llamaba entonces, las naves estaban en alta mar en él más completo aislamiento. Podía ocurrir un desastre sin que nadie en tierra o en otras naves pudiera ser avisado de lo ocurrido. Marconi inicio un cambio con su invento y la radio comenzó a desarrollar una gran importancia comercial. Más adelante Thomas Alba Edison dio a la electricidad y al magnetismo aplicaciones prácticas para la telegrafía, la telefonía, la iluminación y la generación de potencia. Mientras que edición era partidaria de la corriente continua, Nikola Tesla desarrollo la transmisión de potencia alterna e invento el motor de inducción. Más adelante Einstein y otros trataron de relacionar las cinco fuerzas de la física en una gran teoría unificada en la que las ecuaciones de Maxwell serian un caso especial. Pero tal unificación no ha sido lograda todavía, pero su realización es una de las grandes metas de la física moderna.
Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez más en la comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades magnéticas de la materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin desarrolló una teoría sobre la variación con la temperatura de las propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas, basada en la estructura atómica de la materia. Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripción de propiedades macroscópicas a partir de las propiedades de los electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst Weiss, que postuló la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro. Este concepto, combinado con la teoría de Langevin, sirvió para explicar las propiedades de los materiales fuertemente magnéticos como la piedra imán.
Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del físico danés Niels Bohr sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica y mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición, como el hierro, en los lantánidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los físicos estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y se comportan como pequeños imanes con un ‘momento magnético’ definido. El momento magnético de un objeto es una magnitud vectorial que expresa la intensidad y orientación del campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una explicación detallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en la recientemente desarrollada mecánica cuántica. Más tarde, otros científicos predijeron muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.
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