El
electromagnetismo es el estudio unificado de los fenómenos eléctricos y
magnéticos.
El
electromagnetismo es una teoría de campos; es decir, las explicaciones y
predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales dependientes
de la posición en el espacio y del tiempo.
El
electromagnetismo describe los fenómenos físicos en los cuales intervienen
cargas eléctricas en reposo y en movimiento. El
Electromagnetismo no describe los fenómenos atómicos y moleculares, para los
que es necesario usar la Mecánica Cuántica. El
electromagnetismo considerado como fuerza es una de las cuatro fuerzas
fundamentales del universo actualmente conocido.
.jpg)
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 filosofo 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 que practico.
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 Gilberto de Inglaterra quién realizo los primeros
experimentos sistemáticos acerca de los
fenómenos eléctricos y magnéticos describiéndolo en su libro de magnete.
Invento el electroscopio para medir los efectos electroestáticos 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.
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.
Mas
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. En 1800 Alejandro volta (italiano)
invento la pila voltaica, conectando varias en serie, y que con baterías podían
producirse corrientes eléctricas.
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.
Ander Marie ampere amplio 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.
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 Clek Maxwell, profesor de
la universidad de Cambridge, Inglaterra,
establecer la interdependencia de la
electricidad y el magnetismo. En 1873 publico la primera teoría unificada de electricidad y
magnetismo. Postulo que la luz era de
naturaleza electromagnética y que la radiación electromagnética de otras longitudes de onda debía ser posible. Aunque las
ecuaciones de Maxwell son de gran
importancia y, junto con condiciones en la frontera de continuidad y otras relaciones
auxiliares son la bese 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 Karls Ruhe,
Alemania quien genero 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 mas 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 mas completo aislamiento. Podía
ocurrir un desastre sin que nadie en
tierra o en otras naves pudiera ser
avisado de lo ocurrido. Marconio inicio un cambio con su invento y la radio comenzó a desarrollar una gran
importancia comercial. Mas adelante Thomas Alba Edison dio a la electricidad y
al magnetismo aplicaciones
practicas para la telegrafía, la
telefonía, la iluminación y la generación de potencia. Mientras que edición era
partidario de la corriente continua,
Nikola Tesla desarrollo la transmisión de potencia alterna e invento el motor de inducción. Mas 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.
El
conocimiento de la electricidad estática data de las primeras civilizaciones,
pero durante milenios ha permanecido como un interesante y misterioso fenómeno,
sin una teoría que explique sus fundamentos y a menudo confundida con el
magnetismo. En la antigüedad ya conocían las curiosas propiedades que poseían
dos minerales, el ámbar y el mineral de hierro magnetita. El primero, cuando se
frota atrae cuerpos ligeros, el último tiene el poder de atraer el hierro.5
Basándose
en su descubrimiento de un artefacto olmeca de hematita en América Central, el
astrónomo americano John Carlson ha sugerido que los olmecas pueden haber
descubierto y usado la brújula geomagnética de imán antes del 1000 a. C. Si
esto es cierto, esto «precede el descubrimiento por los chinos de la brújula
geomagnética de imán en más de un milenio».6 7 Carlson especula que los olmecas
pueden haber utilizado artefactos similares como dispositivo direccional para
astrología o para propósitos geománticos, o para orientar sus templos, las
viviendas de los vivos o los enterramientos de los muertos. La primera
literatura china referente al «magnetismo» se encuentra en un libro del siglo 4
a. C. llamado Libro del Maestro del Valle del Diablo (鬼谷子): «El imán hace venir al hierro
o se atrae a sí mismo.»8
El
descubrimiento del ámbar y otras sustancias similares en la antigüedad sugiere
que la posible percepción de la electricidad por el hombre prehistórico. El
roce accidental contra las pieles con las que se vestían puede haber causado
una atracción por la resina, que quedó electrificada, quedando la piel marcada
en un grado suficiente como para llamar su atención.9 Sin embargo, entre la
simple observación del hecho, y la realización de cualquier deducción a partir
de él, pudieron haber transcurrido grandes períodos, pero llegó un momento en
el pasado, en el que el ámbar se vio como una sustancia extraña inanimado que
podría influir o incluso atraer hacia sí otras cosas; y esto por su aparente
capacidad propia, y no a través de cualquier conexión o unión mecánica que se
extiende desde el ámbar hacia ellos; entonces es cuando se reconoció, en
resumen, que la naturaleza ayuda a que una cosa sin vida, muestre un atributo
de vida.9
Mucho
antes de que existiera ningún conocimiento acerca del electromagnetismo, la
gente ya era consciente indirectamente de los efectos de electricidad. El
relámpago, y otras manifestaciones de las electricidad, ya fueron conocidos por
los filósofos antiguos, pero ningún pensamiento estaba más alejado que el que
estas manifestaciones tenían un origen común.10 Los antiguos egipcios eran
conscientes de descargas cuando se entraba en contacto con peces eléctricos
(como el Malapterurus electricus) u otros animales (como la anguila
eléctrica).11 Las descargas de animales eran evidentes a observadores de la
prehistoria para una variedad de pueblos que entraron en contacto con ellos.
Textos antes del 2750 aC de los antiguos egipcios, se refieren a este pez como
«truenos del Nilo», y los vieron como «protectores» de todos los otros peces.5
Posiblemente las primeras y más próximas aproximaciones al descubrimiento de la
identidad del relámpago, y la electricidad de alguna otra fuente, debe ser
atribuido a los árabes, quienes ya antes del siglo XV tenían la palabra árabe
para el relámpago (raad) aplicada al rayo eléctrico10
Según
escribió Tales de Mileto, alrededor del 600 aC, señaló que una forma de
electricidad ya fue observada por los antiguos griegos que podía causar una
particular atracción por frotamiento de piel sobre varias sustancias, como el
ámbar.12 Tales de Mileto escribió sobre el efecto actualmente conocido como
electricidad estática. Los griegos notaron que los botones de ámbar podrían
atraer objetos ligeros como el pelo y que si ellos se frotaba el ámbar durante
bastante tiempo podría incluso saltar una chispa. Durante esta época en la
alquimia y la filosofía natural, se pensaba que podría existir un medio
material llamado «éter», una sustancia que llena el espacio o campo.
Los
fenómenos electrostáticos fueron otra vez relatados mil años más tarde por los
romanos y los naturalistas y físicos islámicos.13 Varios escritores antiguos,
como Plinio el Viejo y Escribonio Largo, atestiguaron el efecto adormecedor de
las descargas eléctricas del Malapteruridae y la raya torpedo. Plinio en sus
libros escribe: «Los antiguos Toscanos aprendieron que hay nueve dioses que
envían relámpagos de once clases.» Esta era en general la temprana idea pagana
de relámpago.10 Los antiguos desarrollaron el concepto de que las descargas
podrían viajar a lo largo de objetos conductores.14 Los pacientes que sufren
enfermedades como la gota o dolor de cabeza fueron dirigidas a tocar peces
eléctricos con la esperanza de que la fuerte sacudida podría curarlos15 .
Una
serie de objetos encontrados en Irak en 1938 datados en los primeros siglos
a.C. (Mesopotamia Sasánida), llamados la Batería de Bagdad, se asemeja a una
pila galvánica y algunos creen que se han utilizado para la galvanoplastia.16
Las reivindicaciones son causa de controversia debido a la evidencia que las
soporta y a las teorías sobre el uso de los artefactos. Después de la Segunda
Guerra Mundial, Willard Gray demostró la producción de corriente eléctrica
mediante del diseño de la batería cuando está llena de zumo de uva. W. Jansen
experimentó con benzoquinona (algunos escarabajos producen quinonas) y vinagre
en una celda y obtuvo un rendimiento satisfactorio17 pruebas físicas de los
objetos conductores para funciones eléctricas,18 y si eran eléctricos en la
naturaleza. Por consiguiente la naturaleza de estos objetos se basó en la
especulación, y la función de estos artefactos permanece en duda.19
[editar]Edad
Media y el Renacimiento
El
intento de dar cuenta de la atracción magnética como el trabajo de un alma en la
piedra fue el primer ataque de la razón humana a la superstición y la fundación
de la filosofía. Al cabo de siglos, una nueva capacidad de la piedra imán se
reveló en su polaridad, o la aparición de efectos opuestos en extremos
opuestos, y llevó luego a la primera utilización del conocimiento adquirido, en
la aguja náutica, que condujo que al descubrimiento del Nuevo Mundo, y la
apertura de todos los portales del Antiguo Mundo al comercio y la
civilización.9
En el
siglo XI, el científico chino Shen Kuo (1031-1095) fue el primero en escribir
acerca de la aguja magnética brújula y que mejoró la precisión de la navegación
mediante el empleo del concepto astronómico de norte verdadero («Dream Pool
Essays», 1088 a.C. ), y en el siglo XII los chinos eran conocidos por usar la
piedra imán brújula para la de navegación. En 1187, Alexander Neckham fue el
primero en Europa en describir la brújula y su uso para la navegación.
El
magnetismo era una de las pocas ciencias que progresaron en Europa medieval; ya
que en el siglo XIII Peter Peregrinus de Maricourt, un nativo de Maricourt en
la Picardie francesa, hizo un descubrimiento de importancia fundamental.20 Ell
erudito francés del siglo XIII realizó experimentos sobre el magnetismo y
escribió el primer tratado existente que describe las propiedades de los imanes
y las agujas pivotantes de brújula.5
El
arzobispo Eustathias, de Tesalónica, erudito griego y escritor del siglo XII,
registra que Woliver, rey de los godos, fue capaz de dibujar chispas de su
cuerpo. El mismo escritor declara que cierto filósofo fue capaz mientras se
vestía de hacer saltar chispas de su ropa, un resultado aparentemente semejante
al obtenido por Symmer en sus experimentos de media de seda, un relato
cuidadoso que puede encontrarse en 'las Transacciones Filosóficas,' 1759.10
El
médico italiano Girolamo Cardano escribió acerca de la electricidad en De
Subtilitate(1550) distinguiendo, tal vez por primera vez, entre fuerzas
eléctricas y magnéticas. Hacia la última parte del siglo XVI un médico de la época
de la reina Isabel, el Dr. William Gilbert, en De Magnete, amplió el trabajo de
Cardano y acuñó la nueva palabra latina «electricus» de (Elektron), palabra
griega que significa «ámbar». El primer uso de la palabra «electricidad» se
atribuye a Sir Thomas Browne en su obra de 1646, «Pseudodoxia Epidemica».
Gilbert emprendió un número de cuidadosos experimentos eléctricos, en el curso
de los cuales descubrió que muchas otras sustancias distintas que el ámbar,
como el azufre, la cera, el cristal, etc.,21 eran capaces de manifestar
propiedades eléctricas. Gilbert también descubrió que un cuerpo calentado
perdió su electricidad y que la humedad previene la electrificación de todos
los cuerpos, debido al ahora el hecho ahora bien conocido de que la humedad perjudica
el aislamiento de tales cuerpos. También notó que las sustancias electrificadas
atraen a otras sustancias indiscriminadamente, mientras que un imán sólo atrae
el hierro. Muchos descubrimientos de esta naturaleza ganaron para Gilbert el
título de fundador de la ciencia eléctrica.10
Otro
pionero fue Robert Boyle, que en 1675 declaró que la atracción y la repulsión
eléctrica pueden actuar a través del vacío. Uno de sus importantes
descubrimientos fue que los cuerpos electrizados en el vacío pueden atraer
sustancias ligeras, esto indica que el efecto eléctrico no depende del aire
como medio. También añadió la resina a la lista conocida hasta entonces de
sustancias eléctricas.10 22
Esto
fue seguido en 1660 por Otto von Guericke, que inventó uno de los primeros
generadores electrostáticos. A finales del siglo XVII, los investigadores
habían desarrollado los medios prácticos de generación de electricidad por la
fricción con un generador de electrostático, pero el desarrollo de máquinas
electrostáticas no comenzó en serio hasta el siglo XVIII, cuando se
convirtieron en instrumentos fundamentales en el estudio de la nueva ciencia de
la electricidad.
[editar]Siglo
XVIII
[editar]Principios
de los años 1700
Isaac
Newton
Isaac
Newton afirmó que la luz estaba compuesta de numerosas partículas pequeñas.
Esto podría explicar rasgos tales como la capacidad de la luz de viajar en
línea recta y reflejarse en las superficies. Sabían que esta teoría tenía sus
problemas: aunque explicara bien la reflexión, su explicación de la refracción
y la difracción eran menos satisfactorias. Para explicar la refracción, la
«Óptica» de Newton (1704) postuló un «medio etéreo» que transmite las
vibraciones «más rápido» que la luz, por lo que la luz, cuando es alcanzada, es
puesta en «Ataques de la reflexión sencilla y la fácil transmisión», que
causaba la refracción y la difracción.
[editar]Mejora
de la máquina eléctrica
La
máquina eléctrica fue posteriormente mejorada por Francis Hauksbee, Litzendorf,
y por el Prof. Matthias Georg Bose, alrededor de 1750. Litzendorf sustituyó por
una bola de cristal la bola de azufre de Guericke. Boze fue el primero en
emplear el «primer conductor» en este tipo de máquinas, y que consistía en una
varilla de hierro en la mano de una persona cuyo cuerpo fue aislado por pie
sobre un trozo de resina. El Dr. Ingenhousz, en 1746, inventó máquinas
eléctricas hechas de cristal.23
Los
experimentos con la máquina eléctrica, fueron ampliamente ayudados por el
descubrimiento de la propiedad que posee una placa de vidrio, cuando se recubre
por ambas caras con papel de aluminio, de acumular una carga de electricidad
cuando se conecta con una fuente de fuerza electromotriz. La máquina eléctrica
pronto mejorada por Andrew Gordon, un escocés, profesor de Erfurt, al sustituir
un globo de vidrio por un cilindro de vidrio, y por Giessing de Leipzig, que
agregó una «goma» consistente en un colchón de material de lana.
El
colector, que consistía en una serie de puntas metálicos, fue añadido a la
máquina por Benjamín Wilson alrededor de 1746, y en 1762, John Cantón de
Inglaterra (también el inventor del primer electroscopio de bola de sauco)
mejoró la eficacia de las máquinas eléctricas por rociando una amalgama de cinc
sobre la superficie del caucho.10
[editar]Electricos
y no eléctricos
En
1729, Stephen Gray realizó una serie de los experimentos que demostraron la
diferencia entre conductores y no conductores (aisladores), al mostrar entre
otras cosas que un conductor metálico e incluso un paquete de hilos conducían
la electricidad conducida, mientras que la seda no lo hizo. En uno de sus
experimentos envió una corriente eléctrica por 800 pies (unos 243 m) de hilo de
cáñamo que fue suspendido a intervalos por lazos de hilo de seda. Cuando trató
de repetir el mismo experimento sustituyendo la seda por un conductor fino
hilos de cobre, encontró que la corriente eléctrica no era transportada de la
cuerda de cáñamo, pero en cambio parecía desaparecer en el conductor de cobre.
A partir de este experimento clasificó las sustancias en dos categorías: «no
eléctricos» como cristal, resina y seda y «eléctricos» como el metal y el agua.
Los «eléctricos» conducen las cargas mientras que los «no eléctricos» pierden
la carga.10 24
[editar]Vítreo
y resinoso
Intrigado
por los resultados de Gray, en 1732, C.F. Du Fay comenzó a realizar varios
experimentos. En su primer experimento, Du Fay llegó a la conclusión de que
todos los objetos excepto los metales, los animales, y los líquidos pueden ser
electrificados por frotamiento y que los metales, los animales y los líquidos
pueden ser electrificados por medio de una máquina eléctrica, por lo tanto
desacreditando con ello la clasificación de sustancias en «eléctricos» y «no
eléctricos» de Gray.
En
1737, Du Fay y Hauksbee descubrieron de forma independiente que parecía haber
dos clases de electricidad estática, generada a partir del frotamiento del
vidrio, y el otro del frotamiento de la resina. De esto, Du Fay enunció la
teoría de que la electricidad se compone de dos fluidos eléctricos, «vítrea» y
«resinosa», que están separadas por la fricción y que se neutralizan entre sí
cuando se combinan.25 Esta teoría de los dos fluidos más tarde daría lugar al
concepto de cargas eléctricas «positivas» y «negativas» ideado por Benjamin
Franklin.10
[editar]Botella
de Leyden
La
Botella de Leyden, un tipo de condensador para almacenar grandes cantidades de
energía eléctrica, fue inventada en la Universidad de Leiden por Pieter van
Musschenbroek en 1745. William Watson, al experimentar con la botella de
Leyden, descubrió en 1747 que una descarga de electricidad estática es
equivalente a un corriente eléctrica. La propiedad capacitiva, que ahora y
desde hacía muchos años se habían acogido en el condensador eléctrico, fue
observada por primera vez por Von Kleist de Leiden en 1754.26 Von Kleist pasó
al celebrar, cerca de su máquina eléctrica, una pequeña botella, en el cuello
de la cual había un clavo de hierro. Al tocar el clavo de hierro
accidentalmente con la otra mano, recibió una severa descarga eléctrica. De
forma similar, el profesor Pieter van Musschenbroek asistido por Cunaens
recibió una descarga más severa de una botella de vidrio algo parecida. Sir
William Watson de Inglaterra mejoró mucho este dispositivo, cubriendo la botella
o jarra, exteriormente con papel de aluminio. Esta pieza de aparato eléctrico
será fácilmente reconocida como la bien conocida botella de Leyden, llamado así
por el abad Nollet de París, por el lugar de su descubrimiento.10
En
1741, Ellicott, «propuso medir la fuerza de la electrificación por su poder
para levantar un peso en un platillo de una balanza, mientras que el otro
sostenía el cuerpo electrificado y tiraba de él mediante su poder de
atracción». Sir William Watson, anteriormente mencionado, llevó a cabo
numerosos experimentos, hacia 1749, para determinar la velocidad de la
electricidad en un alambre, los cuales, aunque quizás de un modo no tan
previsto, también demostraron la posibilidad de transmitir señales a distancia
mediante la electricidad. En estos experimentos, se empleó un cable aislado de
12.276 pies (3741,72 m) de longitud y la transmisión de una señal de un extremo
del cable al otro les pareció a los observadores instantánea. Monnicr, en
Francia ya había realizado experimentos en cierto modo similares, enviando
descargas a través de un alambre de hierro de 1.319 pies de largo.10
Alrededor
de 1750 se realizaron varias pruebas por diferentes experimentadores para
averiguar los efectos fisiológicos y terapéuticos de electricidad. Mainbray (o
Mowbray) en Edinburgo examinó los efectos de electricidad sobre las plantas y
concluyó que el crecimiento de dos árboles de mirto fue acelerado por la
electrificación. Estos mirtos fueron electrificados «durante el mes entero de
octubre de 1746, y echaron ramas y flores más pronto que otros arbustos de la
misma clase no electrificados.».27 El Abad Menon estudió los efectos de un uso
continuado de electricidad sobre hombres y pájaros y encontró que los sujetos
experimentaron una pérdida de peso, así al parecer mostrando que la
electricidad aceleraba las excreciones. La eficacia de choques eléctricos en
los casos de parálisis fue ensayada en el hospital del condado de Shrewsbury,
Inglaterra, con un éxito bastante pobre.28 En un caso informó que un brazo paralizado
mejoró algo, pero el temor a las descargas se hizo tan grande que el paciente
prefirió renunciar a una posible cura posible antes que sufrir un tratamiento
más. En otro caso de parálisis parcial el tratamiento eléctrico fue seguido de
una parálisis temporal total. Una segunda aplicación de este tratamiento fue
otra vez seguida de la parálisis total, con lo que el uso de electricidad en
este caso fue detenido. Para las datos de más de los primeros usos de la
electricidad como agente de recuperación el lector puede consultar
'Electricity' de De la Rive.29
[editar]Finales
de 1700
Benjamin
Franklin
En
1752, Benjamin Franklin es frecuentemente confundido como el personaje clave
que se encuentra detrás de la electricidad. William Watson y Benjamin Franklin
comparten el descubrimiento de los potenciales eléctricos. Benjamin Franklin
inició sus investigaciones y teorías de la electricidad a través del famoso,
aunque extremadamente peligroso, experimento de volar una cometa a través de un
cielo amenazado por tormenta. Una llave unida a la cuerda de la cometa provocó
y cargó una botella de Leyden, estableciendo así el vínculo entre el rayo y la
electricidad.30 Después de estos experimentos inventó un pararrayos. Es bien a
Franklin (con más frecuencia) o a Ebenezer Kinnersley de Filadelfia (con menos
frecuencia), a quienes se considera como el fundador de la convención de la
electricidad positiva y negativa.
Las
teorías sobre la naturaleza de la electricidad eran muy vagos en este período,
y las que prevalecieron fueron más o menos conflictivas. Franklin considera que
la electricidad era un fluido imponderable que lo impregna todo, y que, en su
condición normal, se distribuye uniformemente en todas las sustancias. Supone
que las manifestaciones eléctricas obtenidas por frotamiento del vidrio eran
debidas a la producción de un exceso de fluido eléctrico en esa sustancia y que
las manifestaciones producidas por frotamiento de la cera eran debidas a un
déficit del fluido. Esta teoría se opone a la teoría de los «dos fluidos»,
debida a Robert Symmer, 1759. En la teoría de Symmer las electricidades vítrea
y resinosa eran considerados como los fluidos imponderables, cada fluido estaba
compuesto de partículas mutuamente repelentes, mientras que las partículas de
electricidades opuestas son mutuamente atractivas. Cuando los dos fluidos se
unen por razón de su atracción por el otro, se neutraliza su efecto sobre los
objetos externos. El acto de frotar un cuerpo descompone uno de los fluidos que
permanece en exceso en el cuerpo y se manifiesta como electricidad vítrea o
resinosa.10
Hasta
el momento del histórico experimento de la cometa de Franklin31 la identidad de
la electricidad obtenida por frotamiento y por las máquinas eléctricas
(electricidad estática), con el rayo no se había establecido de una manera
general. El Dr. Wall, Abbot Nollet, Hawkesbee, Gray and Winckler habían
sugerido la semejanza entre los fenómenos de la «electricidad» y el «rayo»,
Gray dio a entender que sólo difieren en grado. Fue, sin duda, Franklin, sin
embargo, quien propuso por primera vez pruebas para determinar la identidad de
los fenómenos. En una carta a Peter Comlinson, Londres, 19 de octubre de 1752.
Franklin, refiriéndose a su experimento de la cometa, escribió: «Como esta
llave el frasco (botella de Leyden) puede ser cargado, y del fuego eléctrico
así obtenido los espíritus pueden ser encendidos, y todos los otros
experimentos eléctricos que se forman generalmente se realizan con la ayuda de
un globo o un tubo de cristal frotado, y con ello la identidad de la materia
eléctrica con la de un rayos queda completamente demostrado».32 Dalibard, y
Marley, cerca de París, el 10 de mayo de 1742, por medio de una barra de hierro
vertical de 40 pies de largo, obtuvieron resultados que se corresponden a los
registrados por Franklin y algunos anteriores a la fecha del experimento de
Franklin. La importante demostración de Franklin, de la igualdad de
electricidad por frotamiento y el rayo, sin duda, añade entusiasmo a los
esfuerzos de los muchos experimentadores en este campo de la última mitad del
siglo XVIII, para avanzar en «el progreso de la ciencia».10
Las
observaciones de Franklin, ayudaron más tarde a científicos, como Michael
Faraday, Luigi Galvani, Alessandro Volta, André-Marie Ampère y Georg Simon Ohm,
cuyos trabajos sirvieron de base para la tecnología eléctrica moderna. Los
trabajos de Faraday, Volta, Ampere, Ohm es reconocido por la sociedad, en que
las unidades fundamentales de medición eléctrica llevan sus nombres.
Otros
también ayudaron a avanzar este campo del conocimiento, incluyendo
investigadores como Watson, Boze Smeaton, Le Monnicr, De Romas, Jallabert,
Beccaria, Cavallo, John Canton, Robert Symmer, Nollet, Winckler, Richman, el
Dr. Wilson, Kinnersley, Priestley, Aepinus , Délavai, Cavendish, Coulomb, Volta
y Galvani. Una descripción de muchos de los experimentos y descubrimientos de
estos primeros investigadores en el campo de la ciencia de la electricidad y el
arte se encuentra en las publicaciones científicas de la época, en especial en Philosophical
Transactions, Philosophical Magazine, Cambridge Mathematical revista, Filosofía
Natural de Young, Historia de la electricidad de Priestley, Experimentos y
observaciones sobre la electricidad de Franklin, Tratado de electricidad de
Cavalli, Tratado de electricidad de De la Rive.
Henry
Elles fue uno de los primeros en sugerir vínculos entre la electricidad y el
magnetismo. En 1757 afirmó que había escrito a la Royal Society en 1755 sobre
las relaciones entre electricidad y magnetismo, afirmando que «hay algunas
cosas en el poder de magnetismo muy similares a los de la electricidad», pero
que «no por cualquier medio pienso que sean lo mismo». En 1760 afirmó
igualmente igualmente que en 1750 había sido el primero «en pensar que el fuego
eléctrico puede ser la causa del trueno».33
Entre
los más importantes experimentos eléctricos y las investigaciones durante este
período destacan las de Francis Aepinus, un destacado erudito alemán
(1724-1802) y Henry Cavendish de Londres, Inglaterra.10
A
Aepinus se concede el crédito de haber sido el primero en concebir el punto de
vista de la relación recíproca entre la electricidad y el magnetismo. En su
trabajo Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism!, publicado en San
Petersburgo, en 1759. da la siguiente ampliación de la teoría de Franklin, que
en algunas de sus características es medible en el acuerdo con los puntos de
vista actuales: «Las partículas del fluido eléctrico repelen a las otras y
atraen y son atraídos por las partículas de todos los cuerpos con una fuerza
que disminuye a medida que aumenta la distancia; el fluido eléctrico existe en
los poros de los cuerpos; se mueve sin obstáculos a través de 'no eléctricos'
(conductores), pero se mueve con dificultad en los aisladores; las
manifestaciones de la electricidad se deben a la desigual distribución del
fluido en un cuerpo, o con el acercamiento de cuerpos desigualmente cargados
del fluido.». Aepinus formuló la teoría correspondiente del magnetismo a
excepción de que en el caso de los fenómenos magnéticos los fluidos sólo actúan
sobre las partículas de hierro. También hizo numerosos experimentos eléctricos,
entre otros, los que aparentemente muestran que, a fin de manifestar los
efectos eléctricos la turmalina necesita ser calentado a una temperatura entre
los 37,5 ° С y 100
° C. De hecho, la turmalina permanece sin electrificar cuando su temperatura es
uniforme, pero manifiesta propiedades eléctricas cuando su temperatura sube o
baja. Los cristales que manifiestan las propiedades eléctricas de esta manera
se denominan piro-eléctricos, entre los que, además de la turmalina, están el
sulfato de quinina y el cuarzo.10
Cavendish
de forma independiente concibió una teoría de la electricidad muy similar a la
de Aepinus.34 También (en 1784) fue quizás el primero en utilizar la chispa
eléctrica para producir la explosión de hidrógeno y oxígeno en las proporciones
adecuadas para producir agua pura. El mismo filósofo descubrió también la
capacidad inductiva de los dieléctricos (aislantes) y ya en 1778 midió la capacidad
inductiva específica de la cera de abejas y otras sustancias por comparación
con un condensador de aire.
Hacia
1784, Coulomb, que da nombre a la unidad de cantidad eléctrica, ideó la balanza
de torsión, por medio del cual descubrió lo que se conoce como la ley de
Coulomb: «La fuerza ejercida entre dos pequeños cuerpos electrizados es
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia», no como asumía Aepinus
en su teoría de la electricidad, sólo inversamente proporcional a la distancia.
Según la teoría propuesta por Cavendish «las partículas atraen y son atraídos
inversamente con menor poder con el cubo de la distancia.».10
Con el
descubrimiento, por los experimentos de Watson y otros, de que la electricidad
podría ser transmitida a distancia, la idea de hacer un uso práctico de este
fenómeno comenzó, alrededor de 1753, para engrosar las mentes de personas
«curiosas», y para ello se hicieron sugerencias con vistas al empleo de la
electricidad en la transmisión de la inteligencia. El primero de los métodos
desarrollados con este propósito fue, probablemente, que, debido a besage
(1774). Este método consiste en el empleo de 24 conductores, aislados unos de
otros y cada uno de ellos tenía una bolita conectado a su extremo final. Cada
conductor representa una letra del alfabeto. Para enviar un mensaje, un
conductor deseada fue cargado momentáneamente con electricidad de una máquina
eléctrica, con lo cual la bola de médula conectada a ese alambre saldría
volando; y de esta manera se transmitirían los mensajes. Otros métodos de
telegrafiar en los que la electricidad de fricción fue empleado también fueron
ensayados, algunos de los cuales se describen en el artículo sobre el
telégrafo.10
Hasta
ahora, la única electricidad conocida era la que se obtenía por fricción o
frotamiento, por lo cual se denomina electricidad estática. Llegamos ahora a la
era de la electricidad galvánica o voltaica. Volta descubrió que las reacciones
químicas pueden utilizarse para crear ánodos cargados positivamente, y cátodos
cargados negativamente. Cuando un conductor se coloca entre estos, la
diferencia en el potencial eléctrico (también conocido como voltaje) conduce
una corriente eléctrica entre ellos a través del conductor. La diferencia de
potencial entre dos puntos se mide en unidades de Voltios en reconocimiento del
trabajo de Volta.10
La
primera mención de la electricidad voltaica, aunque no reconocida como tal en
su momento, se hizo probablemente por Sulzer en 1767, quien colocó un pequeño
disco de zinc, debajo de la lengua y un pequeño disco de cobre sobre ella,
observando un peculiar sabor cuando la metales respectivos tocaban sus bordes.
Sulzer supone que cuando los metales se unen entran en vibración, que actúa
sobre los nervios de la lengua, produciendo los efectos señalados. En 1790 el
profesor Galvani de Bolonia en una ocasión, mientras realizaba experimentos
sobre la «electricidad animal», como él la llamaba, en la que había puesto su
atención estudiando la contracción de las patas de una rana en la presencia de
una máquina eléctrica, observó que los músculos de una rana suspendida en una
balaustrada de hierro con un gancho de cobre que pasaba a través de su columna
dorsal sufrió fuertes convulsiones sin ningún tipo de causa externa, la máquina
eléctrica estaba en ese momento ausente.10
Para
explicar este fenómeno Galvani supuso que la electricidad de tipo opuesto
existía en los nervios y los músculos de la rana, los músculos y los nervios
que constituyen las capas cargadas de una botella de Leyden. Galvani publicó
los resultados de sus descubrimientos, junto con su hipótesis, que llamó la
atención de los físicos de su época, el más prominente de los cuales, Alejandro
Volta, profesor de física en Pavía, afirmó que el resultado observado por
Galvani se debió a que los dos metales, cobre y hierro, actúan como «motores
eléctricos», y que los músculos de la rana juegan el papel de conductor,
completando el circuito.
Alessandro
Volta
Esto
provocó una larga discusión entre los partidarios de las opiniones en
conflicto: un grupo de seguidores estaba con Volta en que la corriente
eléctrica fue el resultado de una fuerza electromotriz de contacto de los dos
metales, el otro adoptó una modificación del punto de vista de Galvani y
afirmaha que la corriente era debida a una afinidad química entre los metales y
los ácidos presentes en la pila. Michael Faraday escribió en el prefacio de sus
«Investigaciones experimentales», respecto de la cuestión de si el contacto
metálico es o no productor de una parte de la electricidad de la pila voltaica:
«No veo ninguna razón todavía para modificar la opinión que he dado; ... pero
el punto es de importancia tan grande que me propongo en la primera oportunidad
reiniciar la investigación, y, si puedo, dando pruebas hacia un lado o el otro,
negar a todos».10
Ni
incluso el propio Faraday, sin embargo, pudo resolver la controversia, y
mientras las opiniones de los partidarios de ambos lados de la cuestión han
sido objeto de modificaciones, como exigían posteriores investigaciones y
descubrimientos, hasta el día de hoy la diversidad de opiniones sobre estos
puntos continua. Volta hizo numerosos experimentos en apoyo de su teoría y
finalmente, desarrolló la pila o batería,35 que fue la precursora de todas las
baterías químicas posteriores, y posee el mérito distintivo de ser el primer
medio por el que se puede obtener una prolongada corriente continua de
electricidad. Volta comunicó una descripción de su pila a la Royal Society de
Londres y poco después Nicholson y Cavendish (1780) produjeron la
descomposición del agua por medio de la corriente eléctrica, usando la pila de
Volta como la fuente de fuerza electromotriz.10
[editar]Siglo
XIX
[editar]Principios
de 1800
Pila de
Volta en el Tempio Voltiano de Como, Lombardía. Desarrollada hacia 1800, fue
probablemente la primera batería de la historia moderna
En
1800, Alessandro Volta construyó el primer dispositivo para producir una
corriente eléctrica grande, posteriormente conocido como el batería eléctrica.
Napoleón, informado de sus trabajos, lo convocó en 1801 para una demostración
de sus experimentos. Recibió numerosas medallas y condecoraciones, incluida la
Legión de honor.
Davy en
1806, utilizando una pila voltaica de aproximadamente 250 células, o parejas,
descompuso potasa y sosa, demostrando que estas sustancias eran,
respectivamente, los óxidos de potasio y sodio, cuyos metales eran desconocidos
hasta entonces. Estos experimentos fueron el comienzo de electroquímica, la
investigación que adoptó Faraday y sobre la que en 1833 anunció su importante
ley de los equivalentes electroquímicos, es decir.: «La misma cantidad de
electricidad, es decir, la misma corriente eléctrica, descompone químicamente
cantidades equivalentes de todos los cuerpos que atraviesa, de ahí los pesos de
los elementos separados en estos electrolitos estén relacionados unos con otros
como sus equivalentes químicos». Empleando de una batería de 2.000 elementos de
una pila voltaica Humphry Davy en 1809 realizó la primera demostración pública
de la electricidad arco eléctrico, utilizando con este propósito carbón
encerrado al vacío.10
Algo
singular para notar, no fue sino hasta muchos años después del descubrimiento
de la pila voltaica que quedó claramente reconocida y demostrada la identidad
de la electricidad estática y de frotamiento con la electricidad voltaica. Así,
tan pronto como en enero 1833 nos encontramos a Faraday escribiendo36 en un
documento sobre la electricidad del rayo: «Después de un examen de los
experimentos de Walsh, Ingenhousz, Henry Cavendish, Sir Humphry Davy, y el Dr.
Davy, no hay duda en mi mente sobre la identidad de la electricidad del rayo
con la electricidad común (por frotamiento) y la voltaica, y supongo que tan
poca permanecerá en la mente de otros como para justificar mi abstención de
entrar en detalles en la prueba filosófica de esa identidad. Las dudas
planteadas por Sir Humphry Davy han sido eliminadas por su hermano, el Dr.
Davy, los resultados del último son a la inversa de los del primero. ... La
conclusión general que se debe, creo yo, sacar de este conjunto de hechos (un
cuadro que muestra la similitud de las propiedades y la diversidad de nombres
de electricidad) es, que la electricidad, cualquiera que sea su origen, es
idéntica en su naturaleza.».10
Es
correcto afirmar, sin embargo, que antes de la época de Faraday de la similitud
de electricidad obtenida de distintas fuentes era más que sospechosa. Así,
William Hyde Wollaston,37 escribió en 1801:38 «Esta similitud en la forma en
que la electricidad y el galvanismo (electricidad voltaica) aparecen es
excitante, además la semejanza que se ha trazado entre sus efectos muestra que
ambos son esencialmente lo mismo y confirma la opinión que ya ha sido avanzada
por otros, de que todas las diferencias que se descubren en los efectos de este
último puede deberse a que sea menos intenso, pero producida en mucha mayor
cantidad».
En el
mismo documento Wollaston describe algunas experiencias en las que utiliza un
alambre muy fino en una solución de sulfato de cobre por la que pasaba la
corriente eléctrica de una máquina eléctrica. Esto es interesante en relación
con el uso posterior de alambres finos, dispuestos de manera similar en los
receptores electrolíticos en la telegrafía sin hilos o la radio.10
Hans
Christian Ørsted
En la
primera mitad del siglo XIX se hicieron muchas contribuciones muy importantes
para el conocimiento mundial sobre la electricidad y el magnetismo. Por
ejemplo, en 1819 Hans Christian Oersted de Copenhague, descubrió el efecto de
la corriente eléctrica que circula por un alambre de desviar una aguja
magnética suspendida en su proximidad.10
Este
descubrimiento dio una pista de la íntima relación entre la electricidad y el
magnetismo que fue rápidamente seguida por Ampère, que poco tiempo después
(1821) anunció su célebre teoría de la electrodinámica, en relación con la
fuerza que una corriente ejerce sobre otra, debido a sus efectos
electro-magnéticos, a saber:10
Dos
porciones paralelas de un circuito se atraen si las corrientes en ellos están
circulando en la misma dirección, y se repelen entre sí, si las corrientes
circulan en dirección opuesta.
Dos
porciones de circuitos que se cruzan oblicuamente se atraen entre sí, si ambas
corrientes circulan hacia o desde el punto de cruce, y se repelen entre sí si
una circula hacia y la otra desde ese punto.
Cuando
un elemento de un circuito ejerce una fuerza sobre otro elemento de un
circuito, esa fuerza siempre tiende a desplazar a la este último en una
dirección perpendicular a su propia dirección.
El
profesor Seebeck, de Berlín, en 1821 descubrió que cuando se aplica calor a la
unión de dos metales que habían sido soldadas juntos se establece una corriente
eléctrica. Esto se denomina Termo-Electricidad. El dispositivo de Seebeck
consiste en una tira de cobre doblado en cada extremo y soldado a una placa de
bismuto. Una aguja magnética se coloca paralela a la lámina de cobre. Cuando se
aplica el calor de una lámpara a la unión del cobre y bismuto se establece una corriente
eléctrica que desvía la aguja.10
Jean
Peltier en 1834 descubrió el efecto contrario al anterior, es decir, que cuando
una corriente pasa a través de un par de metales distintos, la temperatura
aumentará o disminuirá en la unión de los metales, dependiendo de la dirección
de la corriente. Esto se denomina efecto Peltier. Las variaciones de
temperatura resultaron ser proporcionales a la intensidad de corriente y no al
cuadrado de la intensidad corriente como ocurre en el caso de calor debido a la
resistencia ordinaria de un conductor. Esta última es la ley de Joule,
descubierta experimentalmente en 1841 por el físico Inglés, James Prescott
Joule. En otras palabras, esta ley importante establece que el calor generado
en cualquier parte de un circuito eléctrico es directamente proporcional al
producto de la resistencia de esta parte del circuito y al cuadrado de la
fuerza de la corriente que fluye en el circuito.10
En 1822
Sweiprger ideó el primer galvanómetro. Este instrumento fue posteriormente muy
mejorado por Wilhelm Eduard Weber (1833). En 1825, William Sturgeon de
Woolwich, Inglaterra, inventó el electroimán de herradura y barra recta,
recibiendo por ello la medalla de plata de la Sociedad de las Artes.39 En el
año 1837 Gauss y Weber (ambos destacados investigadores de este período),
inventaron conjuntamente un galvanómetro reflectante con fines de telégrafo.
Este fue el precursor del galvanómetro reflectante de Thomson y otros
galvanómetros excesivamente sensibles, utilizados incluso en señalización
submarina y aún ampliamente utilizados en las mediciones eléctricas. Arago en
1824 hizo el importante descubrimiento de que cuando un disco de cobre gira en
su propio plano, y si una aguja magnética está libremente suspendida en un eje
sobre el disco, la aguja gira con el disco. Por otro lado, si la aguja está
fija tenderá a retardar el movimiento del disco. Este efecto se denomina las
rotaciones de Arago.10
Fútiles
intentos fueron hechos por Babbage, Barlow, Herschel y otros, para explicar
este fenómeno. La verdadera explicación estaba reservada a Faraday, es decir,
que las corrientes eléctricas son inducidas en el disco de cobre al cortar las
líneas de fuerza magnética de la aguja, cuyas as corrientes a su vez reaccionan
en la aguja. En 1827, Georg Simon Ohm anunció la famosa ley que lleva su
nombre, que dice:
Fuerza
electromotriz = Intensidad de corriente x Resistencia
[editar]Faraday
y Henry
Joseph
Henry
Michael
Faraday
El
descubrimiento de la inducción electromagnética se hizo casi simultáneamente,
aunque de forma independiente, por Michael Faraday y Joseph Henry. Mientras que
los primeros resultados de Faraday precedieron a los de Henry, Henry fue el
primero en el uso del principio del transformador. El descubrimiento de Henry
de la autoinducción y su trabajo en conductores de espiral utilizando una
bobina de cobre se hicieron públicos en 1835, justo antes de las de Faraday.40
41 42
En 1831
comenzaron las investigaciones de Michael Faraday, el famoso discípulo y
sucesor de Humphry Davy a la cabeza de la Royal Institution, de Londres, en
relación a la inducción electromagnética. Los estudios e investigaciones de
Faraday se extendieron desde 1831 hasta 1855 y una descripción detallada de sus
experimentos, deducciones y especulaciones se encuentran en su publicación,
titulada 'Investigaciones Experimentales en Electricidad'. Faraday era químico
de profesión. No estaba en posesión de más remoto título en matemáticas en el
sentido ordinario - de hecho hay una búsqueda de si en todos sus escritos hay
una sola fórmula matemática.10
El
experimento de Faraday que condujo al descubrimiento de la inducción
electromagnética43 se realizó como sigue: Se construyó lo que es ahora y entonces
se denominó una bobina de inducción, cuyos conductores del primario y
secundario se enrollaron en una bobina de madera, uno al lado del otro y
aislados entre ellos. En el circuito del cable primario se colocó una batería
de aproximadamente 100 celdas. En el cable del secundario se insertó un
galvanómetro. Al hacer su primera prueba no observó ningún resultado, el
galvanómetro permanecía en reposo, pero al aumentar la longitud de los
conductores se dio cuenta de una desviación del galvanómetro en el conductor
del secundaria cuando el circuito del conductor primario se abría y cerraba.
Esta fue la primera observación del desarrollo de la fuerza electromotriz por
inducción electromagnética.10
También
descubrió que aparecían corrientes inducidas en un segundo circuito cerrado
cuando la intensidad de corriente variaba fuertemente en el primer conductor, y
que la dirección de la corriente en el circuito secundario es opuesta a la del
primer circuito. También que una se induce una corriente inducida en un circuito
secundario cuando otro circuito por el que circula una corriente se mueve hacia
y desde el primer circuito, y que la aproximación o el alejamiento de un imán o
de un circuito cerrado induce corrientes momentánea en el segundo. En suma, en
el espacio de un pocos meses Faraday descubrió experimentalmente prácticamente
todas las leyes y hechos actualmente conocidos sobre la inducción
electromagnética y la inducción magnetoeléctrica. A estos descubrimientos, con
casi ninguna excepción, depende el funcionamiento del teléfono, la dinamo, y
relacionados con la dinamo, prácticamente todas las industrias eléctricas
gigantescas del mundo, incluyendo la luz eléctrica, la tracción eléctrica, el
funcionamiento de los motores eléctricos para producir potencia, y la galvanoplastia,
la electrólisis, etc.10
En sus
investigaciones de la manera peculiar en que las limaduras de hierro se
disponen sobre un cartón o vidrio en las proximidades de los polos de un imán,
Faraday, concibió la idea de «líneas de fuerza» magnéticas que se extienden de
polo a polo del imán y a lo largo de las cuales las limaduras tienden a
situarse. En el descubrimiento realizado de que los efectos magnéticos
acompañan el paso de una corriente eléctrica en un conductor, también se supone
que similares líneas de fuerza magnética giran alrededor del alambre. Por
comodidad y para dar cuenta de la electricidad inducida se asumió cuando que
estas líneas de fuerza son «cortadas» por un conductor que pasa a través de
ellas o cuando las líneas de fuerza en la apertura y el cierre de un circuito
cortan el conductor, se desarrolla una corriente eléctrica, o para ser más
exactos, se desarrolla una fuerza electromotriz en el conductor que establece
una corriente en un circuito cerrado. Faraday avanzó lo que se ha denominado
'teoría molecular de la electricidad', que supone que la electricidad es la
manifestación de un estado particular de las moléculas del cuerpo frotado o del
éter que rodea el cuerpo. Faraday también, experimentalmente, descubrió el
paramagnetismo y el diamagnetismo, a saber, que todos los sólidos y los
líquidos son atraídos o repelidos por un imán. Por ejemplo, el hierro, níquel,
cobalto, manganeso, cromo, etc, son paramagnéticos (son atraídos mediante
magnetismo), mientras que otras sustancias, tales como el bismuto, fósforo,
antimonio, zinc, etc, son repelidos por el magnetismo o son diamagnéticos10 44
Brugans
de Leiden en 1778 y Le Baillif y Becquerel en 1827 habían descubierto
diamagnetismo en el caso de bismuto y antimonio. Faraday también redescubrió la
capacidad inductiva específica en 1837, los resultados de los experimentos de
Cavendish no habían sido publicados en esa época. También predijo45 el retraso
de las señales en los largos cables submarinos debido al efecto inductivo del
aislamiento del cable, en otras palabras, la capacidad estática del cable.10
Los 25 años inmediatamente después del descubrimiento de Faraday de la
inducción eléctrica fueron muy fructíferas en la promulgación de leyes y hechos
relativos a las corrientes inducidas y el magnetismo. En 1834, Lenz y Jacobi
independientemente demostraron el hecho actualmente familiar de que la
corriente inducida en una bobina es proporcional al número de vueltas en la
bobina. Lenz también anunció en ese momento la ley importante que lleva su
nombre, de que en todos los casos de inducción electromagnética, las corrientes
inducidas tienen una dirección tal que su reacción tiende a detener el
movimiento que lo produce, ellos, una ley que tal vez era deducible de la
explicación de Faraday de las rotaciones de Arago.10
En
1845, Joseph Henry, el físico estadounidense, publicó un relato de sus valiosas
e interesantes experiencias, que muestra que las corrientes de orden superior
pueden ser inducidas a partir del secundario de una bobina de inducción al
primario de una segunda bobina, de allí a su conductor secundario, y así
sucesivamente hasta el primario de una tercera bobina, etc.46
[editar]Mitad
de 1800
La
teoría electromagnética de la luz añade a la vieja teoría ondulatoria un enorme
interés e importancia: nos exige no sólo una explicación de todos los fenómenos
de la luz y del calor radiante mediante ondas transversales de un medio
elástico sólido llamado éter, sino también la inclusión de las corrientes
eléctricas, del magnetismo permanente del acero y del imán, de la fuerza
magnética y de la fuerza electrostática, en una amplia teoría del éter.47
Hasta
mediados del siglo XIX, de hecho hasta cerca de 1870, la ciencia eléctrica fue,
se puede decir, un libro cerrado para la mayoría de los investigadores
eléctricos. Antes de esta época una serie de manuales se publicaron sobre la
electricidad y el magnetismo, en particular, el exhaustivo Tratado de
electricidad de Auguste Arthur de la Rive, 1851 y 1835 (en francés); Einleitung
in die Electrostatik de Beer, Galvanismus de Wiedemann y
Reibungsal-elektricitat de Réis. Sin embargo, estas obras consistieron
básicamente en detallar los experimentos con la electricidad y el magnetismo, y
muy poco con las leyes y los hechos de esos fenómenos. Abria publicó los
resultados de algunas investigaciones en las leyes de las corrientes inducidas,
pero debido a la complejidad de la investigación, no se produjeron resultados
notables.48 A mediados de 1800 se publicaron los trabajos «Electricidad y
Magnetismo» de Fleeming Jenkin y el «Tratado en Electricidad y Magnetismo» de
Clerk Maxwell.10
Estos
libros fueron las salidas de los caminos trillados. Como afirma Jenkin, en el
prefacio de su obra, la ciencia de las escuelas era tan diferente de la del
electricista práctico que resultaba imposible dar a los estudiantes suficiente,
ni siquiera aproximadamente suficientes libros de texto. Un estudiante dijo
podría haber dominado el tratado grande y valioso de De la Rive y, sin embargo
sentirse como si estuviese en un país desconocido y escuchara una lengua
desconocida en compañía de los hombres prácticos. Otro escritor ha dicho, con
la llegada de los libros de Jenkin y Maxwell se retiraron todos los obstáculos
en el camino de los estudiantes de electricidad, el «pleno sentido de la ley de
Ohm” queda claro, la fuerza electromotriz, la diferencia de potencial, la
resistencia, la intensidad de corriente, la capacidad, las líneas de la fuerza,
la magnetización y la afinidad química eran mensurables, y podría razonarse
acerca de ellas, y con ellas pueden hacerse cálculos con tanta certeza como en
los cálculos en dinámica».10 49
Hacia
1850 Gustav Kirchhoff publicó sus leyes relativas a las ramas o circuitos
divididos. También demostró matemáticamente que, según la teoría
electrodinámica vigente en ese momento, la electricidad se propaga a lo largo
de un cable perfectamente conductor con la velocidad de la luz. Helmholtz
investigó matemáticamente los efectos de la inducción sobre la fuerza de una
corriente y de ahó dedujo ecuaciones, que los experimentos confirmaron, que
demuestran entre otros puntos importantes el efecto retardador de la
autoinducción en determinadas condiciones del circuito.10 50
Sir
William Thomson
En 1853
Sir William Thomson (más tarde Lord Kelvin) predice como resultado de cálculos
matemáticos la naturaleza oscilatoria de la descarga eléctrica de un circuito
condensador. A Henry, sin embargo, pertenece el mérito de demostrar, como
resultado de sus experimentos en 1842, el carácter oscilatorio de la descarga
de la botella de Leyden. Escribió:51 Los fenómenos nos obligan a admitir la
existencia de una descarga principal en una dirección, y después varias
acciones reflejas hacia atrás y adelante, cada una más débil que la anterior,
hasta que se obtiene el equilibrio. Estas oscilaciones fueron observadas
posteriormente por Fcddersen (1857), que proyectó una imagen de la chispa
eléctrica sobre una placa sensible utilizando un espejo cóncavo rotatorio, y
así obtener una fotografía de la chispa que claramente muestra el carácter
alternante de la descarga. Sir William Thomson fue también el descubridor de la
convección eléctrica del calor (el efecto «Thomson»). Él diseñó sus
electrómetros cuadrante y absoluto para medidas eléctricas de precisión.
También se debe a él el galvanómetro de reflexión y el sifón registrador,
aplicado a los cables submarinos de señalización.10
Hacia
1876 el Prof. H.A. Rowland de Baltimore demostró el importante hecho de que una
carga estática que gira produce los mismos efectos magnéticos que una corriente
eléctrica. La importancia de este descubrimiento consiste en que puede ofrecer
una teoría razonable del magnetismo, es decir, que el magnetismo puede ser el
resultado del movimiento de filas de moléculas que transportan cargas
estáticas.10
Después
del descubrimiento de Faraday de que las corrientes eléctricas podrían
desarrollarse en un conductor, al cortar el conductor las líneas de fuerza de
un imán, era de esperar que se emprendiera la construcción de máquinas que
aprovecharan este hecho para el desarrollo de corrientes voltaicas.52 La
primera máquina de este tipo se debe a Pixii, 1832. Se componía de dos bobinas
de alambre de hierro, frente al que se hicieron girar los polos de un imán de
herradura. Esto produjo en la bobina del conductor una corriente alterna, Pixii
desarrolló un dispositivo de conmutación (conmutador), que convertía la
corriente alterna de las bobinas o de la armadura en una corriente en el
circuito externo. Esta máquina fue seguida de formas mejoradas de las máquinas
magneto-eléctrico debidas a Ritchie, Saxton, Clarke, Stohrer 1843, Nollet 1849,
[[Shepperd] ] 1856, Van Maldern, Siemens, Wilde y otros.10
Un
avance notable en el arte de la construcción de dinamos fue hecha por el Sr.
S.A. Varley en 186653 y por el Dr. Charles William Siemens y el Sr. Charles
Wheatstone54 que de forma independiente descubrieron que cuando una bobina de
un conductor, o una armadura, de la máquina dinamo se hace girar entre los
polos (o en el «campo») de un electroimán, aparece una débil corriente en la bobina
debido al magnetismo residual en el hierro del electroimán, y que si el
circuito de la armadura se conecta con el circuito del electroimán, la débil
corriente desarrollada en la armadura aumenta el magnetismo en el campo. Esto
aumenta aún más las líneas de fuerza magnética en las que gira la armadura, lo
que aumenta aún más la corriente en el electroimán, produciendo así el
correspondiente aumento en el magnetismo de campo, y así sucesivamente, hasta
que se alcanza la máxima fuerza electromotriz que la máquina es capaz de
desarrollar. Por medio de este principio, la máquina dinamo desarrolla su
propio campo magnético, pudiendo así aumentar mucho su eficiencia y
funcionamiento económico. Sin embargo, la máquina eléctrica dinamo no fue
perfeccionada en la época mencionada.10
En
1860, fue realizada una mejora importante por el Dr. Antonio Pacinotti de Pisa,
quien ideó la primera máquina eléctrica con una armadura de anillo. Esta
máquina fue utilizada por primera vez como un motor eléctrico, pero después, como
un generador de electricidad. El descubrimiento del principio de reversibilidad
de la dinamo eléctrica (atribuida a Walenn 1860; Pacinotti 1864; Fontaine,
Gramme 1873; Deprez 1881, y otros), con lo que podía ser utilizada como un
motor eléctrico o como un generador de electricidad, ha sido tenido por uno de
los mayores descubrimientos del siglo XIX.10
En
1872, Heffner -Altneck idearon el tambor de la armadura. Esta máquina en una
forma modificada posteriormente fue conocida como la dinamo Siemens. Estas
máquinas fueron seguidas por las actuales de Schuckert, Gulcher, Fein, Brush,
Hochhausen, Edison y las máquinas dinamo de muchos otros inventores. En los
primeros días de la construcción de las máquinas dinamo, las máquinas aran
principalmente utilizadas como generadores de corriente, y tal vez la
aplicación más importante de estas máquinas en ese momento era en
galvanoplastia, para lo que se emplearon máquinas de baja tensión y alta
intensidad de corriente.10 55
Desde
que empezaron a funcionar alrededor de 1.887 los generadores de corriente
alterna tuvieron una extensa utilización y un amplio desarrollo comercial del
transformador, mediante el cual las corrientes de bajo voltaje y alta
intensidad de la corriente se transformaban en corrientes de alta tensión y
baja intensidad de corriente, y viceversa, lo que en su tiempo revolucionó la
transmisión de energía eléctrica a largas distancias. Asimismo, la introducción
del convertidor rotatorio que convierte la corriente alterna en corrientes
continuas (y viceversa) ha efectuado grandes economías en el funcionamiento de
los sistemas eléctricos. Ver eléctrica alterna maquinaria actual.10 56
Antes
de la introducción de las máquinas dinamo, voltaica, o primaria, las baterías
fueron ampliamente utilizadas para galvanoplastia y en la telegrafía. Hay dos
tipos distintos de celdas voltaicas, la de tipo «abierta» y la «cerrada» o
«constante». Brevemente, la de tipo abierto es aquella que al operar en
circuito cerrado, después de un corto período, se polariza, es decir, los gases
son liberados en la celda en la que se deposita la placa negativa y establece
una resistencia que reduce la intensidad de la corriente. Después de un breve
intervalo con el circuito abierto estos gases son eliminados o absorbidos y la
pila está de nuevo lista para funcionar. Las pilas de circuito cerrado son
aquellas en las que los gases en las celdas son absorbidos tan rápidamente como
son liberados y por lo tanto, la salida de la pila es prácticamente uniforme.
La pila Leclanché y la pila Daniell, son ejemplos familiares de pilas voltaicas
de tipo «abierta» y «cerrada». Las pilas «abiertas» células se utilizan muy
ampliamente en la actualidad, especialmente en forma de pila seca, y, en el
anunciador y otros sistemas de señales de circuito abierto. Las baterías de
tipo Daniell o «gravedad», se emplearon de forma casi generalizada en los
Estados Unidos y Canadá como fuente de fuerza electromotriz en la telegrafía
antes de que la dinamo estuviera disponible, y siguen siendo ampliamente
utilizados para este servicio, o como pilas «locales». Las baterías del tipo de
«gravedad» y el de Edison-Lalande siguen siendo muy utilizados en sistemas de
«circuito cerrado».10
En el
siglo XIX, el término éter luminífero, lo que significa portador de luz, fue el
término utilizado para describir un medio para la propagación de la luz.57 La
palabra «éter» deriva vía latín del griego αιθήρ, a partir de una raíz que significa
encender, grabar, o hacer sol. Significa la sustancia que se pensaba en la
antigüedad que cubría las regiones superiores del espacio, más allá de las
nubes.
[editar]Maxwell, Hertz, y Tesla
James Clerk Maxwell
En
1864, James Clerk Maxwell de Edimburgo, anunció su teoría electromagnética de
la luz, que fue quizás el paso más grande en el conocimiento del mundo de la
electricidad.58 Maxwell había estudiado y comentado en el ámbito de la
electricidad y el magnetismo tan pronto como 1855-56, cuando fue leída 'On
Faraday's lines of force', en la Cambridge Philosophical Society. El documento
presenta un modelo simplificado de trabajo de Faraday, y cómo estaban
relacionados los dos fenómenos. Redujo todo el conocimiento actual en un
conjunto enlazado de ecuaciones diferenciales con 20 ecuaciones con 20
variables. Este trabajo fue publicado posteriormente como On Physical Lines of
Force en marzo de 1861.59
Alrededor
de 1862, mientras ejercía docencia en el King's College, Maxwell calculó que la
velocidad de propagación de un campo electromagnético es aproximadamente la de
la velocidad de la luz. Consideró que se trataba más que sólo una coincidencia,
y comentó: «Difícilmente podemos evitar la conclusión de que la luz consiste en
ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos
eléctricos y magnéticos.»60
Trabajando
sobre el problema, Maxwell mostró61 que las ecuaciones predicen la existencia
de ondas de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan a través del
espacio vacío a una velocidad que se podría predecir de sencillos experimentos
eléctricos. Utilizando los datos disponibles en su época, Maxwell obtuvo una
velocidad de 310.740.000 m/s. En su artículo de 1864 «Una Teoría Dinámica del Campo
Electromagnético», Maxwell escribió «El acuerdo de los resultados parece
demostrar que la luz y el magnetismo son aspectos de una misma sustancia, y que
la luz es una perturbación electromagnética, propagada a través del campo de
acuerdo a las leyes electromagnéticas».62
Como ya
se dijo aquí Faraday, y antes de él, Ampere y otros, había atisbos de que el
éter lumínico del espacio es también el medio para la acción eléctrica. Era
conocido por el cálculo y la experiencia que la velocidad de la electricidad
era de aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, es decir, igual a la
velocidad de la luz, lo que en sí mismo sugiere la idea de una relación entre
la electricidad y la «luz».
Algunos
de los primeros filósofos o matemáticos, como Maxwell, del siglo XIX, mantenían
la opinión de que los fenómenos electromagnéticos se podían explicar por la
acción a distancia. Maxwell, siguiendo a Faraday, sostuvo que la base de los
fenómenos se encontraba en el medio. Los métodos de los matemáticos para llegar
a sus resultados fueron sintéticos mientras que los métodos de Faraday fueron
analíticos. Faraday en su mente, vio líneas de fuerza que atraviesan todo el
espacio donde los matemáticos vieron centros de fuerza de atracción a
distancia. Faraday buscó la base de los fenómenos en acciones reales que viajan
por el medio; mientras los os se contentaron con haber encontrado una fuerza de
acción a distancia en los fluidos eléctricos.63
Ambos
métodos, como señaló Maxwell, habían logrado explicar la propagación de la luz
como un fenómeno electromagnético, mientras a la vez los conceptos
fundamentales de las cantidades en cuestión eran radicalmente diferentes. Los
matemáticos supusieron que los aisladores eran barreras para las corrientes
eléctricas; que, por ejemplo, en una botella de Leyden o en condensador
eléctrico la electricidad acumulada en una placa y que por alguna acción oculta
la acción a distancia con que la electricidad de signo contrario era atraída
por la otra placa. Maxwell, yendo más lejos que Faraday, razonó que si la luz
es un fenómeno electromagnético y se puede transmitir a través de los
dieléctricos, como el vidrio, el fenómeno se debe a la naturaleza de las
corrientes electromagnéticas en los dieléctricos. Por lo tanto, sostuvo que en
la carga de un condensador, por ejemplo, la acción no se detenía en el
aislante, pero que las corrientes «de desplazamiento» se establecen en el medio
aislante, que las corrientes continuarán hasta que la resistencia del medio sea
igual a la de la fuerza de la carga. En un conductor de un circuito cerrado una
corriente eléctrica es también un desplazamiento de la electricidad.
El
conductor ofrece una cierta resistencia, similar a la fricción, al
desplazamiento, y el calor producido en el conductor, es proporcional como ya se
dijo al cuadrado de la intensidad de corriente, siempre que la fuerza eléctrica
la continúe impulsando. Esta resistencia se puede comparar con que sufre un
buque cuando en su avance desplaza el agua. La resistencia del dieléctrico es
de naturaleza diferente y se ha comparado con la compresión de multitud de
resortes, que, bajo compresión, reaccionan con un incremento la presión hacia
atrás, hasta un punto donde la presión total hacia atrás iguala a la presión
inicial. Cuando la presión inicial se retira, la energía gastada en la
compresión de los «resortes» regresa al circuito, junto con el regreso de los
resortes a su condición original, lo que produce una reacción en la dirección
opuesta. En consecuencia, la corriente debida al desplazamiento de la electricidad
en un conductor puede ser continua, mientras que las corrientes de
desplazamiento en un dieléctrico son momentáneos y, en un circuito o medio que
tiene, poca resistencia en comparación con la capacidad o la inductancia, las
corrientes de descarga son de naturaleza oscilatoria o alternante.64
Maxwell
amplió este punto de vista de las corrientes de desplazamiento en los
dieléctricos al éter del espacio. Suponiendo que la luz sea la manifestación de
alteraciones de las corrientes eléctricas en el éter, y vibrando al ritmo de
las vibraciones de la luz, estas vibraciones por inducción crean las
correspondientes vibraciones en porciones adyacentes del éter, y de esta manera
las ondulaciones que corresponden a las de la luz se propagan como un efecto
electromagnético en el éter. La teoría electromagnética de Maxwell de la luz,
obviamente implicaba la existencia de ondas eléctricas en el espacio, y sus
seguidores se dedicaron a la tarea de demostrar experimentalmente la veracidad
de la teoría.
En
1887, el Prof. Heinrich Hertz en una serie de experimentos demostró la
existencia real de tales ondas. El descubrimiento de ondas eléctricas en el
espacio condujo naturalmente al descubrimiento y la introducción a finales del
siglo XIX de la telegrafía sin hilos, varios de cuyos sistemas se utilizan y se
han utilizado sucesivamente en barcos, faros y la costa y estaciones de todo el
mundo, por medio de la cual el conocimiento se transmite a través de los
amplios océanos y la mayor parte de los continentes.
Nikola
Tesla, hacia 1896
En
1891, se realizaron notables aportaciones a nuestro conocimiento de los
fenómenos electromagnéticos a alta frecuencia y alto potencial por Nikola
Tesla.65 Entre los nuevos experimentos realizados por Tesla, uno de ellos fue a
tomar en su mano un tubo de vidrio del que se había extraído el aire, y
posteriormente poner su cuerpo en contacto con un conductor que transporte
corriente de alto potencial, el tubo se bañó con una luz brillante agradable.
Otro experimento consistió en colocar un bulbo suspendido de un único cable
conectado a un circuito de corriente de alto potencial y alta frecuencia,
entonces un botón de platino dentro del bulbo brillaba con una viva
incandescencia, mientras el experimentador se mantenía de pie sobre una plataforma
de aislamiento. La frecuencia y el potencial implicados en los experimentos
realizados por Tesla en esta época, fueron del orden de uno o más millones de
ciclos y voltios». Para obtener más información relativa a estos experimentos,
el lector puede remitirse a la obra de Tesla «Experimentos con Corrientes
Alternas de Alto Potencial y Alta Frecuencia».10
[editar]Finales
de siglo
Las
teorías sobre la electricidad fueron sufriendo cambios al finales del siglo 19.
De hecho, puede decirse verdaderamente que la tendencia de toda la
investigación científica conduce ahora a la conclusión de que la materia en su
análisis final es de naturaleza eléctrica - de hecho es la electricidad la
teoría en que se basa este punto de vista, denominada teoría electrónica o teoría
eléctrica de la materia.66 Esta teoría (o mejor, hipótesis) en una palabra,
supone que el átomo de materia, lejos de ser indivisible, como suponían las
teorías más antiguas, se compone de cuerpos más pequeños denominados
electrones, que estos electrones son de naturaleza eléctrica, y por
consiguiente, toda la materia en última instancia, es eléctrica, los átomos de
los diferentes elementos de la materia consisten en un cierto número de
electrones, así, 700 en el átomo de hidrógeno y 11.200 en el átomo de oxígeno.
Esta teoría de la materia en varias de sus características más importantes no
apareció de un día para otro, ni se debe a las investigaciones de un solo
hombre o a la concepción de una mente. Así, en cuanto a la opinión de que el
átomo no es una partícula indivisible de materia, sino que está compuesto de
electrones numerosas, muchos científicos han declarado durante años todos los
elementos son modificaciones de una hipotética sustancia simple, protilo, «la
materia indiferenciada del universo». Tampoco la teoría es completamente nueva
en su suposición de que toda la materia es eléctrica.10
William
Crookes
El
electrón como una unidad de carga en electroquímica fue propuesto por G.
Johnstone Stoney en 1874, quien ttambién acuñó el término «electrón» en 1894.
El Plasma fue identificado por primera vez en un Tubo de Crookes, y así
descrito por Sir William Crookes en 1879 (lo llamó «materia radiante»).67 El
estudio de la electricidad condujo al descubrimiento de los bellos fenómenos
del tubo de Crookes (debidos a Sir William Crookes), a saber, los rayos
catódicos,68 y más tarde al descubrimiento de los rayos Roentgen o Rayos X, no
debe pasarse por alto que sin la electricidad como excitante del tubo el
descubrimiento de los rayos pudo haberse pospuesto indefinidamente. Se ha
señalado aquí que el Dr. William Gilbert fue llamado el fundador de la ciencia
eléctrica. Esto se debe, sin embargo, considerar como una declaración
comparativa.10
A
finales de 1890 un número de físicos propusieron que la electricidad, como
habían observado en los estudios de conducción eléctrica en conductores,
electrólitos y tubo de rayos catódicos, se componía de unidades discretas, a
las que dieron una gran variedad de nombres, pero la realidad de estas unidades
no se había confirmado de una forma convincente. Sin embargo, existían también
indicios de que los rayos catódicos tenían propiedades de onda.10
Faraday,
Wilhelm Weber Weber, Helmholtz, Clifford y otros tenían atisbos de este punto
de vista, y el trabajo experimental de Zeeman, Goldstein, Crookes, J.J. Thomson
y otros han reforzado en gran medida esta opinión. Hace más de 35 años, Weber
predijo que los fenómenos eléctricos se debían a la existencia de los átomos
eléctricos, cuya influencia sobre otros depende de su posición y velocidades y
aceleraciones relativas. Helmholtz y otros, sostuvieron también que la
existencia de los átomos eléctricos seguía las leyes de Faraday de la
electrólisis, y Johnstone Stoney, a quien se debe el término «electrón», mostró
que cada ion químico del electrolito descompuesto tansporta una cantidad
definida y constante de electricidad, y en la medida en que estos iones se
separan en los electrodos como sustancias neutras debe haber un instante,
aunque sea breve, en el que las cargos deben ser capaces de existir por
separado, como átomos eléctricos; mientras, en 1887, William Kingdon Clifford
escribió: «Hay grandes razones para creer que cada átomo material transporta
una pequeña corriente eléctrica, si no enteramente compuesto de esta
corriente.»10
J.J.
Thomson
En
1896, Thomson realizó experimentos que indicaban que los rayos catódicos
realmente eran partículas, encontró un valor exacto de su relación carga-masa
e/m, y encontró que el cociente e/m era independiente del material del cátodo.
Hizo buenas estimaciones tanto de la carga e como la masa m, encontrando que
las partículas de los rayos catódicos, que él llamó «corpúsculos», tenía
aproximadamente una milésima de la masa del ion de menor masa conocido
(hidrógeno). Mostró además que las partículas de carga negativa producidas por
materiales radiactivos, por materiales calentados, y por materiales iluminados,
era universal. La naturaleza de la materia del tubo de Crookes «rayos
catódicos» fue identificado por Thomson en 1897.69
A
finales de 1800, el experimento de Michelson-Morley fue realizado por Albert
Michelson y Edward Morley en lo que hoy es la Case Western Reserve University.
Este experimento es considerado como «la prueba contra la teoría del éter
lumínico. El experimento también se ha denominado «el punto de partida para los
aspectos teóricos de la Segunda Revolución Científica».70 Fundamentalmente por
este trabajo, Albert Michelson fue galardonado con el Premio Nobel en 1907.
Dayton Miller continuó con los experimentos, realizando miles de medidas y,
finalmente, desarrollando el interferómetro más exacto del el mundo en ese
momento. Miller y otros, como Morley, continuaron las observaciones y
experimentos que tratan de los conceptos.71 Una serie de propuestas podría
explicar el resultado nulo, pero estas hipótesis eran más complejas, con
tendencia al uso arbitrario de coeficientes y de suposiciones físicas.10
Hacia
el final del siglo XIX los ingenieros eléctricos eran una profesión distinta,
separada de físicos e inventores. Crearon las empresas que investigaron,
desarrollaron y perfeccionaron las técnicas de transmisión de electricidad, y
ganaron el apoyo de gobiernos en todo el mundo para comenzar la primera red de
telecomunicación eléctrica mundial, la red de telégrafo eléctrico. Entre los
pioneros en este campo se incluyen Werner von Siemens, fundador de Siemens AG
en 1847, y John Pender, fundador Cable & Wireless.
El
final del siglo XIX produjo gigantes de la ingeniería eléctrica, como Nikola
Tesla, inventor del motor de inducción polifásico.72 La primera demostración
pública de un «sistema alternador» tuvo lugar en 1886.73 74 Grandes generadores
de corriente alterna de dos fases fueron construidos por un electricista
británico, J.E.H. Gordon, en 1882. Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también
desarrolló tempranos alternadores, que produzcían frecuencias de entre 100 y
300 hertz. En 1891, Nikola Tesla patentó un práctico alternador de «alta
frecuencia» (que operaba cerca de 15.000 hertzios).75 Después de 1891, se
introdujeron los alternadores polifásicos para suministrar corriente de muchas
fases diferentes.76 Más tarde, los alternadores fueron diseñados para
frecuencias de corriente alterna que variaba entre los dieciséis y cerca de un
centenar de Hertz, para uso con lámparas de arco, lámparas incandescentes y
motores eléctricos.77
La
posibilidad de obtener la corriente eléctrica en grandes cantidades, y
económicamente, por medio de máquinas dinamo dio un nuevo impulso al desarrollo
de la luz de incandescencia y las lámparas de arco. Hasta que estas máquinas
alcanzaron un nivel comercial las pilas voltaicas eran la única fuente
disponible de la corriente para la iluminación eléctrica y la potencia. Sin
embargo, el coste de estas baterías y las dificultades para mantenerlas en un
funcionamiento confiable fueron su uso prohibitivos para fines de iluminación
práctica. La fecha del empleo de lámparas de arco e incandescente parece ser de
alrededor de 1877.10
Incluso
en 1880, sin embargo, se habían realizado pocos progresos en el uso general de
estos tipos de iluminación; el rápido crecimiento posterior de esta industria
es una cuestión de conocimiento general.78 El empleo de baterías, que
originalmente se llamaron baterías secundarias o acumuladores, comenzó
alrededor de 1879. Estas baterías son utilizadas en gran cantidad, como
auxiliares a la dinamo en las casas y las subestaciones, en automóviles
eléctricos y, en inmensas cantidades en sistemas de encendido y arranque de
automóvil, también en la telegrafía de alarma contra incendios y sistemas de
señales.10
World's
Fair Tesla presentation
En
1893, la Exposición Internacional de Chicago se celebró en un edificio que
estaba dedicado a exposiciones eléctricas. La empresa General Electric (apoyada
por Edison y J.P. Morgan) propuso suministrar energía para las exposiciones
eléctrica con corriente eléctrica a un coste de un millón de dólares. Sin
embargo, Westinghouse, armado con el sistema de corriente alterna de Tesla,
propuso iluminar la Exposición Internacional de Chicago por la mitad de ese
coste, y Westinghouse ganó la licitación. Fue un momento histórico y el
comienzo de una revolución, la forma como Nikola Tesla y George Westinghouse,
introdujeron al público a la energía eléctrica al iluminar la Exposición.
[editar]Segunda
Revolución industrial
Artículo
principal: Segunda Revolución industrial.
Thomas
Edison.
El
motor de corriente alterna nos ayudó en la Segunda revolución industrial. El
rápido avance de la tecnología eléctrica a finales del siglo XIX y principios
del XX condujo a rivalidades comerciales. En la Guerra de Corrientes a finales
de la década de 1880, George Westinghouse y Thomas Edison se convirtieron en
adversarios debido a la promoción de Edison de la corriente continua (DC o CC)
para la distribución de la energía eléctrica frente a la corriente alterna (AC)
abogada por Westinghouse y Nikola Tesla. Las patentes de Tesla y el trabajo
teórico constituyeron la base de los modernos sistemas de energía eléctrica de
corriente alterna, incluyendo los sistemas polifásicos de distribución de
energía.79 80
Varios
inventores ayudaron a desarrollar sistemas comerciales. Samuel Morse, inventor
de un telégrafo de largo alcance, Thomas A. Edison, inventor de la primera red
comercial de distribución de energía eléctrica, George Westinghouse, inventor
de la locomotora eléctrica, [ [Alexander Graham Bell]], inventor del teléfono y
fundador de un negocio de telefonía con éxito.
En 1871
el telégrafo eléctrico había crecido en grandes proporciones y se encontraba en
uso en todos los países civilizados del mundo, sus líneas formaban una red en
todas direcciones sobre la superficie terrestre. El sistema más generalizado en
uso era el telégrafo electromagnético, debido a S.F.B. Morse, de Nueva York, o
modificaciones de su sistema.81 Los cables submarinos82 que conectan los
hemisferios oriental y occidental también estaban en funcionamiento con éxito
en ese momento.10
Sin
embargo, cuando en 1918 uno ve la mayoría de las aplicaciones de la
electricidad a la luz eléctrica, ferrocarriles eléctricos, energía eléctrica y
otros fines (ello hecho posible y factible por la perfección de la dínamo), es
difícil creer que no más allá de 1871 el autor de un libro publicado en ese
año, al referirse al estado de la técnica de la aplicación de electricidad en
ese momento, pudiera verdaderamente haber escrito: «Lo más importante y notable
de los usos que se han hecho de la electricidad consiste en su aplicación a los
fines telegráficos».83 La declaración fue, sin embargo, bastante precisa y tal
vez el tiempo podría haber sido prorrogados hasta el año 1876 sin modificaciones
importantes de las observaciones. En ese año, se inventó el teléfono, debido a
Alexander Graham Bell, pero no fue sino hasta varios años después que su empleo
comercial comenzó en serio. Desde aquel momento, también las ramas hermanas de
la electricidad que acabamos de mencionar avanzaron y están avanzando con pasos
agigantados en todas direcciones por lo que es difícil poner un límite a su
progreso.10
Charles
Proteus Steinmetz, teórico de la corriente alterna.
La
corriente alterna sustituyó a la corriente continua en las centrales de
generación y distribución de energía eléctrica, extendiendo enormemente el
rango y mejorando la seguridad y la eficiencia de la distribución de energía.
El sistema de distribución de corriente continua a bajo voltaje de Edison
perdió finalmente frente a los dispositivos de CA propuestos por otros: en
primer lugar los sistemas polifásicos de Tesla, y también de otros
contribuyentes, como Charles Proteus Steinmetz (en 1888, estaba trabajando para
Westinghouse en Pittsburgh84 ). El exitoso sistema de las Cataratas del Niágara
fue un punto de inflexión en la aceptación de la corriente alterna. Finalmente,
la compañía General Electric (formada por la fusión entre las empresas Edison y
la rival basada en la corriente alterna Thomson-Houston) comenzaron a fabricar
máquinas de CA.
La
corriente alterna sustituyó a la continua en centrales de generación y
distribución de energía, extendiendo enormemente el rango y la mejora de la
seguridad y eficiencia de la distribución de energía. El sistema de
distribución de corriente continua a bajo voltaje de Edison perdió en última
instancia frente a los dispositivos de CA propuestas por los demás: en primer
lugar por los sistemas polifásicos de Tesla, y también de otros contribuyentes,
como Charles Proteus Steinmetz (en 1888, trabajaba para Westinghouse en
Pittsburgh84 ). El exitoso sistema de las Cataratas del Niágara fue un punto de
inflexión en la aceptación de la corriente alterna. Finalmente, la compañía
General Electric (formada por la fusión entre las empresas de Edison y de la
AC-basado rival Thomson-Houston) basada en la corriente alterna comenzó la
fabricación de máquinas de CA. La generación de energía centralizada se hizo
posible cuando se reconoció que las lineas de energía eléctrica corriente
alterna pueden transportar electricidad a bajo costo a través de grandes
distancias, aprovechando la capacidad de cambiar el voltaje a lo largo de la
vía de distribución utilizando los transformadores. La tensión se eleva en el
punto de generación (un número representativo es un generador de tensión de un
rango menor del kilovoltio) a un voltaje muy superior (de decenas de miles a
varios cientos de miles de voltios) para la transmisión primaria, seguida de
varias transformaciones a la baja, hasta alcanzar la baja tensión alcanzada por
ejemplo en el uso doméstico residencial.10
La
Exhibición Electrotécnica Internacional de 1891 se realizó mediante la
transmisión a larga distancia de corriente eléctrica trifásica. Realizada entre
el 16 de mayo y 19 de octubre en un sitio en desuso entre las tres
«Westbahnhöfe» (Estaciones de ferrocaril de la Western) en Fráncfort del Meno,
la exposición presentó la primera transmisión a larga distancia de corriente
eléctrica trifásica a alta potencia, generada a 175 kilómetros de distancia en
Lauffen am Neckar. Como resultado de esta exitosa prueba de campo, la corriente
trifásica se estableció para las redes de transmisión eléctrica en todo el
mundo.10
Mucho
se ha hecho en dirección a la mejora de las facilidades de las terminales del
ferrocarril, y era difícil encontrar un ingeniero del ferrocarril a vapor que
negara que todos los ferrocarriles de vapor importantes de este país no iban a
ser operados eléctricamente. En otras direcciones, era de esperar el curso de los
acontecimientos en cuanto a la utilización de la energía eléctrica fuera igual
de rápido. En cada parte del mundo la energía de la caída del agua, máquina de
movimiento perpetuo de la naturaleza que ha estado fluyendo desde el principio
del mundo, está siendo ahora convertida en electricidad y transmitida por
cables de cientos de kilómetros a los puntos donde es empleada de forma útil y
económica.10 85
La
utilización extensiva de agua que cae no se limita a las caídas de agua
naturales. En cientos de lugares en los que haya una caída de 12 a 120 m en un
recorrido de 15 a 500 kilómetros, hay disponibles cientos de cientos de miles
de caballos de potencia para ser agregados mediante métodos adecuados de
hidráulica, la energía así empleada contribuye así, en gran medida a la
conservación de la limitada cantidad de carbón del mundo. Así, se ha sido
propuesto la construcción de una presa en el río Niágara, al pie del cañón,
donde se dispondría de otra fuente de energía hidráulica igual a la que está
actualmente disponible. El río Jchlun en Cachemira, en la India, tiene una
caída de 75 metros en una distancia de 130 kilómetros con un caudal mínimo de
120.000 litros por segundo, y ha comenzado a desarrollar 1.000.000 caballos de
potencia eléctrica, lo que representa, una parte considerable de la que se
pretende utilizar en la producción de nitrato de cal para fertilizantes,
combinando mediante poderosas corrientes eléctricas la piedra caliza que abunda
en esta región con el nitrógeno del aire, una combinación que ingenieros
daneses han demostrado que es viable comercialmente, y que un producto
inagotable en el tiempo puede estar económicamente disponible para reponer la
poca calidad de las tierras agrícolas de América y otros países. Ahora podían
realizarse los sueños del ingeniero eléctrico era que la producción directa de
electricidad a partir de carbón sin la intervención de la máquina de vapor con
sus métodos de desperdicio.10
El
primer molino de viento para la producción de electricidad fue construida en
Escocia en julio de 1887 por profesor James Blyth de Anderson's College ,
Glasgow (el precursor de la Universidad de Strathclyde. by Trevor Price, 2003,
Wind Engineering, vol 29 no. 3, pp 191-200]</ref>. Al otro lado del
Atlántico, en Cleveland, Ohio 1877-1888 Charles F. Brush,86 diseñó y construyó
una máquina más grande y de alta ingeniería, por su empresa de ingeniería en su
propia casa, que funcionó desde 1886 hasta 1900.87 La turbina de viento Brush
tenía un rotor de 17 m de diámetro y estaba montado en una torre de 18 m de
altura. Aunque grande para los estándares de hoy día, la máquina rendía
solamente 12 kW; rotaba relativamente lenta, ya que tenía 144 hojas. La dinamo
conectada se utiliza tanto para cargar un banco de baterías o para operar hasta
100 bombillas incandescentes, tres lámparas de arco, y varios motores en el
laboratorio de Brush. La máquina cayó en desuso después de 1900, cuando se
dispuso de electricidad desde las estaciones centrales de Cleveland, y fue
abandonado en 1908.88
[editar]Siglo
XX
A
principios del siglo XX, Millikan midió la carga del electrón y Lorentz, junto
con su pupilo Zeeman, ganaron el Premio Nobel de Física en 1902 por su
investigación sobre la influencia del magnetismo en la radiación, originando la
radiación electromagnética.
Las
implicaciones teóricas del electromagnetismo llevaron a Albert Einstein a la
publicación de la teoría de la relatividad especial, en 1905. A su vez la
reformulación relativista del electromagnetismo clásico, llevo a la formulación
de la electrodinámica clásica. Y más tarde con la consideración de los efectos
cuánticos se formuló la electrodinámica cuántica.
En otra
publicación de 1905, Einstein puso en los pilares del electromagnetismo
clásico. Su teoría del efecto fotoeléctrico (por el cual ganó un premio Nobel
de física en 1921) proponía que la luz podría existir en cantidades en forma de
partículas discretas, que más tarde serían llamadas fotones.
La
teoría de Einstein del efecto fotoeléctrico extendió la forma de ver la
solución de la catástrofe ultravioleta, presentada por Max Planck en 1900. En
su trabajo, Planck mostró que los elementos calientes emiten radiación
electromagnética en paquetes discretos, que conducen a una energía total finita
emitida como radiación de cuerpo negro. Ambos resultados estaban en
contraposición directa con el punto de vista clásico de la luz como una onda
continua. Las teorías de Planck y Einstein fueron las que dieron origen a la
mecánica cuántica, que, al ser formulada allá en 1925, requirió de la invención
de una teoría cuántica del electromagnetismo. A esta teoría, completada en la
década de los 1940, se le conoce como electrodinámica cuántica (o de sus siglas
del inglés, QED) y es una las teorías más exactas que la física conoce.
Se han
adoptado y nombrado, por representantes de los institutos de ingeniería
eléctrica de todo el mundo, varias unidades de electricidad y magnetismo las
cuales posteriormente se han confirmado y legalizado por los Gobiernos de los
Estados Unidos y de otros países. Así, la «V» voltio, del italiano Volta, se ha
adoptado como unidad práctica de la fuerza electromotriz, el «Ω» (Ohm) -el enunciador de la ley
de Ohm-, como unidad práctica de resistencia, el «A» Ampere, del eminente
científico francés de ese nombre, como unidad práctica de intensidad de
corriente, el «Henry» como unidad práctica de la inductancia, de Joseph Henry,
y en reconocimiento de su temprano e importante trabajo experimental en la
inducción mutua.89
[editar]Lorentz
and Poincaré
Artículo
principal: Historia de la Relatividad Especial.
Hendrik
Lorentz
Entre
1900 y 1910, muchos científicos como Wilhelm Wien, Max Abraham, Hermann
Minkowski, o Gustav Mie creían que todas las fuerzas de la naturaleza eran de
origen electromagnético (la llamada «visión del mundo electromagnética»). Esto
estaba relacionado con la teoría electrónica desarrollada entre 1892 y 1904 por
Hendrik Lorentz. Lorentz introdujo una estricta separación entre la materia
(electrones) y el éter, donde en su modelo el éter está completamente inmóvil,
y no puede ponerse en movimiento en las proximidades de la materia ponderable.
Contrariamente a otros modelos electrónicos anteriores, el campo
electromagnético del éter aparece como un mediador entre los electrones y los
cambios en este campo no puede propagarse más rápido que la velocidad de la
luz. Lorentz explicó teóricamente el Efecto Zeeman sobre la base de esta
teoría, por la que recibió el Premio Nobel de Física en 1902. Un concepto
fundamental de la teoría de Lorentz en 1895 era el «teorema de los estados
correspondientes» para los términos de orden v/c. Este teorema establece que un
observador en movimiento (en relación con el éter) en su campo «ficticio» hace
las mismas observaciones que los observadores en reposo en su campo «real».
Este teorema fue prorrogado en términos de todos los órdenes por Lorentz en
1904. Lorentz enunció que era necesario cambiar las variables de espacio-tiempo
variables cuando cambiamos elmarco de referencia e introducimos conceptos
físicos como la contracción de la longitud (1892) para explicar el experimento
de Michelson-Morley, y el concepto matemático de la Simultaneidad (1895) para
explicar la aberración de la luz y la experimento de Fizeau. Esto dio lugar a
la formulación de las llamadas transformaciones de Lorentz por Joseph Larmor
(1897, 1900) y Lorentz (1899, 1904).90 91 92
Henri
Poincaré
Continuando
el trabajo de Lorentz, Henri Poincaré entre 1895 y 1905 formuladas en muchas
ocasiones el Principio de la Relatividad y trató de armonizarla con la
electrodinámica. Declaró que la simultaneidad sólo era una convención
conveniente que depende de la velocidad de la luz, en el que la constancia de
la velocidad de la luz sería un útil postulado para hacer las leyes de la
naturaleza tan simple como sea posible. En 1900 interpretó el tiempo local de
Lorentz como el resultado de la sincronización del reloj por las señales
luminosas, e introdujo el momento electromagnético mediante atribución de
energía electromagnética a la masa «ficticia» . Y, finalmente, en junio y julio
de 1905 se declaró el principio de relatividad de una ley general de la
naturaleza, qu incluye la gravitación. Corrigió algunos errores de Lorentz y
demostró la covarianza de Lorentz de las ecuaciones electromagnéticas. Poincaré
también descubrió que existen fuerzas no eléctricas para estabilizar la
configuración electrónica y afirmó que la gravedad es también una fuerza
eléctrica. Aunque la visión del mundo electromagnético mostrada por Poincaré
resultó no ser válida, ya que mantuvo la noción de un éter y todavía distinguía
entre el tiempo «aparente» y el «real» y por lo tanto no llegó inventar lo que
hoy se denomina relatividad especial.92 93 94 95 96 97
[editar]Annus
Mirabilis de Einstein
Artículo
principal: Albert Einstein.
En
1905, mientras trabajaba en la oficina de patentes, Albert Einstein publicó
cuatro artículos en «Anales de Física» (Annalen der Physik), la principal
revista alemana de física. Estos son los documentos que la historia ha venido a
llamar los documentos Annus Mirabilis:
Su
documento sobre la naturaleza de las partículas de la luz propuso la idea de
que algunos resultados experimentales, en particular, el efecto fotoeléctrico,
podría entenderse de una forma simple desde el postulado de que la luz
interactúa con la materia como «paquetes» discretos (cuantos) de energía, una
idea que había sido introducida por Max Planck en 1900 como una manipulación
puramente matemática, y que parecía contradecir las teorías ondulatoria de la
luz contemporáneas (Einstein, 1905a). Este fue el único trabajo de Einstein de
que él mismo llamó «revolucionario».
Su
documento sobre el movimiento browniano explica el movimiento aleatorio de
objetos muy pequeños como prueba directa de la acción molecular, apoyando así
la teoría atómica. (Einstein, 1905b).
Su
documento sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento introduce la
teoría radical de la relatividad especial, que demostró que la independencia
observada de la velocidad de la luz del estado de movimiento de los
observadores requieren cambios fundamentales en la noción noción de
simultaneidad. Las consecuencias de esto incluyen el marco de referencia del
espacio-tiempo de un cuerpo en movimiento: dilatación del tiempo y contracción
de la longitud (en la dirección del movimiento) en relación con el marco de
referencia del observador. Este documento también sostuvo que la idea de un
éter luminífero, -una de las principales entidades en la física teórica en
aquel momento-, era superflua. {{harv|Einstein|1905c))
En su
documento sobre la equivalencia masa-energía (que antes se consideraban
conceptos distintos), Einstein dedujo de sus ecuaciones de la relatividad
especial lo que más tarde se convirtió en la conocida expresión: , que sugiere
que pequeñas cantidades de masa podría ser convertidos en grandes cantidades de
energía. (Einstein, 1905d).
Todos
estos cuatro documentos son actualmente reconocidos como grandes logros - y por
lo tanto, 1905 es conocido como el año maravilloso de Einstein. En su tiempo,
sin embargo, no fueron percibidas por la mayoría de los físicos como
importantes, y muchos de los que los leyeron los rechazaron de plano. Alguno de
estos trabajos -tales como la teoría de los cuantos de luz- sigue siendo polémico
desde hace años.98 99
[editar]Electricidad
Inalámbrica
Artículo
principal: Transferencia inalámbrica de energía.
El
término «electricidad inalámbrica» describe un forma de transferencia de
energía inalámbrica, es decir, la capacidad de proporcionar energía eléctrica a
objetos a distancia sin utilizar cables. El término WiTricity fue acuñado en
2005 por Dave Gerding y posteriormente utilizado para un proyecto dirigido por
el Prof. Marin Soljacic en 2007.100 101
Investigadores
del MIT demostraron con éxito la capacidad de encender una bombilla de 60
vatios de forma inalámbrica, usando dos bobinas de cobre de 5 vueltas de 60 cm de diámetro, que
estaban situadas a 2 m
de distancia, con aproximadamente un 45% de eficiencia.102 Esta tecnología
puede utilizarse potencialmente en una gran variedad de aplicaciones, incluidos
los consumidores, industriales, médicas y militares. Su objetivo es reducir la
dependencia de las baterías. Otras aplicaciones de esta tecnología incluyen la
transmisión de la información, ya que que no interfieren con las ondas de radio
y por lo tanto podría utilizarse como un dispositivo de comunicación barato y
eficaz sin necesidad de una licencia o permiso del Gobierno. Plantilla:Más
information, ver
No hay comentarios:
Publicar un comentario