IV. �HAY RELACI�N ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO?
LAS personas que en diferentes �pocas investigaron y estudiaron las propiedades de la electricidad no concibieron que hubiera alguna relaci�n entre este tema y el magnetismo. Hasta fines del siglo XVIII estos dos campos fueron completamente ajenos.
Sin embargo, desde principios del mencionado siglo se inici� la b�squeda de una posible relaci�n entre electricidad y magnetismo. Por ejemplo, como Franklin sab�a que cuando ca�a una tormenta hab�a efectos el�ctricos en la atm�sfera, trat� infructuosamente de magnetizar una aguja de hierro en una tormenta. Por otro lado, en el a�o de 1774 la Academia Electoral de Baviera, en Alemania, ofreci� un premio para la persona que resolviera la siguiente cuesti�n: �Hay una analog�a real y f�sica entre las fuerzas el�ctricas y magn�ticas? En vano se trat� de encontrar una respuesta afirmativa. Incluso Coulomb, que hab�a medido las fuerzas entre cargas el�ctricas por un lado y entre polos de imanes, por el otro, en la d�cada de 1780 afirm� que estas fuerzas eran de naturalezas f�sicas distintas, a pesar de que sus magnitudes depend�an de la distancia de la misma forma (v�anse los cap�tulos II y III). Fue un profesor dan�s quien en 1820 obtuvo por primera vez una respuesta afirmativa a la cuesti�n propuesta.
Hans Christian Oersted (1777-1851), profesor de filosof�a natural en la Universidad de Copenhague, inici� en 1807 sus investigaciones sobre los efectos de la electricidad en la aguja magn�tica de una br�jula. En ese a�o, y posteriormente en 1812 public� varios ensayos en los que arg��a, apoyado en consideraciones filos�ficas, que la electricidad y el magnetismo deber�an estar relacionados. Sus argumentos se basaban en la creencia de la unidad de todas las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, no present� ning�n resultado experimental que verificara sus conclusiones. Oersted estuvo consciente de esta falla en su argumentaci�n y trat� de verificarla realizando una serie de experimentos con corrientes el�ctricas. Durante muchos a�os Oersted no obtuvo ning�n resultado positivo, en gran parte debido a que las fuentes de corriente de que dispon�a eran pilas voltaicas de muy baja intensidad. Despu�s de muchos a�os, en 1820, durante una clase en que estaba presentando a sus alumnos ciertos experimentos el�ctricos, encontr� que una corriente el�ctrica s� tiene un efecto sobre un im�n. La experiencia de Oersted fue la siguiente.
Coloc� un alambre por el que circulaba corriente el�ctrica encima de una br�jula y observ� que la aguja se desviaba hacia el oeste.
En seguida coloc� este alambre debajo de la br�jula y vio que la aguja tambi�n se desviaba, pero ahora, hacia el este.
Oersted entonces concluy� que para que la aguja imantada de la br�jula se pudiera mover tuvo que experimentar una fuerza magn�tica, y que la corriente el�ctrica del alambre tuvo que generarla. Por lo tanto, una corriente el�ctrica produce un efecto magn�tico. Ahora bien, este efecto magn�tico de la corriente el�ctrica no puede quedar confinado dentro del alambre conductor, sino que tiene que estar esparcido en todo el espacio a su alrededor, para que llegue, por as� decirlo, hasta donde est� la aguja. Esta fue la primera vez que alguien mencion� la idea de que el efecto magn�tico debe estar disperso en todo el espacio, y como veremos m�s adelante constituye la idea b�sica del campo magn�tico.
Oersted public� estos resultados en un peque�o folleto de seis p�ginas en lat�n, como se acostumbraba en ese entonces, que envi� a las diferentes sociedades cient�ficas europeas. Este trabajo caus� inmediatamente sensaci�n, dio lugar a muchas interrogantes y estimul� una r�faga de investigaciones, principalmente en Francia.
Los experimentos de Oersted se repitieron en muchos lugares, en particular en el Congreso de Investigadores Suizos que se llev� a cabo en Ginebra, Suiza, en el verano de 1820, al que asisti� el cient�fico franc�s Fran�ois Arago (1786-1853).
A su regreso a Par�s, Arago report� a la Academia de Ciencias lo que presenci� en Ginebra. Sus miembros oyeron estos resultados pero se mostraron muy esc�pticos, y s�lo se convencieron hasta que presenciaron una demostraci�n directa el 11 de septiembre. Una persona que estuvo presente en esa sesi�n fue Andr�-Marie Amp�re (1775-1836), amigo de Arago, profesor suplente en la Sorbona y gran matem�tico.
Amp�re empez� a investigar el efecto en su casa. Para empezar se dio cuenta de que Oersted no hab�a entendido correctamente el fen�meno, ya que no hab�a tomado en cuenta el efecto del magnetismo terrestre. Amp�re dise�� entonces un experimento en el que �ste fuera neutralizado. As� encontr� el verdadero efecto que ten�a la corriente el�ctrica sobre la aguja imantada: �sta siempre se alinea en una direcci�n perpendicular a la direcci�n de la corriente el�ctrica.
Una semana despu�s de haber presenciado la demostraci�n de Arago, el 18 de
septiembre, Amp�re present� a la Academia la primera de una serie de memorias
de gran importancia: hizo sus presentaciones semanalmente hasta el 2 de noviembre
y en cada ocasi�n anunci� nuevos resultados. Adem�s de la correcci�n a los experimentos
de Oersted, inform� lo siguiente el 18 de septiembre (Figura 4):
| Arregl� dos partes rectas de dos alambres conductores
que est�n unidos en sus extremos con dos pilas voltaicas, en direcciones
paralelas. Un alambre estaba fijo y el otro suspendido sobre puntos, de
manera que pudiera moverse hacia el alambre fijo o separarse de �l, pero
siempre paralelo a �l. Observ� entonces que cuando hac�a pasar una corriente
de electricidad en ambos alambres simult�neamente, se atra�an cuando las
corrientes ten�an el mismo sentido y se repel�an cuando ten�an sentidos
opuestos. |
Figura 4. Esquema del experimento con el que Amp�re descubri� que dos alambres
(el GH y el BC) que conducen electricidad ejercen fuerza entre
s�.
Amp�re determin� tambi�n que estas fuerzas entre los alambres que conduc�an corriente el�ctrica se deb�an a efectos magn�ticos: un alambre que conduce electricidad crea un efecto magn�tico a su alrededor (un campo), y el otro alambre, que tambi�n conduce corriente el�ctrica, experimenta una fuerza. Es decir, propuso que el magnetismo que produce la corriente el�ctrica en uno de los alambres genera a su vez una fuerza sobre el otro alambre que conduce electricidad. Pudo verificar que estas fuerzas no se deb�an a las cargas el�ctricas que circulaban por cada uno de los alambres.
A partir de sus experimentos Amp�re encontr� que las fuerzas entre los alambres dependen de la magnitud de las corrientes que circulan por ellos. A mayor corriente en cada alambre, mayor ser� la magnitud de la fuerza.
Posteriormente, Amp�re descubri� que aun si los alambres no eran paralelos tambi�n hab�a fuerzas entre ellos si ambos conduc�an corriente el�ctrica, y que las caracter�sticas de estas fuerzas depend�an de la colocaci�n geom�trica en que se encontraran. Amp�re encontr� c�mo calcular la fuerza electromagn�tica entre dos conductores de electricidad que tuvieran posiciones y formas arbitrarias. Esto se ha llamado la ley de Amp�re y es una de las leyes fundamentales del electromagnetismo. Hemos de mencionar una salvedad para la aplicaci�n de esta ley: corno posteriormente Maxwell apreci�, la ley de Amp�re est� restringida para el caso en que las corrientes que circulan por los alambres no cambien con el tiempo.
Maxwell pudo ampliar la ley de Amp�re para que se pudiera aplicar en el caso de que las corrientes s� var�en al transcurrir el tiempo (v�ase el cap�tulo XIV).
Este descubrimiento de Amp�re ha tenido una repercusi�n muy importante; como veremos m�s adelante, este efecto es la base del funcionamiento de los motores el�ctricos.
En la misma serie de experimentos del oto�o de 1820 Amp�re se dio cuenta de
que una aguja de im�n pod�a detectar una corriente el�ctrica, y bas�ndose en
esta idea construy� un instrumento al que llam� galvan�metro, nombre que conserva
hasta el d�a de hoy. Esta invenci�n de Amp�re ha sido primordial ya que toda
la ciencia y tecnolog�a del electromagnetismo no se hubieran podido desarrollar
sin tener un instrumento que midiera corrientes el�ctricas. En su comunicaci�n
a la Academia, Amp�re dijo:
[...] faltaba un instrumento que nos permitiera detectar
la presencia de una corriente el�ctrica en una pila o en un conductor
y que indicara su intensidad y sentido. El instrumento ya existe; todo
lo que se necesita es que la pila, o alguna porci�n del conductor, se
coloque horizontalmente, orientado en la direcci�n del meridiano magn�tico
(N) y que la aguja de la br�jula se coloque sobre la pila, ya sea arriba
o abajo de la porci�n del conductor [...] Creo que a este instrumento
se le deber�a dar el nombre de "galvan�metro" y que deber�a ser usado
en todos los experimentos con corrientes el�ctricas, [...] para poder
ver en cada instante si existe una corriente e indicar su intensidad.
|
Antes de esta invenci�n de Amp�re, la forma en que los experimentadores decid�an si hab�a corriente era haci�ndola pasar por sus cuerpos: as�, mientras m�s fuerte fuera la sensaci�n que ten�an, conclu�an que mayor era la intensidad de la corriente. Es claro que de esta forma la ciencia del electromagnetismo no hubiera llegado muy lejos.
El galvan�metro inventado por Amp�re se convirti� r�pidamente en un instrumento vital en la investigaci�n de fen�menos el�ctricos y magn�ticos. Posteriormente se mejor� y adicion�, pero las bases de su funcionamiento se han conservado.
Al enrollar un alambre conductor en forma cil�ndrica, con muchas vueltas, obtenemos un dispositivo que se llama solenoide o bobina. Si en seguida se conectan los extremos de la bobina a una pila voltaica, empieza a circular por el alambre una corriente el�ctrica. Resulta que la bobina produce un efecto magn�tico que no se puede distinguir del efecto producido por las barras de im�n. Si se colocan dos barras de im�n debajo de una cartulina que tenga esparcidas homog�neamente limaduras de hierro, entonces cada una de �stas se imanta y empieza a moverse hasta que forman una configuraci�n caracter�stica. Si se repite el experimento pero en lugar de la barra se coloca una bobina por la que circula corriente el�ctrica, entonces se observa que las limaduras de hierro empiezan a moverse y terminan en una configuraci�n id�ntica a la que hab�an formado con la barra de im�n. Esto indica que la bobina se comporta como una barra de im�n.
Con base en estas experiencias, Amp�re lleg� a la convicci�n de que todos los fen�menos magn�ticos tienen su origen en el movimiento de cargas el�ctricas, incluyendo el magnetismo que produce un im�n. La hip�tesis que formul� fue que el magnetismo no es m�s que una corriente el�ctrica que se mueve en c�rculo. Para el caso de un im�n, supuso que estas corrientes ocurren, hablando en el lenguaje de hoy en d�a, dentro de las mol�culas que forman al im�n mismo.
En resumen, como consecuencia de los trabajos de Oersted y Amp�re se descubri� que una corriente el�ctrica tiene efectos magn�ticos id�nticos a los que produce un im�n. Adem�s, de la misma forma en que hay fuerzas entre imanes, tambi�n existen fuerzas entre alambres que conducen corrientes el�ctricas.
A partir de 1822 Amp�re se dedic� a formular matem�ticamente, con mucha precisi�n y elegancia, todos los descubrimientos que hab�a hecho. En el a�o de 1826 public� un libro, Teor�a de fen�menos electrodin�micos deducidos del experimento en donde presenta, de manera muy elaborada, los resultados de sus investigaciones.
En cap�tulos posteriores trataremos varias aplicaciones que se hicieron de los descubrimientos de Amp�re, pero antes veremos otro descubrimiento de fundamental importancia.
