IV. ¿HAY RELACIÓN ENTRE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO?

LAS personas que en diferentes épocas investigaron y estudiaron las propiedades de la electricidad no concibieron que hubiera alguna relación 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 inició la búsqueda de una posible relación entre electricidad y magnetismo. Por ejemplo, como Franklin sabía que cuando caía una tormenta había efectos eléctricos en la atmósfera, trató infructuosamente de magnetizar una aguja de hierro en una tormenta. Por otro lado, en el año de 1774 la Academia Electoral de Baviera, en Alemania, ofreció un premio para la persona que resolviera la siguiente cuestión: ¿Hay una analogía real y física entre las fuerzas eléctricas y magnéticas? En vano se trató de encontrar una respuesta afirmativa. Incluso Coulomb, que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas por un lado y entre polos de imanes, por el otro, en la década de 1780 afirmó que estas fuerzas eran de naturalezas físicas distintas, a pesar de que sus magnitudes dependían de la distancia de la misma forma (véanse los capítulos II y III). Fue un profesor danés quien en 1820 obtuvo por primera vez una respuesta afirmativa a la cuestión propuesta.

Hans Christian Oersted (1777-1851), profesor de filosofía natural en la Universidad de Copenhague, inició en 1807 sus investigaciones sobre los efectos de la electricidad en la aguja magnética de una brújula. En ese año, y posteriormente en 1812 publicó varios ensayos en los que argñía, apoyado en consideraciones filosóficas, que la electricidad y el magnetismo deberían estar relacionados. Sus argumentos se basaban en la creencia de la unidad de todas las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, no presentó ningún resultado experimental que verificara sus conclusiones. Oersted estuvo consciente de esta falla en su argumentación y trató de verificarla realizando una serie de experimentos con corrientes eléctricas. Durante muchos años Oersted no obtuvo ningún resultado positivo, en gran parte debido a que las fuentes de corriente de que disponía eran pilas voltaicas de muy baja intensidad. Después de muchos años, en 1820, durante una clase en que estaba presentando a sus alumnos ciertos experimentos eléctricos, encontró que una corriente eléctrica sí tiene un efecto sobre un imán. La experiencia de Oersted fue la siguiente.

Colocó un alambre por el que circulaba corriente eléctrica encima de una brújula y observó que la aguja se desviaba hacia el oeste.

En seguida colocó este alambre debajo de la brújula y vio que la aguja también se desviaba, pero ahora, hacia el este.

Oersted entonces concluyó que para que la aguja imantada de la brújula se pudiera mover tuvo que experimentar una fuerza magnética, y que la corriente eléctrica del alambre tuvo que generarla. Por lo tanto, una corriente eléctrica produce un efecto magnético. Ahora bien, este efecto magnético de la corriente eléctrica 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 así decirlo, hasta donde está la aguja. Esta fue la primera vez que alguien mencionó la idea de que el efecto magnético debe estar disperso en todo el espacio, y como veremos más adelante constituye la idea básica del campo magnético.

Oersted publicó estos resultados en un pequeño folleto de seis páginas en latín, como se acostumbraba en ese entonces, que envió a las diferentes sociedades científicas europeas. Este trabajo causó inmediatamente sensación, dio lugar a muchas interrogantes y estimuló una ráfaga de investigaciones, principalmente en Francia.

Los experimentos de Oersted se repitieron en muchos lugares, en particular en el Congreso de Investigadores Suizos que se llevó a cabo en Ginebra, Suiza, en el verano de 1820, al que asistió el científico francés Franñois Arago (1786-1853).

A su regreso a París, Arago reportó a la Academia de Ciencias lo que presenció en Ginebra. Sus miembros oyeron estos resultados pero se mostraron muy escépticos, y sólo se convencieron hasta que presenciaron una demostración directa el 11 de septiembre. Una persona que estuvo presente en esa sesión fue André-Marie Ampñre (1775-1836), amigo de Arago, profesor suplente en la Sorbona y gran matemático.

Ampñre empezó a investigar el efecto en su casa. Para empezar se dio cuenta de que Oersted no había entendido correctamente el fenómeno, ya que no había tomado en cuenta el efecto del magnetismo terrestre. Ampñre diseñó entonces un experimento en el que éste fuera neutralizado. Así encontró el verdadero efecto que tenía la corriente eléctrica sobre la aguja imantada: ésta siempre se alinea en una dirección perpendicular a la dirección de la corriente eléctrica.

Una semana después de haber presenciado la demostración de Arago, el 18 de septiembre, Ampñre presentó 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 ocasión anunció nuevos resultados. Además de la corrección a los experimentos de Oersted, informó lo siguiente el 18 de septiembre (Figura 4):

Arreglé dos partes rectas de dos alambres conductores que están 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 él, pero siempre paralelo a él. Observé entonces que cuando hacía pasar una corriente de electricidad en ambos alambres simultáneamente, se atraían cuando las corrientes tenían el mismo sentido y se repelían cuando tenían sentidos opuestos.

Figura 4. Esquema del experimento con el que Ampñre descubrió que dos alambres (el GH y el BC) que conducen electricidad ejercen fuerza entre sí.

Ampñre determinó también que estas fuerzas entre los alambres que conducían corriente eléctrica se debían a efectos magnéticos: un alambre que conduce electricidad crea un efecto magnético a su alrededor (un campo), y el otro alambre, que también conduce corriente eléctrica, experimenta una fuerza. Es decir, propuso que el magnetismo que produce la corriente eléctrica 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 debían a las cargas eléctricas que circulaban por cada uno de los alambres.

A partir de sus experimentos Ampñre encontró que las fuerzas entre los alambres dependen de la magnitud de las corrientes que circulan por ellos. A mayor corriente en cada alambre, mayor será la magnitud de la fuerza.

Posteriormente, Ampñre descubrió que aun si los alambres no eran paralelos también había fuerzas entre ellos si ambos conducían corriente eléctrica, y que las características de estas fuerzas dependían de la colocación geométrica en que se encontraran. Ampñre encontró cómo calcular la fuerza electromagnética entre dos conductores de electricidad que tuvieran posiciones y formas arbitrarias. Esto se ha llamado la ley de Ampñre y es una de las leyes fundamentales del electromagnetismo. Hemos de mencionar una salvedad para la aplicación de esta ley: corno posteriormente Maxwell apreció, la ley de Ampñre está restringida para el caso en que las corrientes que circulan por los alambres no cambien con el tiempo.

Maxwell pudo ampliar la ley de Ampñre para que se pudiera aplicar en el caso de que las corrientes sí varíen al transcurrir el tiempo (véase el capítulo XIV).

Este descubrimiento de Ampñre ha tenido una repercusión muy importante; como veremos más adelante, este efecto es la base del funcionamiento de los motores eléctricos.

En la misma serie de experimentos del otoño de 1820 Ampñre se dio cuenta de que una aguja de imán podía detectar una corriente eléctrica, y basándose en esta idea construyó un instrumento al que llamó galvanómetro, nombre que conserva hasta el día de hoy. Esta invención de Ampñre ha sido primordial ya que toda la ciencia y tecnología del electromagnetismo no se hubieran podido desarrollar sin tener un instrumento que midiera corrientes eléctricas. En su comunicación a la Academia, Ampñre dijo:

[...] faltaba un instrumento que nos permitiera detectar la presencia de una corriente eléctrica 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 porción del conductor, se coloque horizontalmente, orientado en la dirección del meridiano magnético (N) y que la aguja de la brújula se coloque sobre la pila, ya sea arriba o abajo de la porción del conductor [...] Creo que a este instrumento se le debería dar el nombre de "galvanómetro" y que debería ser usado en todos los experimentos con corrientes eléctricas, [...] para poder ver en cada instante si existe una corriente e indicar su intensidad.

Antes de esta invención de Ampñre, la forma en que los experimentadores decidían si había corriente era haciéndola pasar por sus cuerpos: así, mientras más fuerte fuera la sensación que tenían, concluían que mayor era la intensidad de la corriente. Es claro que de esta forma la ciencia del electromagnetismo no hubiera llegado muy lejos.

El galvanómetro inventado por Ampñre se convirtió rápidamente en un instrumento vital en la investigación de fenómenos eléctricos y magnéticos. Posteriormente se mejoró y adicionó, pero las bases de su funcionamiento se han conservado.

Al enrollar un alambre conductor en forma cilíndrica, 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 eléctrica. Resulta que la bobina produce un efecto magnético que no se puede distinguir del efecto producido por las barras de imán. Si se colocan dos barras de imán debajo de una cartulina que tenga esparcidas homogéneamente limaduras de hierro, entonces cada una de éstas se imanta y empieza a moverse hasta que forman una configuración característica. Si se repite el experimento pero en lugar de la barra se coloca una bobina por la que circula corriente eléctrica, entonces se observa que las limaduras de hierro empiezan a moverse y terminan en una configuración idéntica a la que habían formado con la barra de imán. Esto indica que la bobina se comporta como una barra de imán.

Con base en estas experiencias, Ampñre llegó a la convicción de que todos los fenómenos magnéticos tienen su origen en el movimiento de cargas eléctricas, incluyendo el magnetismo que produce un imán. La hipótesis que formuló fue que el magnetismo no es más que una corriente eléctrica que se mueve en círculo. Para el caso de un imán, supuso que estas corrientes ocurren, hablando en el lenguaje de hoy en día, dentro de las moléculas que forman al imán mismo.

En resumen, como consecuencia de los trabajos de Oersted y Ampñre se descubrió que una corriente eléctrica tiene efectos magnéticos idénticos a los que produce un imán. Además, de la misma forma en que hay fuerzas entre imanes, también existen fuerzas entre alambres que conducen corrientes eléctricas.

A partir de 1822 Ampñre se dedicó a formular matemáticamente, con mucha precisión y elegancia, todos los descubrimientos que había hecho. En el año de 1826 publicó un libro, Teoría de fenómenos electrodinámicos deducidos del experimento en donde presenta, de manera muy elaborada, los resultados de sus investigaciones.

En capítulos posteriores trataremos varias aplicaciones que se hicieron de los descubrimientos de Ampñre, pero antes veremos otro descubrimiento de fundamental importancia.