V. FARADAY. LA INDUCCI�N ELECTROMAGN�TICA

LOS trabajos de Amp�re se difundieron r�pidamente en todos los centros activos de investigaci�n de la �poca, causando gran sensaci�n. Un joven investigador ingl�s, Michael Faraday (1791-1867) se empez� a interesar en los fen�menos el�ctricos y repiti� en su laboratorio los experimentos tanto de Oersted como de Amp�re. Una vez que entendi� cabalmente el fondo f�sico de estos fen�menos, se plante� la siguiente cuesti�n: de acuerdo con los descubrimientos de Oersted y Amp�re se puede obtener magnetismo de la electricidad, �ser� posible que se obtenga electricidad del magnetismo? De inmediato inici� una serie de experimentos para dar respuesta a esta pregunta.

Faraday fue uno de los m�s ilustres cient�ficos experimentales del siglo XIX. Hijo de un herrero y con estudios de educaci�n elemental, ya que no tuvo oportunidad de ense�anza de mayor nivel, empez� a trabajar como aprendiz de librero en 1808, dedic�ndose a la encuadernaci�n. Como pasatiempo le�a los libros que le tra�an los clientes, en particular los de qu�mica y electricidad, lo que abri� ante sus ojos un nuevo mundo, despert�ndose en �l un gran inter�s por aumentar sus conocimientos. As� empez� a estudiar cursos nocturnos que ofrec�a en la Royal Institution (Instituci�n Real para el Desarrollo de las Ciencias) el cient�fico Humphry Davy. Esta instituci�n hab�a sido fundada en 1799 y desde 1801 su director era Davy, uno de los cient�ficos m�s prestigiados de Inglaterra. Faraday escribi� notas del curso que llev� con Davy.

En 1812 Davy recibi� una solicitud de trabajo de Faraday, cuyo empleo de aprendiz como encuadernador estaba por concluir. Mand� al profesor, como prueba de su capacidad, las notas que hab�a escrito en el curso que el mismo Davy hab�a dictado. Faraday fue contratado como asistente de laboratorio en 1813, comenzando as� una ilustre carrera en la Royal Institution, que dur� hasta su retiro, en 1861. De asistente pas� a reemplazante temporal de Davy, y finalmente fue su sucesor.

Faraday public� su primer trabajo cient�fico en 1816 y fue elegido miembro de la Royal Institution en 1827. Se dedic� durante mucho tiempo al estudio de los fen�menos qu�micos. Entre los logros de Faraday se pueden mencionar el reconocimiento de nuevos compuestos qu�micos, el trabajo sobre la licuefacci�n de los gases, el descubrimiento de las leyes de la electr�lisis, la demostraci�n de que sin importar c�mo se produjera la electricidad siempre era la misma ya que produc�a en todos los casos los mismos efectos. Posiblemente sus mayores descubrimientos fueron la inducci�n electromagn�tica y la idea de campo. En este cap�tulo hablaremos de la primera y dedicaremos otro cap�tulo al concepto de campo.

Faraday inici� en 1825 una serie de experimentos con el fin de comprobar si se pod�a obtener electricidad a partir del magnetismo. Pero no fue sino hasta 1831 que pudo presentar sus primeros trabajos con respuestas positivas.

Despu�s de muchos intentos fallidos, debidamente registrados en su diario, Faraday obtuvo un indicio en el oto�o de 1831. El experimento fue el siguiente. Enroll� un alambre conductor alrededor de un n�cleo cil�ndrico de madera y conect� sus extremos a un galvan�metro G; �sta es la bobina A de la figura 5. En seguida enroll� otro alambre conductor encima de la bobina anterior. Los extremos de la segunda bobina, B en la figura, los conect� a una bater�a. La argumentaci�n de Faraday fue la siguiente: al cerrar el contacto C de la bater�a empieza a circular una corriente el�ctrica a lo largo de la bobina B. De los resultados de Oersted y Amp�re, se sabe que esta corriente genera un efecto magn�tico a su alrededor. Este efecto magn�tico cruza la bobina A, y si el magnetismo produce electricidad, entonces por la bobina A deber�a empezar a circular una corriente el�ctrica que deber�a poder detectarse por medio del galvan�metro.

Sus experimentos demostraron que la aguja del galvan�metro no se mov�a, lo cual indicaba que por la bobina A no pasaba ninguna corriente el�ctrica.

Sin embargo, Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la bater�a ocurr�a una peque�a desviaci�n de la aguja de galvan�metro. Tambi�n se percat� de que en el momento en que desconectaba la bater�a la aguja del galvan�metro se desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluy� que en un intervalo de tiempo muy peque�o, mientras se conecta y se desconecta la bater�a, si hay corriente en la bobina B. Siguiendo esta idea Faraday descubri� que efectivamente se producen corrientes el�ctricas s�lo cuando el efecto magn�tico cambia, si �ste es constante no hay ninguna producci�n de electricidad por magnetismo.

Al conectar el interruptor en el circuito de la bobina B de la figura 5 el valor de la corriente el�ctrica que circula por �l cambia de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto magn�tico que produce esta corriente a su alrededor tambi�n cambia de cero a un valor distinto de cero. De la misma manera, cuando se desconecta la bater�a la corriente en el circuito cambia de un valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magn�tico.

Figura 5. Esquema del experimento de Faraday con que descubri� la inducci�n electromagn�tica.

Por otro lado, cuanto est� circulando una corriente con el mismo valor todo el tiempo, hecho que ocurre cuando la bater�a est� ya conectada, el efecto magn�tico que produce la bobina tambi�n es constante y no cambia con el tiempo.

Recordemos que la intensidad del efecto magn�tico producido por una corriente el�ctrica depende del valor de la corriente: mientras mayor sea este valor mayor ser� la intensidad del efecto magn�tico producido.

Faraday realiz� diferentes experimentos en los cuales el efecto magn�tico que produc�a y atravesaba una bobina daba lugar a que se produjera una corriente el�ctrica en esta bobina. Otro experimento que realiz� fue el siguiente: enroll� una bobina A en un anillo de hierro dulce circular y sus extremos los conect� a un galvan�metro. Enroll� otra bobina B en el mismo anillo y sus extremos los conect� a una bater�a. Al conectar el interruptor de la bater�a empez� a circular una corriente por la bobina B. Esta corriente gener� un efecto magn�tico a su alrededor, en particular dentro del anillo de hierro dulce. Como consecuencia, el anillo se magnetiz� y el efecto magn�tico producido cruz� tambi�n a la bobina A. Faraday se dio cuenta, nuevamente, que s�lo hab�a movimiento de la aguja del galvan�metro cuando se conectaba y desconectaba la bater�a. Cuando flu�a por la bobina B una corriente de valor constante, la aguja del galvan�metro no se mov�a, lo que indicaba que por la bobina A no hab�a corriente alguna.

Despu�s de muchos experimentos adicionales Faraday lleg� a una conclusi�n muy importante. Para ello defini� el concepto de flujo magn�tico a trav�s de una superficie de la siguiente forma: supongamos que un circuito formado por un alambre conductor es un c�rculo. Sea A el �rea del c�rculo. Consideremos en primer lugar el caso en que la direcci�n del efecto magn�tico sea perpendicular al plano que forma el c�rculo (Figura 6) y sea B la intensidad del efecto. El flujo magn�tico a trav�s de la superficie es el producto de B con el �rea del c�rculo, o sea, (BA). En segundo lugar consideremos el caso en que la direcci�n del efecto magn�tico no sea perpendicular al plano del c�rculo. Si proyectamos la superficie del c�rculo perpendicularmente a la direcci�n del efecto, se obtiene la superficie A'. El flujo magn�tico es ahora igual a (BA'). Llamaremos al �rea A' el �rea efectiva. El flujo es, por tanto, igual a la magnitud del efecto magn�tico multiplicada por el �rea efectiva.

Figura 6. A trav�s de la superficie hay un flujo magn�tico.

Si el efecto magn�tico que cruza el plano del circuito de la figura 6 cambia con el tiempo, entonces, de acuerdo con el descubrimiento de Faraday se genera, o como se ha convenido en llamar, se induce una corriente el�ctrica a lo largo del alambre que forma el circuito.

Sin embargo, Faraday descubri� otra cosa muy importante. Lo que realmente debe cambiar con el tiempo para que se induzca una corriente el�ctrica es el flujo magn�tico a trav�s de la superficie que forma el circuito el�ctrico. Por supuesto que si el efecto magn�tico cambia con el tiempo, entonces el flujo que produce tambi�n cambiar�. Pero puede ocurrir que el flujo cambie sin que el efecto cambie. En efecto, si el �rea efectiva de la superficie cambia, manteni�ndose el valor del efecto constante, entonces el flujo cambiar�. El descubrimiento de Faraday indica que en este caso tambi�n se inducir� una corriente el�ctrica en el circuito. Una manera de cambiar el �rea efectiva del circuito es, por ejemplo, haciendo girar la espiral del circuito (Figura 7) alrededor del eje LL, perpendicular al efecto magn�tico. En este caso el flujo magn�tico cambia con el tiempo y se induce una corriente en el circuito, sin que el efecto magn�tico hubiese cambiado. Vemos claramente que se puede cambiar el �rea efectiva de muchas otras maneras. Adem�s, puede ocurrir que cambien simult�neamente tanto el valor del efecto como el �rea efectiva con el consecuente cambio del flujo magn�tico.

Figura 7. Se puede lograr que el flujo a trav�s de la superficie cambie con el tiempo, haci�ndola girar alrededor del eje LL.

Lo importante es que si el flujo neto cambia entonces se induce una corriente el�ctrica. Este descubrimiento lleva el nombre de ley de inducci�n de Faraday y es uno de los resultados m�s importantes de la teor�a electromagn�tica.

Mientras mayor sea el cambio del flujo, mayor ser� el valor de la corriente el�ctrica que se inducir� en el alambre conductor. De esta forma nos damos cuenta de que se pueden lograr valores muy altos de corriente el�ctrica con s�lo cambiar el flujo magn�tico r�pidamente. As�, gracias a la ley de inducci�n de Faraday se puso a disposici�n de la humanidad la posibilidad de contar con fuentes de corrientes el�ctricas intensas. La manera de hacerlo fue por medio de generadores el�ctricos. Recu�rdese que hasta el descubrimiento de Faraday, las �nicas fuentes de electricidad disponibles eran la fricci�n entre dos superficies y por medio de bater�a o pilas voltaicas. En cualquiera de estos dos casos las cantidades de electricidad que se obten�an eran muy peque�as.

Como veremos en otros cap�tulos, la ley de inducci�n ha tenido aplicaciones pr�cticas que han cambiado el curso de la vida de la humanidad.

Antes de morir Humphry Davy dijo: "Mi mayor descubrimiento fue Michael Faraday."

Para finalizar este cap�tulo queremos destacar algunos aspectos importantes de la investigaci�n cient�fica. En primer lugar, Faraday pudo hacer su descubrimiento porque ten�a a su disposici�n dos elementos fundamentales: la bater�a o pila voltaica, inventada por Volta no muchos a�os antes, y el galvan�metro, inventado por Amp�re hac�a poco tiempo. Sin estos aparatos no hubiera podido hacer ning�n descubrimiento. En segundo lugar, Faraday pudo plantearse la pregunta acerca del efecto del magnetismo sobre la electricidad despu�s de que entendi� los descubrimientos tanto de Oersted como de Amp�re. Si no hubiera conocido �stos, ni Faraday ni ninguna otra persona hubiese podido plantear dicha cuesti�n. Estos aspectos son muy importantes, pues el avance de los conocimientos ocurre como la construcci�n de un edificio: se construye el segundo piso despu�s de haber construido el primero y as� sucesivamente. Se va avanzando en el conocimiento de la naturaleza bas�ndose en descubrimientos e invenciones hechos con anterioridad. Por ello, Isaac Newton una vez expres�: "Pude ver m�s lejos que otros porque estaba encima de los hombros de gigantes."