VI. CAMPO EL�CTRICO Y CAMPO MAGN�TICO

ADEM�S de sus notables descubrimientos experimentales Faraday hizo una contribuci�n te�rica que ha tenido una gran influencia en el desarrollo de la f�sica hasta la actualidad: el concepto de l�nea de fuerza y asociado a �ste, el de campo.

Oersted hab�a escrito que el efecto magn�tico de una corriente el�ctrica que circula por un alambre conductor se esparce en el espacio fuera del alambre. De esta forma la aguja de una br�jula lo podr� sentir y girar debido a la fuerza que experimenta.

Por otro lado, ya desde tiempos de Gilbert se hab�an hecho experimentos como el mencionado en el cap�tulo IV, el de una barra magn�tica con limaduras de hierro, donde se puede apreciar que las limaduras se orientan a lo largo de ciertas l�neas.

Asimismo, desde la �poca de Newton se trat� de encontrar el mecanismo por medio del cual dos part�culas separadas cierta distancia experimentan una fuerza, por ejemplo, la de atracci�n gravitacional. Entre los cient�ficos de esa �poca y hasta tiempos de Faraday se estableci� la idea de que exist�a la llamada acci�n a distancia. Esto significa que las dos part�culas experimentan una interacci�n instant�nea. As�, por ejemplo, si una de las part�culas se mueve y cambia la distancia entre ellas, la fuerza cambia instant�neamente al nuevo valor dado en t�rminos de la nueva distancia entre ellas.

Antes de Faraday la idea de las l�neas de fuerza se hab�a tratado como un artificio matem�tico. Estas l�neas de fuerza ya se hab�an definido de la siguiente forma: supongamos que hay una fuerza entre dos tipos de part�culas, por ejemplo, el�ctricas. Sabemos que si son de cargas iguales se repelen, mientras que si sus cargas son opuestas se atraen. Consideremos una part�cula el�ctrica positiva (Figura 8(a)), que llamaremos 1. Tomemos ahora otra part�cula, la 2, tambi�n positiva, pero de carga mucho menor que la 1. A esta part�cula 2 la llamaremos de prueba, pues con ella veremos qu� pasa en el espacio alrededor de la part�cula 1. La fuerza entre ellas se muestra en la figura. Ahora dejemos que la part�cula de prueba se mueva un poco. Debido a que es repelida por la 1 se alejar� y llegar� a una nueva posici�n que se muestra en la figura 8(b). Si se vuelve a dejar que la part�cula de prueba se mueva un poco llegar� a otra posici�n, y as� sucesivamente. La trayectoria que sigue la part�cula de prueba al moverse en la forma descrita es una l�nea de fuerza. Nos damos cuenta de que la fuerza que experimenta la part�cula de prueba es siempre tangente a la l�nea de fuerza. Ahora podemos repetir la experiencia colocando la part�cula de prueba en otro lugar y as� formar la l�nea de fuerza correspondiente. De esta manera podemos llenar todo el espacio que rodea a la part�cula 1 de l�neas de fuerza, y nos percatamos de que todas ellas salen de la part�cula 1.

Si la part�cula 1 fuera de carga negativa, las l�neas de fuerza tendr�an sentido opuesto a las anteriores, pues la part�cula 1 atraer�a a la 2.

De esta forma se pueden encontrar las l�neas de fuerza de cualquier conjunto de cargas el�ctricas. En general �stas son l�neas curvas que empiezan en cargas positivas y terminan en cargas negativas.

Figura 8. Forma en que se define la l�nea de fuerza del campo el�ctrico.

En cada caso la fuerza que experimentar�a una part�cula de prueba de carga positiva que se colocara en cualquier punto del espacio tendr�a una direcci�n que ser�a tangente a la l�nea de fuerza en ese punto.

Podemos por tanto afirmar que para cualquier distribuci�n de carga la(s) part�cula(s) crea(n) una situaci�n en el espacio a su alrededor tal, que si se coloca una part�cula de prueba en cualquier punto, la fuerza que experimenta la part�cula de prueba es tangente a la l�nea de fuerza. Se dice que cualquier distribuci�n de carga el�ctrica crea a su alrededor una situaci�n que se llama campo el�ctrico.

De manera completamente an�loga se pueden definir las l�neas de fuerza magn�ticas. Al colocar una limadura de hierro �sta se magnetiza y se orienta en una direcci�n tangente a la l�nea de fuerza. Las limaduras de hierro desempe�an el papel de sondas de prueba para investigar qu� situaci�n magn�tica se crea alrededor de los agentes que crean el efecto magn�tico. En el cap�tulo anterior hablamos del efecto magn�tico que se produce en el espacio. Este efecto es el campo magn�tico.

Al cambiar la disposici�n de las cargas el�ctricas, imanes o corrientes el�ctricas, es claro que las l�neas de fuerza que producen en el espacio a su alrededor tambi�n cambian. El efecto que se produce en el espacio constituye un campo. As� tenemos tanto un campo el�ctrico como uno magn�tico. Por tanto, un campo es una situaci�n que un conjunto de cargas el�ctricas o imanes y corrientes el�ctricas producen en el espacio que los rodea.

Fue Faraday quien proporcion� una realidad f�sica a la idea de campo, y bas�ndose en ello se dio cuenta de que si se cambia la posici�n f�sica de cualquier part�cula el�ctrica en una distribuci�n, entonces el campo el�ctrico que rodea a �sta tambi�n deber� cambiar y por tanto, al colocar una part�cula de prueba en cualquier punto, la fuerza que experimenta cambiar�. Sin embargo, a diferencia de la acci�n a distancia, estos cambios tardan cierto intervalo de tiempo en ocurrir, no son instant�neos. Otro ejemplo es cuando una corriente el�ctrica que circula por un alambre cambia abruptamente. Faraday se pregunt� si el cambio en el campo magn�tico producido ocurr�a instant�neamente o si tardaba en ocurrir, pero no pudo medir estos intervalos de tiempo ya que en su �poca no se dispon�a del instrumental adecuado. (Incluso hizo varios intentos infructuosos por dise�ar un instrumento que le sirviera a este prop�sito al final de su vida.) Sin embargo, no tuvo la menor duda de que en efecto transcurr�a un intervalo finito de tiempo en el que se propagaba el cambio. As�, Faraday argument� que la idea de acci�n a distancia no pod�a ser correcta.

Hemos de mencionar que no fue sino hasta el a�o de 1887 cuando se midi� en un laboratorio por primera vez, y se comprob� que este tipo de propagaci�n ocurre en un tiempo finito. El experimento fue hecho por Heinrich Hertz y lo describiremos m�s adelante.

Faraday dio otro argumento para rechazar la idea de acci�n a distancia. La fuerza entre dos part�culas el�ctricamente cargadas no solamente depende de la distancia entre ellas sino tambi�n de lo que haya entre ellas. Si las part�culas est�n en el vac�o, la fuerza tendr� cierto valor, pero si hay alguna sustancia entre ellas el valor de la fuerza cambiar�. Faraday realiz� varios experimentos para confirmar sus afirmaciones. Escribi� que el medio que se encuentre entre las part�culas causa una diferencia en la transmisi�n de la acci�n el�ctrica, lo que ocasiona que no pueda haber acci�n a distancia. Por lo tanto, la acci�n entre las part�culas se debe transmitir, punto a punto, a trav�s del medio circundante.

Fue en 1837 que Faraday propuso la idea de que la l�nea de fuerza ten�a realidad f�sica. Con ello demostr� tener una gran intuici�n f�sica para entender los fen�menos electromagn�ticos. Hay que mencionar que debido a que no ten�a preparaci�n matem�tica adecuada, por no haber asistido a una escuela de ense�anza superior, Faraday no pudo desarrollar la teor�a matem�tica del campo electromagn�tico, hecho que tuvo que esperar hasta Maxwell. Sin embargo, tuvo el genio extraordinario para describir esta idea de manera gr�fica.