1.1 Electromagnetismo

En esta parta hablaremos de como el Magnetismo y la Electricidad están relacionadas y su importancia en la electrónica más adelante veremos las dos de manera individual.

Hay que entender una cosa importante tanto la naturaleza del magnetismo como la del la electricidad están ligadas, íntimamente relacionadas una con la otra es más en realidad estas dos (la electricidad y el magnetismo) resultan inseparables. Todo lo que posee un campo eléctrico tiene un campo magnético, y viceversa. Cuando se les consideran por separado, muestran numerosas semejanzas y puntos en común. Así, un imán tiene dos polos, que presentanu extremos opuestos, por así decirlo, de propiedades magnéticas. Nosotros los llamados "polo norte" y "polo sur" usualmente representados por una N y una S respectivamente. Existe una atracción entre los polos norte y sur, y una repulsión entre dos polos norte o entre dos polos sur.

Imán en U

De forma similar, un sistema eléctrico tiene dos extremo opuestos, que llamamos "carga positiva" y "carga negativa" , Aquí también existe una atracción entre una carga positiva y otra negativa, una repulsión entre dos cargas positivas o entre dos cargas negativas.

En cada caso, la atracción y la repulsión son de intensidad es igual. Sin embargo, queda una enorme diferencia entre estas dos. 

Imán recto

Suponga que tiene una varilla de electricidad completamente pura recubierta con material aislante en la que, de una forma u otra, se ha producido en un extremo una carga negativa y en la otra, una carga positiva. Si se rompe la varilla por la mitad, una de esas mitades tiene únicamente una carga completamente negativa, y la otra mitad es enteramente positiva. Y lo que es más, existen partículas subatómicas, como los electrones, que llevan sólo una carga negativa y otros, como los protones, que llevan solamente una carga positiva.

No obstante, supongamos que tiene un imán largo, con un polo norte en un extremo y un polo sur en el otro. Si lo rompemos por la mitad, ¿Podría existir una mitad enteramente polo norte y otra mitad enteramente polo sur? ¡No! Si se parte un imán en dos, la mitad del polo norte, al instante, desarrolla un polo sur en donde se ha roto, mientras que mitad del polo sur desarrolla en el punto de ruptura un polo norte. Es imposible hacer nada para que cualquier objeto posea sólo 1 polo magnético; ambos están siempre presentes. Incluso las partículas subatómicas que poseen una carga eléctrica y, por ende, un campo magnético asociado, poseen un polo norte y un polo sur no importa que. 

En 1791, el físico italiano Luigi Galvani (1737 a 1798) descubrió que los efectos eléctricos podían producirse cuando dos metales diferentes entraban en contacto. En 1800 este asunto fue más desarrollado por el físico italiano Alessandro Volta (1745 a 1827), que utilizó una serie (o "batería") de contactos de dos metales para producir un flujo continuo de electricidad. De pronto , todos los físicos de Europa se pusieron a estudiar la «electrodinámica».

Sin embargo, este descubrimiento hizo que la electricidad y el magnetismo parecieran más diferentes y distantes que nunca. Era fácil producir una corriente de cargas eléctricas móviles, pero ningún fenómeno análogo se observaba con los polos magnéticos.

Un físico danés, Hans Christian Oersted (1777-1851), vio las cosas de modo diferente. Mantuvo que existía una conexión entre electricidad y magnetismo. Una corriente eléctrica a través de un cable desarrollaba calor (este punto lo veremos mas adelante); si el cable era delgado, incluso desarrollaba luz. ¿No podía ser –argumentó Oersted en 1813, –que si el cable fuese aún más delgado, la electricidad obligada a pasar a través de él produjese efectos magnéticos? Desgraciadamente, Oersted pasaba tanto tiempo enseñando en la Universidad de Copenhague, que le quedaba muy poco para experimentar.

No obstante, en la primavera de 1820, se encontraba dando una conferencia sobre electricidad y magnetismo ante un auditorio general, y había un experimento que deseaba realizar pero que no había tenido tiempo de comprobar antes de la conferencia. Siguiendo un impulso, lo intentó en el transcurso de ésta. Colocó un cable delgado de platino encima de una brújula magnética, haciéndolo correr paralelo a la dirección norte-sur de la aguja, y luego hizo fluir una corriente a través del cable. Ante el asombro de Oersted (puesto que no se trataba precisamente del efecto que había imaginado), la aguja de la brújula se movió cuando se conectó la corriente. No fue una gran sacudida, y el público, al parecer, permaneció impasible sin ninguna muestra de interés, pero después de la conferencia, Oersted volvió a experimentar. Descubrió que, cuando se hacía pasar corriente por el cable en una dirección, la aguja de la brújula giraba en el sentido de las manecillas del reloj; cuando la corriente fluía en la otra dirección, lo hacía en sentido contrario a las manecillas del reloj. El 21 de julio de 1820 publicó su descubrimiento, y luego dejó correr el asunto. Pero ya había hecho suficiente.
Había establecido alguna clase de conexión entre electricidad y magnetismo, y los físicos se precipitaron a investigar más el asunto, con una avidez y pasión que no se volvió a ver hasta el descubrimiento de la fisión del uranio, más de un siglo después. Al cabo de pocos días, el físico francés Dominique F. J. Arago (1786-1853) mostró que un cable que llevase una corriente eléctrica atraía no sólo agujas magnetizadas, sino también a las limaduras de hierro ordinarias no magnetizadas, igual que lo haría un auténtico imán. Se trataba de un efecto magnético, absolutamente indistinguible del de los imanes corrientes, originado en la corriente eléctrica. Otro físico francés, André Marie Ampere (1775-1836), mostró que dos cables paralelos que estuviesen unidos a dos baterías separadas, de tal modo que la corriente fluyese a través de cada una en la misma dirección, se atraían mutuamente. Si la corriente fluía en direcciones opuestas, se repelían uno a otro. En otras palabras, las corrientes podían actuar como polos magnéticos.

Solenoide

Ampere enrolló un hilo en forma de solenoide, o hélice (como los muelles de colchón es un alambre enrollado en espiral sobre una armazón cilíndrica como un tubo) y descubrió que la corriente al fluir en la misma dirección en cada vuelta, producía un refuerzo. El efecto magnético era mucho más fuerte que si se hubiese producido en un hilo recto, y el solenoide actuaba exactamente igual que un imán de barra, con un polo norte y un polo sur.

En 1823, un experimentador inglés, William Sturgeon (1783 a 1850), colocó dieciocho vueltas de cobre simple en torno de una barra de hierro en forma de U, sin permitir que, en realidad, el hierro tocase la barra. Esto concentraba el efecto magnético aún más, hasta el punto que consiguió un «electroimán» (esto lo veremos en un post aparte).

Electroimán de Sturgeon

Con la corriente dada, el podía alzar veinte veces su propio peso en hierro. Con la corriente desconectada, ya no era un imán y no podía levantar nada.

Electroimán de Joseph Henry

En 1829, el físico estadounidense Joseph Henry (1797-1878) empleó cable aislado y enrolló innumerables vueltas en torno de una barra de hierro para producir un electroimán aún más potente. Hacia 1831, había conseguido un electroimán de no gran tamaño que podía levantar más de una tonelada de hierro.

Entonces se planteó la pregunta: dado que la electricidad produce magnetismo, ¿puede el

magnetismo producir también la electricidad?

El científico inglés Michael Faraday (1791 a 1867) demostró que la respuesta era Si. En 1831 colocó un imán de barra dentro de un solenoide de cable en el que no había conectada ninguna batería. Cuando metió el imán, se produjo una descarga de corriente eléctrica en una dirección (esto se observó con facilidad con un galvanómetro, que había sido inventado en 1820 empleando el descubrimiento de Oersted de que una corriente eléctrica haría mover una aguja magnetizada). Cuando retiró el imán, se produjo una descarga de electricidad en la dirección opuesta.

Entonces Faraday siguió con la construcción de un mecanismo en el que se hacía girar

continuamente un disco de cobre entre los polos de un imán. Se estableció así una corriente continua en el cobre, y ésta podía extraerse. Esto constituyó el primer generador eléctrico de la historia. Henry invirtió las cosas haciendo que una corriente eléctrica hiciese girar una rueda, y esto fue el primer motor eléctrico. Faraday y Henry, conjuntamente, iniciaron la era de la electricidad, y todo ello derivó de la observación inicial de Oersted. Era ahora cierto que la electricidad y el magnetismo constituían fenómenos íntimamente relacionados, que la electricidad producía magnetismo y viceversa. El interrogante era sí podían existir también por separado; si había condiciones en las que la electricidad no produjese magnetismo, y viceversa. En 1864, el matemático escocés James Clerk Maxwell imaginó una serie de cuatro ecuaciones relativamente simple. Describían la naturaleza de las interrelaciones de la electricidad y el magnetismo. Se hizo evidente pronto que las ecuaciones de Maxwell se cumplían en todas las condiciones y que explicaban la conducta electromagnética. Incluso la revolución de la relatividad introducida por Albert Einstein (1879-1955) en las primeras décadas del siglo XX, una revolución que modificó las leyes de Newton del movimiento y de la gravitación universal, dejó intactas las ecuaciones de Maxwell. Si las ecuaciones de Maxwell eran válidas ni los efectos eléctricos ni los magnéticos podían existir aislados uno del otro sin importar que. Los dos estaban siempre presentes juntos, y sólo existía electromagnetismo, en el que los componentes eléctricos y magnéticos eran dirigidos en ángulos rectos uno a otro.

Juego salto de rana

Además, al considerar las implicaciones de sus ecuaciones, Maxwell descubrió que un campo eléctrico cambiante tenía que inducir un campo magnético cambiante, que, a su vez, tenía que inducir un campo eléctrico cambiante, y así sucesivamente. Por así decirlo, ambos saltaban por encima (como el juego del salto de rana donde un niño tiene de frente a otro y para poder avanzar tiene que saltarlo y el que estaba de frente tiene que saltar al que estaba atrás y así sucesivamente), por lo que el campo progresaba hacia afuera en todas direcciones en forma de una onda transversal que se movía a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo. Esto era la «radiación electromagnética». Pero la luz es una onda transversal que se mueve a una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo, y la conclusión obvia fue que la luz en todas las longitudes de onda, desde los rayos gamma hasta las ondas radio, era una radiación electromagnética. El conjunto formaba un espectro electromagnético. Luz, electricidad y magnetismo se mezclaban en un solo fenómeno descrito por una sola serie de relaciones matemáticas.

Bibliográfia:

Asimov,  I.  (1993) El monstruo subatómico. Salvat. España.