De la electrostática al electromagnetismo

Presentación del tema: "De la electrostática al electromagnetismo"— Transcripción de la presentación:

1 De la electrostática al electromagnetismo
CONFERENCIA 10 Siglos XVIII - XIX De la electrostática al electromagnetismo

2 El astrónomo y físico inglés Stephen Gray (1666 – 1736) durante los últimos años de la década del 20 demostró que los materiales conductores pueden ser electrizados si están aislados, y que esta carga eléctrica adquirida puede ser trasladada distancias considerables (200 metros) desde un extremo electrificado conectado a un hilo conductor hasta el otro extremo convenientemente dispuesto para captar la señal recibida. Es por ello que estos estudios han sido considerados la antesala de los trabajos de la telegrafía que vinieron a cristalizar en la práctica algo más de un siglo más tarde. Ilustración hecha por Winkler, Profesor de griego y latín en Leipzig, sobre el experimento hecho por Stephen Gray En sus experimentos también descubrieron que para que la electricidad, o los efluvios o virtud eléctrica, como ellos lo llamaron, pudiera circular por el conductor, este tenía que estar aislado de tierra. Posteriormente se dedico también al estudio de otras formas de transmisión de la electricidad, que él sequía denominando efluvios eléctricos. Más adelante, junto con los científicos G. Wheler y J Godfrey, efectuó la clasificación de los materiales en eléctricamente conductores y aislantes.

3 El profesor de Química francés Charles Francois de Cisternay Dufay ( ) abordó en la década del 30 el problema de determinar los tipos de carga eléctrica. Enterado de los trabajos de Gray este científico francés, dedico su corta vida al estudio de los fenomenos eléctricos. Du Fay, entre otros muchos experientos, observo que una lámina de oro siempre era repelida por una barra de vidrio electrificada. A partir de sus estudios demuestra que hay solamente dos tipos de electricidad y le llama vítrea a aquella que se libera frotando vidrio (que se asocia luego a la carga positiva) y resinosa a aquella que se libera frotando ebonita (que corresponde a la carga negativa). Introduce el principio universal de que las cargas del mismo tipo se repelen y de diferente clase se atraen.

4 En 1746 el físico holandés Pieter van Musschenbroek (1692 – 1791), profesor de la Universidad de Leiden, publica los resultados obtenidos en el intento práctico de acumular electricidad estática en una botella y provocar su descarga conectando su borne central a tierra. Casi simultáneamente el inventor alemán Ewald Georg von Kleist ( ) descubre un dispositivo similar al del holandés que pasa a la historia con el nombre de "Botella de Leiden", y que representa el antecesor de los condensadores modernos. El aparato que acumulaba o condensaba electricidad llegó a convertirse en un dispositivo útil para la experimentación.  Conecto dicha maquina a una botella con agua, el electrodo metálico central lo introdujo en el agua, mientras que su asistente Cuneaus la sostenia con la mano. Mientras se aprieta contra la esfera que gira un cuero,se generan cargas eléctricas positivas, que son recogidas por el cuerpo metalico que se apoya en la esfera, este sede las cargas negativas a la esfera, quedando con una carga positiva que se reparte por todo el y el agua que es conductora, esta carga positiva induce una carga negativa en el lado externo de la botella.

5 En el campo de la electricidad, el inicio del siglo trajo los trabajos del discípulo de Boyle, Francis Hauksbee ( ), uno de los primeros en construir máquinas electrostáticas por fricción y estudiar los fenómenos de la descarga eléctrica, incluso a través de aire enrarecido, observando el resplandor producido en los primitivos barómetros. Estos estudios fueron antecedentes de la luminiscencia eléctrica en gases enrarecidos. Por otra parte, la principal fuente de electricidad para la mayor parte de las experiencias del siglo XVIII fueron tales máquinas eléctricas por fricción. La máquina fue sometida a diferentes innovaciones como la sustitución de la esfera de vidrio que giraba rápidamente mediante un sistema móvil por un disco y el acople de un tubo metálico que permitía la transmisión de la electricidad producida hasta el lugar deseado.

6                           La constante gravitacional de Newton fue determinada experimentalmente en este siglo por el físico y químico inglés Henry Cavendish ( ) y lo hizo burlando la debilidad de la fuerza gravitacional con una precisión superada sólo un siglo más tarde, a través de la determinación de la fuerza atractiva que ejercían  esferas de plomo de una gran masa sobre pequeñas masas unidas a un péndulo de torsión. Cavendish resulta insuperable en materia del diseño experimental para mediciones cuantitativas de propiedades físico – quimícas  de las sustancias. Será pues una referencia obligada a lo largo de este siglo. Cavendish comparó las conductividades eléctricas de soluciones equivalentes de electrólitos y expresó una primera versión de la ley de Ohm. Sus experimentos en electricidad fueron publicados un siglo después de haberlos realizado cuando Maxwell los redescubrió en A Cavendish corresponde también el mérito de haber determinado las constantes físicas que permitieron objetivamente diferenciar unos gases de otros. Así pudo descubrir en 1766 al gas más ligero de los conocidos, el llamado más tarde por Lavoisier, Hidrógeno

7 Joseph Priestley, el genial físico-químico británico, fue amigo de Franklin y en su relación epistolar  le confiesa (20 años antes de los experimentos de Coulomb) su deducción de que la atracción electrostática debía estar sujeta, de acuerdo con ciertas experiencias conducidas por Franklin, a leyes del mismo carácter matemático que las de la gravitación.  Formado para ser Ministro de una Iglesia se convierte en un brillante investigador. Por su apoyo declarado a la Revolución Francesa  una turba enardecida en 1791 le quemó la casa y sus pertenencias. Obligado a emigrar, muere diez años después en los Estados Unidos.

8 En la próxima década entran en el repertorio de nociones físicas la inducción eléctrica y la conservación de la carga. En torno a este desarrollo aparece la figura de Benjamín Franklin ( ). En 1751 publica sus resultados en Londres con gran éxito. En el período que media entre 1746 y 1756 desarrolla importantes investigaciones que lo llevan a importantes inferencias  a partir del principio de conservación de la carga. Benjamín Franklin no solo representa el científico que construye una teoría para explicar el fenómeno electrostático implicado en  la botella de Leiden, el experimentador incansable que propone la hipótesis de que las tormentas son un fenómeno eléctrico, el inventor del pararrayos, y el político sagaz, sino también el investigador preocupado por la creciente emisión de gases contaminantes que idea sistemas para controlar el exceso de humo de las chimeneas y el inventor de estufas más eficientes que producen más calor con menos combustible. Benjamín Franklin fue el principal seguidor de los postulados de Isaac Newton en América. En su Pensilvania  fue presidente de la Sociedad Abolicionista  y dos meses antes de morir firmó una petición al Congreso de los EU instando a la abolición de la esclavitud

9 La nueva teoría deducida por Franklin rechazaba la teoría de du Fay sobre la existencia de dos tipos de electricidad, y afirmaba que todos los cuerpos portan un fluido único que en exceso o defecto de un valor “normal” producía los efectos eléctricos. Franklin supuso que las propiedades atractivas y repulsivas observadas en diferentes materiales bajos distintas circunstancias eran debidas a las cantidades relativas de este fluido más que a diferentes tipos de fluidos. Concluyó también que este fluido se encontraba en todas las cosas, de modo que podía ser transferido de una cosa a otra.  La pérdida del fluido en un cuerpo resulta en la ganancia de la electricidad en el otro.  Este llegó a ser conocido como el principio de conservación de la carga eléctrica.   También se debe a Franklin el primer convenio relacionado con la electricidad. Los materiales que ganan una carga según la teoría de Franklin eran positivos, mientras aquellos desde los que la carga se cedía eran negativos. La electricidad se mueve entonces desde el positivo (el cuerpo con mayor carga) al negativo (el cuerpo de menor carga).  La teoría del fluido único asentada en los postulados de la mecánica newtoniana, abona el camino de progresos que en el campo del electromagnetismo se alcanzan en el siguiente siglo. La creatividad de Franklin lo lleva a combinar teoría y práctica de manera que realiza numerosas invenciones entre las que se destaca el  pararrayos, la primera aplicación práctica que emerge del campo aún joven de la electricidad y que tiene la inapreciable virtud  de ahorrar incontables vidas. Franklin  no sólo fue un eminente hombre de Ciencia sino se considera uno de los fundadores de  los Estados Unidos de América.

10 El hito que inaugura la electrostática como disciplina científica viene representado por el descubrimiento de su ley fundamental en por el físico francés Charles Coulomb ( ). Coulomb inventa la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción entre cuerpos eléctricamente cargados y obtiene así la expresión matemática que recuerda a la ley de la gravitación universal y atrapa en lo cuantitativo el fenómeno de atracción o repulsión electrostática. La unidad de medida de la carga eléctrica, el Coulomb,  perpetúa su memoria. Ley de Coulomb Balanza de torción de Coulomb

11 Luigi Galvani ( ). Poco después de la difusión del dispositivo construido por Musschenbroek, el Abad Jean-Antoine Nollet ( ) propuso en la Academia parisina el uso de la electrificación estática como técnica de recuperación física para diferentes casos de parálisis motora. Nollet  describió en detalle el método para producir y aplicar la electricidad “friccional”. La idea de que la electrificación podría tener valor terapéutico recorrió toda Europa.  Sin embargo, los resultados de la electroterapia fueron muy contradictorios porque los médicos de la época lo aplicaron indistintamente sin distinguir las causas de la parálisis. El último tramo del siglo XVIII nos trae en materia de electricidad los trabajos de uno de los pioneros en el campo de la  biofísica, el médico italiano Luigi Galvani ( ). En verdad cuando Galvani empezó sus trabajos estimulando eléctricamente patas de rana, el problema de la irritabilidad animal y de si los nervios eran conductores de un “fluido nervioso” análogo al eléctrico, ya era ampliamente debatido en los círculos médicos de la Universidad de Bolonia. Galvani  fue 33 años profesor de la Universidad de Boloña y sus trabajos son los primeros que apuntan a la existencia de fuerzas bioeléctricas en el tejido animal. Fue este cirujano, que renunciara a su cátedra universitaria cuando la invasión napoleónica para morir un año después, el primer biofísico de la historia. La teoría del fluido eléctrico animal fue rechazada por el también italiano Alessandro Volta y el debate Galvani - Volta fue uno de los episodios notables con que nacen las ideas modernas sobre la electricidad. Galvani propuso que la rana y todos los otros seres vivos poseían una electricidad inherente y sospechó que la electricidad era transferida a las fibras musculares desde los extremos de los nervios, actuando cada fibra muscular como una minúscula botella de Leyden. La principal contribución de Galvani fue abrir el camino para el estudio de los mecanismos de la generación y propagación de las señales eléctricas en el sistema nervioso

12 Al morir Galvani en 1798, el físico italiano Alejandro Volta había comenzado a cuestionar que el origen de las contracciones musculares de la rana observadas por su compatriota fuera la electricidad de naturaleza animal. Volta demostraría que usando discos de metales diferentes separados por telas humedecidas en ácido, se genera una corriente eléctrica.  Hizo así uno de los inventos más grandes del siglo la batería eléctrica. La pila de Volta, la primera batería eléctrica, hizo posible la  construcción de dispositivos para mantener una corriente eléctrica por un circuito dado, y abordar el problema de los nexos entre la electricidad y el magnetismo. Una vez presentados sus trabajos en la Academia francesa de la Ciencia, aceptó el título de Conde de Lombardía, territorio ocupado por las tropas napoleónicas. La primera pila: pila de Volta de la Volta dibujada por el mismo en una carta dirigida al presidente de la Royal Society.

13 André Marie Ampere ( ) Este físico y matemático francés, nacido cerca de Lyon, es conocido por sus importantes aportaciones al estudio de la corriente eléctrica y el magnetismo, que constituyeron, junto con los trabajos del danés Hans Chistian Oesterd, al desarrollo del electromagnetismo. Sus teorías e interpretaciones sobre la relación entre electricidad y magnetismo se publicaron en 1822, en su Colección de observaciones sobre electrodinámica y en 1826, en su Teoría de los fenómenos electrodinámicos. Ampere descubrió las leyes que hacen posible el desvío de una aguja magnética por una corriente eléctrica, lo que hizo posible el funcionamiento de los actuales aparatos de medida. Descubrió las acciones mutuas entre corrientes eléctricas, al demostrar que dos conductores paralelos por los que circula una corriente en el mismo sentido, se atraen, mientras que si los sentidos de la corriente son opuestos, se repelen. La unidad de intensidad de corriente eléctrica, el amperio, recibe este nombre en su honor.

14 Hans Chistian Oesterd (1777-1851)
Este físico y químico danés, nacido en Rudköbing, estudió en la Universidad de Copenhague, fue profesor de física en esa universidad y de la Escuela Politécnica, y un gran estudioso del electromagnetismo. En 1813 ya predijo la existencia de los fenómenos electromagnéticos, lo cual no demostró hasta 1819, junto con Ampere, cuando descubrió la desviación de una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a un conductor, por el que circula una corriente eléctrica, demostrando así la existencia de un campo magnético en torno a todo conductor atravesado por una corriente eléctrica, e iniciándose de ese modo el estudio del electromagnetismo. Se cree que también fue el primero en aislar el aluminio, por electrólisis, en 1825, y en 1844 publicó su Manual de física mecánica.

15 Georg Simón Ohm ( ) Este físico alemán, conocido principalmente por su investigación sobre las corrientes eléctricas, nació en Erlangen, en cuya universidad estudió. Fue Profesor de matemáticas y física en una escuela militar de Berlín y director del Instituto Politécnico de Nuremberg y, después de sufrir muchas críticas en su país, mientras su fama se extendía fuera de Alemania, fue, en 1849, nombrado catedrático de física experimental en la Universidad de Munich, puesto que ejerció hasta su muerte. Estudio la relación que existe entre la intensidad de una corriente eléctrica, su fuerza electromotriz y la resistencia, formulando en 1827 la ley que lleva su nombre (Ley de Ohm: U = I R). También se interesó por la acústica, la polarización de las pilas y las interferencias luminosas. La unidad de resistencia eléctrica, el ohmio, recibe este nombre en su honor.

16 Samuel Finley Breese Morse (1791-1872)
Este pintor e inventor estadounidense, es principalmente conocido por la invención del telégrafo eléctrico y del código que lleva su nombre. Nació en Charlestown (Massachusetts),   y estudió en el Colegio de Yale (actual Universidad de Yale). Estudió pintura en Londres y se convirtió en un retratista y escultor de éxito. En 1825 colaboró en la fundación de una sociedad de bellas artes, que mas tarde sería la Academia Nacional de Dibujo, en la ciudad de Nueva York convirtiendose al año siguiente en su primer presidente. Enterado por aquella época, de los descubrimientos del francés André Marie Ampere, sobre la corriente eléctrica y el magnetismo, comenzó a interesarse por los experimentos químicos y eléctricos, dedicándose durante varios años a la puesta a punto del telégrafo, efectuando en 1837 y con gran éxito las primeras pruebas. También inventó un alfabeto, que representa las letras y números por una serie de puntos y rayas, (conocido actualmente como código Morse) para poder utilizar su telégrafo. En el año 1843, el Congreso de los Estados le asignó dólares para que construyera la primera línea de telégrafo entre  Washington y Baltimore, y el 24 de mayo de 1844 Morse envió su ya famoso y primer mensaje: "¿Que nos ha traido Dios?". Fue objeto de muchos honores, y en sus últimos años se dedicó a experimentar con la telegrafía submarina

17 Michael Faraday ( ) Este físico y químico inglés, que fue discípulo del químico Humphry Davy, es conocido principalmente por su descubrimiento de la inducción electromagnética, que ha permitido la construcción de generadores y motores eléctricos, y de las leyes de la electrólisis; por lo que es considerado como el verdadero fundador del electromagnetismo y de la electroquímica. Faraday nació en Newington, era hijo de un herrero, por lo cual recibió escasa formación. Mientras trabajaba de aprendiz con un encuadernador de Londres, leyó libros sobre temas científicos y realizo experimentos con la electricidad. En Humphry Davy contrató a Faraday como ayudante en su laboratorio químico de la Royal Institution y al año siguiente le llevó con él a un largo viaje por Europa. En 1824 Faraday entró en la Royal Society, único honor que acepto en su vida, y al año siguiente fue nombrado director del laboratorio de la Royal Institution. Faraday realizó sus primeras investigaciones en el campo de la química bajo la dirección de Davy, descubriendo el benceno. Sin embargo, las investigaciones que convirtieron a Faraday en el primer científico de su época las realiz, en los campos de la electricidad y el magnetismo. En 1831 trazó el campo magnético alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica, ya descubierto por Oersted, y ese mismo año descubrió la inducción electromagnética, demostró la inducción de una corriente eléctrica por otra, e introdujo el concepto de líneas de fuerza, para representar los campos magnéticos. Durante este mismo periodo, investigó sobre la electrólisis  y descubrió las dos leyes fundamentales que llevan su nombre: 1ª) La masa de sustancia liberada en una electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado a través del electrólito [masa = equivalente electroquímico, por la intensidad y por el tiempo (m = c I t)]; 2ª) Las masas de distintas sustancia liberadas por la misma cantidad de electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes. Faraday escribió muchas obras y artículos para publicaciones especializadas, destacando entre ellos: Manipulación química, 1827; Investigaciones experimentales en electricidad, 1855;Investigaciones experimentales en física y química, 1859; La historia química de una bujía, La unidad de capacitancia, el faradio, recibe este nombre en su honor.

18 Charles Wheatstone (1802-1875)
Este físico e inventor inglés, es especialmente conocido por ser el primero en aplicar el circuito eléctrico que lleva su nombre (puente de Wheatstone), para medir resistencias eléctricas. Nació en Gloucester y trabajó de aprendiz con su tío, constructor de instrumentos musicales de Londres. Mas adelante heredó el negocio y en 1829 inventó la concertina (especie acordeón). Fue un autodidacta en el campo de la ciencia, se convirtió en profesor de filosofía experimental de la Universidad de Londres en En colaboración con el ingeniero William Fothergill Cooke, patentó en 1837 el primer telégrafo eléctrico británico, coincidiendo en el tiempo con el inventado por Morse. Charles Wheatstone invento además: el instrumento óptico para ver las fotografías en tres dimensiones, llamado estereoscopio, un telégrafo automático y un péndulo electromagnético. En 1868 fue nombrado sir. Charles Wheatstone ( )

19 Heinrich Friederich Lenz (1804-1865)
Este físico estonio, que estudio en la universidad de Dorpat y llego a ser profesor de la de San Petersburgo, es conocido principalmente por formular la ley de la oposición de las corrientes inducidas que lleva su nombre, y que enuncio en Ley de Lenz: El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo. Realizo también importantes investigaciones sobre la conductividad de los cuerpos, en relación con su temperatura, descubriendo en 1843 la relación entre ambas, lo que luego fue ampliado y desarrollado por James Prescott Joule, por lo que pasaría a llamarse "Ley de Joule". Heinrich Friederich Lenz ( )

20 James Prescott Joule (1818-1889)
Físico ingles, nacido en Salford, conocido principalmente por sus estudios sobre: la energía y sus aplicaciones técnicas, el efecto calorífico producido por la corriente eléctrica y sobretodo por la formulación de la ley que lleva su nombre, y que dice así. Ley de Joule: Todo cuerpo conductor recorrido por una corriente eléctrica, desprende una cantidad de calor equivalente al trabajo realizado por el campo eléctrico, para transportar las cargas de un extremo a otro del conductor: Q = 0,24 R I2t. Fue uno de los más notables científicos de su época, discípulo de Dalton, estudio y demostró experimentalmente la equivalencia mecánica del calor, determinó también la relación numérica entre las energías térmica y mecánica, y junto con su compatriota, el físico William Thomson   (conocido posteriormente como lord Kelvin), Joule descubrió que la temperatura de un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún trabajo. Este fenómeno, que se conoce como efecto Joule-Thomson, es la base a la refrigeración. También, alrededor de 1841, y junto con el científico alemán Hermann von Helmholtz, demostró que la electricidad es una forma de energía y que los circuitos eléctricos cumplen la ley de la conservación de la energía. Joule recibió muchos honores de universidades y sociedades científicas de todo el mundo. Sus Escritos científicos se publicaron en 1885 y en La unidad de energía denominada Julio (equivale a 1 vatio segundo)  recibe este nombre en su honor;

21 León Foucault ( ) Este físico francés, nacido en París, invento el giroscopio, demostró la rotación de la tierra, mediante su famoso péndulo y midió la velocidad de la luz, mediante espejos giratorios. En el campo de la electricidad, se dedico al estudio del electromagnetismo y descubrió las corrientes que llevan su nombre. Foucault fue uno de los primeros en demostrar la existencia de corrientes inducidas, parásitas, en los núcleos de circuitos magnéticos (hoy llamadas corrientes de Foucault en su honor). Para la determinación de la velocidad de la luz trabajó con el físico francés Armand Fizeau e individualmente Foucault demostró, que la velocidad de la luz en el aire es mayor que en el agua. En 1851 hizo su famosa demostración de la rotación de la Tierra, suspendiendo un gran péndulo desde la cúpula del Panteón de París, demostrando con el movimiento del péndulo la rotación de la Tierra sobre su eje. También fue el creador de un método para medir la curvatura de los espejos telescópicos.

22 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)
Este físico alemán, nació en Königsberg (actualmente Kaliningrado, Rusia), y en el campo de la electricidad es conocido, principalmente, por haber formulado las dos leyes o reglas, que llevan su nombre, sobre la distribución de corrientes y tensiones en un circuito. Fue profesor de física en las universidades de Breslau, Heidelberg y Berlín, y junto con los químicos alemanes Robert Wilhelm Bunsen y Joseph von Fraunhofer, fue de los primeros en desarrollar las bases teóricas y experimentales de la espectroscopia, desarrollando el espectroscopio moderno para el análisis químico. En 1860 Kirchhoff y Bunsen descubrieron el cesio y el rubidio mediante la espectroscopia. Kirchhoff también estudio el espectro solar y realizó importantes investigaciones sobre la transferencia de calor Reglas de Kirchhoff: 1ª) La suma algebraica de las intensidades que concurren en un punto es igual a cero. 2ª) La suma algebraica de los productos parciales de intensidad por resistencia, en una malla, es igual a la suma algebraica de las fuerzas electromotrices en ella existentes, cuando la intensidad de corriente es constante.

23 James Clerk Maxwell (1831-1879)
Este físico y matemático escocés, nació en Edimburgo y estudió en las universidades de Edimburgo y Cambridge, fue profesor de física de las universidades de Aberdeen, Londres y Cambridge. Es especialmente conocido por sus estudios e investigaciones sobre la teoría cinética de los gases y el electromagnetismo. También se dedico a la investigación de la visión de los colores y los principios de la termodinámica, y formuló, teóricamente, que los anillos de Saturno estaban formados por materia disgregada. Maxwell amplió las investigaciones que Michael Faraday había realizado sobre los campos electromagnéticos, demostrando la relación matemática entre los campos eléctricos y magnéticos, formulando las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo, James Clerk Maxwell ( ) que relacionan el campo eléctrico y el magnético para una distribución espacial de cargas y corrientes, que actualmente llevan su nombre. También demostró que la naturaleza de los fenómenos luminosos y electromagnéticos era la misma, demostrando que ambos se propagan a la velocidad de la luz. Su obra más importante es el Treatise on Electricity and Magnetism (tratado de electricidad y magnetismo), que vio la luz en 1873, y en donde, por primera vez, publicó sus cuatro ecuaciones diferenciales en las que describe la naturaleza de los campos electromagnéticos. También escribió: Matter and motion (materia y movimiento, 1876) y Theory of Heat (teoría del calor, 1877). La teoría de Maxwell, entre los fenómenos luminosos y electromagnéticos, recibió su comprobación definitiva cuando Heinrich Rudolf Hertz obtuvo en 1888 las ondas electromagnéticas de radio. La unidad de flujo magnético en el sistema cegesimal, el maxwell, recibe este nombre en su honor.