Electromagnetismo: su historia e importancia



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ELECTROMAGNETISMO: SU HISTORIA E IMPORTANCIA
Las fuerzas eléctrica y magnética, la gravedad y las llamadas fuerzas "débiles" y "fuertes" son las cinco fuerzas conocidas de la física. la mayor parte de las fuerzas que no son gravitacionales, son eléctricas o magnéticas.

El electromagnetismo abarca tanto la electricidad como el magnetismo y es básico para todo lo eléctrico y lo magnético. Aunque un resistor, capacitor o inductor puede considerarse como un elemento de circuito de dos terminales, sin tomar en cuenta la teoria del campo electromagnético, la comprensión de lo que ocurre dentro de estos elementos de circuito requiere un conocimiento de los campos electromagnéticos, siendo un campo cualquier región en la que actúan fuerzas eléctricas y magnéticas, es importante notar que la potencia proporcionada por un generador a una carga fluye, no tanto a través de los alambres que los conectan, sino más bien por los campos que los rodean. Y cuando se llega a las ondas en las guías de onda, a las ondas que radian de las antenas, o a las ondas que viajan en el espacio, la teoría del campo electromagnético ofrece las únicas respuestas


. La palabra griega para el ámbar es elektron y de ella se derivan las palabras electricidad, electrón y electrónica. Tales de Mileto filósofo notó también la fuerza de atracción entre trozos de una roca magnética natural llamada piedra de imán que se encontró en un lugar llamado Magnesia, de cuyo nombre se derivan las palabras magneto y magnetismo. Tales de Mileto fue pionero tanto de la electricidad como del magnetismo, pero su interés, como el de otros contemporáneos suyos, era filosófico más que práctico, y pasaron 22 siglos antes de que estos fenómenos fuesen investigados de una manera experimental seria.

William Gilbert, de Inglaterra, alrededor del año 1600, realizó los primeros experimentos sistemáticos acerca de los fenómenos eléctricos y magnéticos, describiéndolos en su libro De Magnete. Gilbert inventó el electroscopio para medir los efectos electrostáticos; también fue el primero en reconocer que la Tierra misma era un gigantesco imán, proporcionando así una nueva visión dentro de los principios de la brújula y la aguja o brújula de inclinación.

En 1750, Benjamín Franklin, estadista y científico estadounidense, estableció la ley de la conservación de la carga en experimentos hechos con electricidad, que condujeron a su invención del pararrayos, y determinó que existen tanto cargas positivas como negativas. Más tarde, el francés Charles Augustin Coulomb inventó la balanza de torsión que mide las fuerzas eléctricas y magnéticas. Durante este periodo, Karl Friedrich Gauss, matemático y astrónomo alemán, formuló el teorema de la divergencia relacionando un volumen y su superficie.

Alessandro Volta, de Italia, había inventado en 1800 la pila voltaica y, conectando varias en serie, la bateria eléctrica. Con baterías podían producirse corrientes eléctricas; en 1819, el danés Hans Christian Oersted, profesor de física, encontró que un alambre por el que fluyera corriente provocaba la desviación de la aguja de una brújula cercana, descubriendo que la electricidad podía producir magnetismo. Antes de Oersted, la electricidad y el magnetismo se consideraban como fenómenos enteramente independientes.

Al año siguiente, André Marie Ampére, físico francés, amplió las observaciones de Oersted. Inventó la bobina de solenoide para producir campos magnéticos y formuló correctamente la teoría de que los átomos de un imán se magnetizan por medio de corrientes eléctricas muy pequeñas que circulan en ellos. En aquella misma época, el alemán Georg Simón Ohm formuló la ley que lleva su nombre y relaciona la corriente, el voltaje y la resistencia.

Sin embargo, inicialmente sus ideas fueron realizadas y no fue sino hasta después de una década que los científicos comenzaron a reconocer su verdad e importancia.

En 1831, el inglés Michael Faraday demostró que un campo magnético cambiante podía producir una corriente eléctrica. Mientras que Oersted encontró que la electricidad podía producir magnetismo, Faraday descubrió que el magnetismo podía producir electricidad. Al mismo tiempo, el estadounidense Joseph Henry observó el efecto independientemente. Henry inventó también el telégrafo eléctrico y el relé o relevador.

Las investigaciones experimentales de Faraday posibilitaron a James Clerk Maxwell, profesor de la Universidad de Cambridge, Inglaterra, establecer Ta interdependencia de la electricidad y el magnetismo. En 1873, publicó la primera teoría unificada de electricidad y magnetismo y fundó la ciencia del electromagnetismo. Postuló que la luz era de naturaleza electromagnética y que la radiación electromagnética de otras longitudes de onda debía ser posible.



Pioneros del electromagnetismo

Nombre

Fechas

Papel que desempeñó

Unidades

Tales de Mileto

636-546 a. C.

Pionero en la electricidad y magnetismo




William Gilbert

1540-1 603 d.C.

Reconoció que la Tierra es un gran

gilbert (Gb)







imán




Benjamín Franklin

1706 1790

Estableció la conservación de la carga




Charles A. de Coulomb

1736-1806

Midió fuerzas eléctricas y magnéticas

coulomb (C)

Karl F. Gauss

1777-1855

Enunció el teorema de la divergencia

gauss (G)

Alessandro Volta

1745-1827

Inventó la pila voltaica

volt (V)

Hans C. Oersted

1777-1851

Descubrió que la electricidad podia

oersted (Oe)







producir magnetismo




André M. Ampére

1775-1836

Inventó el solenoide

ampere (A)

Joseph Henry

1797-1878

Realizó experimentos que condujeron

henry (H)







al telégrafo eléctrico




Georg S. Ohm

1787-1854

Formuló la ley de Ohm

ohm (ÍJ)

Michael Faraday

1791-1867

Demostró que el magnetismo podía

farad (F)







producir electricidad




James P. Joule

1818-1889

Estableció que el calentamiento es

joule (J)







proporcional al cuadrado de la










corriente




James C. Maxwell

1831-1879

Fundó la teoría electromagnética

maxwell (Mx)

Heinrich Hertz

1857-1894

Padre de la radio

hertz (Hz)

Guglielmo Marconi

1874-1937

Hizo práctica la radio




Thomas Alva Edison

1847-1931

Inventó la lámpara incandescente y










construyó los primeros sistemas eléc-










tricos de potencia




Nikola Tesla

1856-1943

Demostró el valor de la corriente

tesla (T)







alterna




Albert Einstein

1879-1955

Hizo universales las ecuaciones de










Maxwell a través de su teoría de la










relatividad




Otros pioneros honrados con unidades del

SI




Nombre

Fechas

Papel que desempeñó

Unidades

Isaac Newton

1642-1727 d. C

Formuló leyes de movimiento y de

newton (N)







gravitación universal. Las ecuaciones










de Newton son a la mecánica lo que










las ecuaciones de Maxwell son al










electromagnetismo




James* Watt

1736-1819

Hizo práctica la aplicación de la poten-

watt (W)







cia del vapor




Wilhelm Weber

1804-1891

Fue pionero en los trabajos acerca del

weber (Wb)






magnetismo terrestre



Aunque las ecuaciones de Maxwell son de gran importancia y, junto con condiciones en la frontera, de continuidad y otras relaciones auxiliares, son la base del electromagnetismo moderno, algunos científicos del tiempo de Maxwell fueron escépticos de sus teorías; en 1888 éstas fueron vindicadas por Heinrich Hertz, , Alemania, quien generó y detectó ondas de radio de cerca de 5 metros de longitud de onda. Hertz demostró que, con un transmisor y receptor de chispa o señal, excepto por la diferencia en la longitud de onda, la polarización, la reflexión y la refracción de las ondas de radio eran idénticas a las de la luz.

Hertz fue el padre de la radio, pero su invento permaneció como una curiosidad de laboratorio hasta que el italiano Guglielmo Marconi adaptó el sistema de chispa de Hertz para enviar mensajes a través de^espacio. Marconi al agregar la sintonización, una antena grande, sistemas de tierra, y longitudes de onda más largas pudo enviar señales a grandes distancias. En 1901 causó sensación al enviar señales de radio a través del Océano Atlántico. Marconi fue pionero en el desarrollo de la comunicación por radio para barcos. Antes de la radio o comunicación "inalámbrica", como se le llamaba entonces, las naves estaban en altamar en el más completo aislamiento

Thomas Alva Edison, inventor estadounidense, dio a la electricidad y al magnetismo aplicaciones prácticas para la telegrafía, la telefonía, la iluminación y la generación y transmisión de potencia. Mientras que Edison era partidario de la corriente continua, Nikola Tesla desarrolló la transmisión de potencia con corriente alterna e inventó el motor de inducción. Diseñó el sistema de generación de potencia en las cataratas del Niágara. En 1895, cuando este sistema comenzó a trabajar, generó tanta potencia como todas las otras estaciones generadoras de Estados Unidos juntas. Cuando joven, Tesla emigró a Estados Unidos procedente de lo que hoy es Yugoslavia.

El concepto de relatividad o de espacio-tiempo de Einstein nos dice que no hay un campo eléctrico o magnético puro que retenga su identidad para todos los observadores. En consecuencia, lo que parece ser un campo eléctrico estático para un observador estacionario, le parece, al menos parcialmente, .un campo magnético a un observador en movimiento.

.

Existen ahora pocas materias entendidas de manera tan meticulosa como el electromagnetismo y pocas que hayan tenido mayor aplicación práctica. Los motores y generadores eléctricos, el alumbrado y la calefacción eléctricos, los teléfonos, la radio, la televisión, el manejo de datos, la electrónica médica, el radar y los sensores remotos cambiaron completamente nuestra forma de vida. Cientos de satélites estacionarios de comunicación cubren ahora la Tierra como si estuvieran montados en torres de 36000 km de altura. Y aun ahora, las sondas exploran el sistema solar hasta Saturno y más allá, respondiendo a las señales y enviando de regreso fotografías y datos aunque le tome a las ondas de radio más de una hora recorrer la distancia en un solo sentido..



La civilización evolucionó por el electromagnetismo. De hecho, estamos en una sociedad electromagnética. Pero se haría mal en pensar que ya se conoce todo. H. G. Wells escribió cierta vez: "El pasado no es sino el comienzo del comienzo y todo lo que es y ha sido no es sino el crepúsculo de la aurora."

DIMENSIONES Y UNIDADES

Se atribuyen a Lord Kelvin estas palabras:




Cuando se puede medir aquello de que se está hablando y expresarlo en números, se sabe algo de ellos; pero cuando no se puede medir, cuando no se expresa en números, su conocimiento es superficial e insatisfactorío; puede ser el principio del conocimiento, pero se ha progresado escasamente en el pensamiento de la ciencia, cualquiera que ésta sea.
A esto se podría agregar que antes de que podamos medir algo, debemos definir sus dimensiones y proporcionar algún estándar o patrón o unidad de referencia, en términos de la cual, la cantidad puede expresarse numéricamente.

Una dimensión define alguna característica física. Por ejemplo, longitud, masa, tiempo, velocidad y fuerza son dimensiones. Las dimensiones de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura e intensidad luminosa se consideran como dimensiones fundamentales, puesto que otras dimensiones pueden definirse en términos de estas seis. Esta elección es arbitraria pero conveniente. Las letras L, M, T, I, .T e J representan las dimensiones de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura e intensidad luminosa, respectivamente. Otras dimensiones son secundarias..



UNIDADES FUNDAMENTALES Y DERIVADAS

En este sistema el metro, el kilogramo, el segundo, el ampere, el kelvin y la candela son las unidades básicas para las seis dimensiones fundamentales de longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura e intensidad luminosa. Las definiciones para estas unidades fundamentales son:

Metro (m). Longitud igual a 1 650763.73 longitudes de onda en el vacío correspondiente a la transición 2plo-5d¡ del kriptón 86.

Kilogramo (kg). Igual a la masa del kilogramo prototipo internacional, una masa de platino-iridio que se conserva en Sevres, Francia. Este kilogramo estándar o patrón es el único artefacto entre las unidades básicas del SI.

Segundo (s). Igual a la duración de 9192631770 periodos de radiación Correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos desde el estado de

.

Ampere (A). Es la corriente eléctrica que produce una fuerza de 200 nanonew-tons por metro de longitud (200 nN rrTl = 2 x 10"7 N m"') al circular a través de dos alambres paralelos infinitamente largos en el vacío y separados por 1 metro.



Kelvin (K). Temperatura igual a 1/273.16 del punto triple del agua (o punto triple del agua igual a 273.16 kelvin). t

Candela (cd). Intensidad luminosa igual a la de 1/600000 de metro cuadrado de un radiador perfécTb a la temperatura de congelación del platino.

Las unidades para otras dimensiones se denominan unidades secundarias o derivadas y se basan en estas unidades fundamentales (véase la tabla 2, Sec. A-1, en el Apéndice A).

Las cuatro dimensiones fundamentales longitud, masa, tiempo y corriente eléctrica (símbolos dimensionales L, M, T e I). Las cuatro unidades fundamentales para estas dimensiones son la base de lo que antiguamente se llamó el sistema metro-kilogramo-segundo-ampere (mksa),



CÓMO LEER LOS SÍMBOLOS Y LA NOTACIÓN

En este libro, las cantidades o dimensiones que sean escalares, como la carga Q, la masa M, o la resistencia, R, están siempre en cursivas. Las cantidades que pueden ser vectores o escalares, son negritas cuando son vectores y cursivas cuando son escalares, por ejemplo: campo eléctrico eléctrico E (vector) o E (escalar). Los vectores unitarios son siempre puestos en negritas con un sombrero o acento circunflejo sobre la letra, por ejemplo, £ o f.f

Las unidades están en tipo redolido, o sea, no cursivo; por ejemplo, H para Henry, s para segundo, o A para ampere.í La abreviatura para una unidad se pone con mayúscula si la unidad se deriva de un nombre propio; si no, se usan minúsculas. Por ello, tenemos C para Coulomb, pero tenemos simplemente m para el metro. Nótese que cuando se escribe completo el nombre de la unidad se usan siempre minúsculas, aun cuando se deriven de un nombre propio. Los prefijos para las unidades están también en letra redonda, como n en nC para nanocoulomb o M en MW para megawatt. Véase en la tabla 1, Sec. A-l, en apéndice A, una lista completa de prefijos.


-2


Ejemplo 1


D = £200 pC m

significa que la densidad de flujo eléctrico D es un vector en la dirección positiva de x con una magnitud de 200 picocoulombs por metro cuadrado ( = 2 x 10~10 coulomb por metro cuadrado).



Ejemplo 2


V = 10 V




significa que el voltaje V es igual a 10 volts. Distíngase cuidadosamente entre V (cursiva) para voltaje, V (redonda) para volts, v (negrita, minúscula) para velocidad y v (cursiva minúscula) para volumen


Nótese que para ser más concisos, se usan prefijos cuando sean apropiados en lugar de los exponentes. En consecuencia, la velocidad de la luz se daría como c = 300 Mm s~' (300 megametros por segundo) y no 3 x 108 m s~ *. Sin embargo, para resolver un problema se usaría la forma exponencial ya conocida (3 x lO^s"1).

Las unidades métricas modernas del SI y las convenciones usadas aquí se combinan para dar una notación concisa, exacta y sin ambigüedades.



NUMERACIÓN DE ECUACIONES

Las ecuaciones importantes y las mencionados en el texto se numeran en forma consecutiva comenzando en cada sección. Cuando se hace referencia a una ecuación de diferente sección, su número está precedido por el número de capítulo y de sección. Así (14-15-3) se refiere al capítulo 14, sección 15, ecuación (3). Una referencia a esta misma ecuación dentro de la sección 15 del capítulo 14, se leería simplemente como (3). Nótese que los números de capítulo y de sección están impresos en la parte superior de cada página.



ANÁLISIS DIMENSIONAL

Por motivos de corrección, es una condición necesaria que cada ecuación contenga unidades iguales dimensionalmente en ambos miembros de la ecuación. Por ejemplo, considérese la fórmula hipotética


M=masa


L = longitud

D = densidad (masa por unidad de volumen)

A=área

Por lo tanto, ambos lados de esta ecuación tienen las dimensiones de masa por longitud y la ecuación está correcta dimensionalmente. Esto no es una garantía de que la ecuación sea correcta, es decir, no es una condición suficiente para su corrección. Es, sin embargo, una condición necesaria para que sea correcta, y con frecuencia es útil para analizar ecuaciones y determinar en esta forma si están o no dimensionalmente congruentesEl análisis dimensional también es útil para determinar cuáles son las dimensiones de una cantidad. Por ejemplo, para encontrar las dimensiones de la fuerza, se hace uso de la segunda ley de Newton que establece que



Fuerza = masa x aceleración

Puesto que la aceleración tiene las dimensiones de longitud entre tiempo al cuadrado, las dimensiones de la fuerza son

Masa x longitud

Tiempo2





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