Parte 2. Resumen del Capítulo 5 La edad de la electricidad.

Transcripción

1 Doctorado en Ciencias: Desarrollo Científico y Tecnológico para la Sociedad TEMA: Examen de la Materia CONCEPTO: Resumen de Caps. 4, 5, 6 y 7 del Libro Biografía de la Física de George Gamow. Salvat Editores. FECHA: 4 de octubre de Primeros descubrimientos Unidad/Taller: Desarrollo de La Física PROFESOR: Dr. Rafael Baquero Parra AUTOR: CARLOS JAVIER FLORES SARACHO Parte 2 Resumen del Capítulo 5 La edad de la electricidad. En el año 1600, Sir William Gilbert hizo experimentos con esferas de magnetita y publicó sus resultados en su libro De Magnete. Concibió analogías entre el campo magnético de los imanes y el de la Tierra. Este concepto fue desarrollado matemáticamente siglos después por Karl Gauss. Sin embargo, los intentos de Gilbert por hacer a las fuerzas magnéticas responsables del movimiento de los planetas fracasaron por completo y pasaría medio siglo hasta que Isaac Newton explicase este movimiento por las fuerzas de la gravitación universal. Estudios sobre sustancias que presentan generación espontánea de efectos eléctricos hechos por Charles François de Cisternay DuFay ( ) a principios del siglo XVIII, llevaron al descubrimiento de que hay dos clases de electricidad: la producida por el ámbar frotado, y otros sustancias resinosas, denominada entonces (resinosa) y la producida frotando sustancias vítreas como el cristal o la mica (electricidad denominada vítrea). Estos términos fueron utilizados por quince años hasta que fueron reemplazados por positiva y negativa, así llamadas por William Watson y por Benjamin Franklin, de manera independiente. De Magnete, por Gilbert Extracto de "Un discurso concerniente a la electricidad" de Philosophical Transactions,Vol. 38, 1734, escrito por Du Fay -1/6-

2 Electroscopio de panes de oro y la botella de Leyden, respectivamente Durante estos primeros estudios de los fenómenos eléctricos se inventaron dos importantes aparatos eléctricos: el electroscopio de panes de oro y la botella de Leyden. El primero, sirve para detectar electricidad al cargarse los panes o pajillas de metal y separarse mutuamente; mientras que la botella de Leyden se utilizaba para almacenar electricidad, como un moderno condensador. El primer quebrantador de átomos (atom smasher), construido en 1930, por Cockroft y Walton, consistía en una batería de condensadores eléctricos para elevar el potencia hasta un millón de Volts. Cuando los condensadores se descargaban a través de un tubo de cristal conteniendo hidrógeno, producían proyectiles atómicos de una energía tan elevada que al chocar contra los átomos de un trozo de litio colocado a un extremo del tubo los rompía en dos. Quebrantador (smasher) de Átomos de Cockroft y Walton (1930) Regresando al siglo XVIII, Benjamin Franklin ( ), envió cometas en época de tormentas, conduciendo la electricidad a través de las cuerdas mojadas de los cometas y cargando con ellas botellas de Leyden para luego realizar experimentos eléctricos. Benjamin Franklin y sus experimentos eléctricos con cometas Afirmaba en sus escritos que un cuerpo cargado con electricidad vítrea estaba cargado positivamente, mientras que un cuerpo con electricidad resinosa estaba cargado negativamente. En la actualidad se sabe que existen dos tipos de partículas cargada negativamente o positivamente. Por otro lado, en el caso de líquidos (en baterías p. ej.) la electricidad es transportada igualmente por iones positivos y negativos. -2/6-

3 La Ley de las fuerzas eléctricas y magnéticas En la segunda mitad del siglo XVII, los físicos se dedicaron en muchos países a estudios cuantitativos de las fuerzas electromagnéticas. Charles Augustin de Coulomb ( ), desarrolló la denominada balanza de Coulomb para medir fuerzas muy débiles. Consiste en dos esferas cargadas eléctricamente y conectadas entre sí por un alambre, el cual a su vez está suspendido de un hilo, quedando en equilibrio. Cuando se acerca a esta balanza una carga, la balanza se mueve y puede mostrar una lectura sobre una cinta previamente marcada numéricamente. Con este aparato, Coulomb descubrió la ley que ahora lleva su nombre: la Ley de Coulomb, que establece que las fuerzas de atracción o repulsión son directamente proporcionales al producto del valor de las dos cargas (q1 y q2) e inversamente proporcionales al cuadrado de las distancia que las separa (r). Balanza de Coulomb y la Ley de Coulomb, respectivamente La unidad electrostática de carga se define como a carga que actúa con la fuerza de 1 dina sobre una carga igual situada a la distancia de 1 cm. Mediante la misma balanza de torsión y suspendiendo del hilo un imán con otro imán situado verticalmente a través del techo de la caja, Coulomb demostró que la misma ley rige para las interacciones magnéticas. Una unidad de magnetización se define como la fuerza de un polo magnético que atrae o repele, con la fuerza de 1 dina, un polo de igual fuerza situado a 1 cm. Fuerza de Coulomb (eje vertical) vs distancia entre cargas (eje horizontal). (K, q1, y q2 iguales a 1) Pila de Volta y su detalle interior Una descarga de una anguila eléctrica A mediados del siglo XVIII un barco inglés llevó anguilas eléctricas de África a Inglaterra y los biólogos comenzaron a estudiarlas. Cuando se demostró que el pez podía emplearse para cargar una botella de Leyden, no quedó duda de que se trataba de una corriente eléctrica. El fenómeno atrajo la atención del físico italiano Luigi Galvani ( ), que estaba estudiando la contracción muscular de las patas de rana. Por su lado Volta ( )demostró que se puede hacer una pila con el efecto galvánico (en honor a su amigo Galvani) sumergiendo en una solución salina diferentes metales, produciéndose con ello una diferencia de potencial entre los mencionados metales. La pila ha sido el prototipo de todas las modernas baterías. -3/6-

4 El potencial eléctrico caracteriza el grado de electrización de los cuerpos cargados. El potencial eléctrico se mide en volts, la carga eléctrica se mide en coulombs y el trabajo en julios. Cuando se quiere aumentar una unidad de carga eléctrica a un cuerpo ya previamente cargado, utilizando otro cargado con la misma polaridad de carga eléctrica, por efecto de repulsión se requiere realizar un trabajo mecánico (vencer el potencial eléctrico de repulsión); para aumentar un coulomb, se requiere realizar un trabajo de 1 joule en un campo eléctrico de repulsión de 1 volt. Se requiere un trabajo de 1 joule, para transferir una carga de 1 coulomb a un cuerpo cargado con 1 coulomb, siendo la diferencia de potencial eléctrico de 1 volt. Electromagnetismo Las cargas eléctricas (estáticas) no influyen sobre los imanes, ni los imanes (estáticos) influyen sobre las cargas eléctricas. El descubridor de la relación entre la electricidad y el magnetismo fue Hans Christian Oersted ( ). Haciendo circular una correinte (proveniente de una pila) sobre un alambre, Oersted pudo observar que se producía un campo que afectaba a la imantación de una brújula. Dicho campo es un campo magnético. Este descubrimiento llamó la atención de André Marie Ampere ( ), quien fue el primero en formular claramente la idea de la corriente eléctrica como el movimiento de la electricidad, y la unidad de corriente eléctrica lleva su nombre. Un ampere, se define como la (cantidad de) corriente que transporta 1 coulomb por segundo a través de la sección transversal de un alambre conductor. 1 ampere es equivalente a 1 coulomb por segundo Las leyes del circuito eléctrico George Simon Ohm ( ) se interesó por tratar de ver en qué medida la fuerza de la corriente eléctrica depende del material del alambre por donde corre y del potencial eléctrico que la mantiene fluyendo. Encontró que la fuerza de la corriente eléctrica es directamente proporcional a la sección transversal del alambre que la conduce, inversamente proporcional a su longitud y depende del material con que está hecho. Asimismo, encontró que para un mismo alambre, la fuerza de la corriente es proporcional a la diferencia de potencial (en volts) entre los dos extremos. De este modo, Ohm introdujo el concepto de resistencia eléctrica, declarando que la fuerza de la corriente (la intensidad de corriente en amperes) es directamente proporcional a la diferencia de potencial (en volts) e inversamente proporcional a la resistencia (en ohms) del alambre: I = V/R. En su honor la unidad de resistencia eléctrica se llama ohm, y la unidad de conductividad eléctrica (lo inverso de la resistencia), se llama mho. -4/6-

5 Descubrimientos de Faraday Michael Faraday ( ) fue el precursor de lo que hoy llamamos la física moderna. Descubrió la descomposición química por electrólisis, es decir reacción química por efecto de corrientes eléctricas. Descubrió asimismo por experimento dos leyes fundamentales. La primera Ley de Faraday dice que: para una solución electrolítica dada, la cantidad de material depositado sobre (o liberado de) los electrodos es proporcional a la cantidad total de electricidad que pasa a través de la solución. Esto significa que las moléculas cargadas (que conocemos ahora como iones) que transportan la electricidad a través de soluciones líquidas tienen una carga exactamente definida. Electrólisis del cloruro de sodio diluido en solución Conforme a la segunda ley de Faraday: los iones monovalentes de sustancias diferentes transportan también igual cantidad de electricidad mientras que los iones bi-tri-etc.-valentes transportan cargas correspondientemente mayores (en múltiplos de valencia). Esto demuestra una unidad universal de carga eléctrica que, en la época de Faraday, se consideraba que únicamente estaba adherida a los distintos átomos, pero después ha sido detectada en la forma de electrones libres que fluyen a través del espacio. Faraday experimentó también sobre la inducción electromagnética descubriendo que la corriente eléctrica en una espiral de alambre puede inducir una corriente en otra espiral situada cerca, de forma análoga que una carga eléctrica induce la polarización eléctrica (desequilibrio eléctrico) de otro cuerpo cercano. Experimento sobre la inducción de corriente por el efecto de acercamiento y desplazamiento de imanes sobre espirales de alambre. Michael Faraday descubrió asimismo la rotación del plano de polarización de luz que se propaga a lo largo de líneas magnéticas. Ecuaciones de Maxwell, versión integrales, que relacionan el valor del cambio del campo magnético con la distribución espacial del campo eléctrico y viceversa. Efecto de rotación del plano de polarización por el efecto combinado de un campo magnético y un cristal activo de faraday Campo electromagnético Las misteriosas fuerzas magnéticas que actuaban entre los cuerpos a distancia fueron sustituidas en la física por la idea del campo de fuerzas o simplemente campo en el caso de interacciones eléctricas, magnéticas y gravitatorias. El trabajo de dar a las ideas de Faraday una formulación matemática cuantitativa fue realizado por James Clerk Maxwell ( ), que es conocido principalmente por haber desarrollado la teoría electromagnético clásica, sintetizando todas las anteriores observaciones, experimentos y leyes sobre electricidad, magnetismo y aun sobre óptica, en una teoría consistente.. Las investigaciones de Maxwell expresadas a través de sus ecuaciones demostraron que la electricidad, el magnetismo y hasta la luz, son manifestaciones del mismo fenómeno: el campo electromagnético. Mediante sus ecuaciones, Maxwell pudo probar que el campo electromagnético oscilante se propaga a través del espacio que circunda al oscilador en la forma de ondas que transportan energía. -5/6-

6 La existencia de estas ondas fue confirmada experimentalmente en 1888 por Henrich Hertz ( ) y condujo al desarrollo de la técnica de radiocomunicación que actualmente representa una de las mayores ramas de la civilización industrial. -6/6-