La historia de la teoría electromagnética comienza con las antiguas medidas para comprender la electricidad atmosférica , en particular los rayos . [1] La gente de entonces tenía poco conocimiento de la electricidad y era incapaz de explicar los fenómenos. [2] La comprensión científica y la investigación sobre la naturaleza de la electricidad crecieron a lo largo de los siglos XVIII y XIX gracias al trabajo de investigadores como André-Marie Ampère , Charles-Augustin de Coulomb , Michael Faraday , Carl Friedrich Gauss y James Clerk Maxwell .
En el siglo XIX quedó claro que la electricidad y el magnetismo estaban relacionados, y sus teorías se unificaron: dondequiera que haya cargas en movimiento se produce una corriente eléctrica, y el magnetismo se debe a la corriente eléctrica. [3] La fuente del campo eléctrico es la carga eléctrica , mientras que la del campo magnético es la corriente eléctrica (cargas en movimiento).
El conocimiento de la electricidad estática se remonta a las primeras civilizaciones, pero durante milenios se mantuvo como un fenómeno interesante y desconcertante, sin una teoría que explicara su comportamiento, y a menudo se confundía con el magnetismo. Los antiguos conocían propiedades bastante curiosas que poseían dos minerales, el ámbar ( griego : ἤλεκτρον , ēlektron ) y el mineral de hierro magnético ( μαγνῆτις λίθος magnētis lithos , [4] "la piedra de magnesio", [5] piedra imán "). El ámbar, cuando se frota, atrae objetos ligeros, como plumas; el mineral de hierro magnético tiene el poder de atraer el hierro. [6]
Basándose en su hallazgo de un artefacto de hematita olmeca en América Central , el astrónomo estadounidense John Carlson ha sugerido que "los olmecas pueden haber descubierto y utilizado la brújula de piedra imán geomagnética antes del año 1000 a. C." De ser cierto, esto "precede al descubrimiento chino de la brújula de piedra imán geomagnética en más de un milenio". [7] [8] Carlson especula que los olmecas pueden haber utilizado artefactos similares como un dispositivo direccional con fines astrológicos o geománticos , o para orientar sus templos, las moradas de los vivos o los enterramientos de los muertos. La primera referencia literaria china al magnetismo se encuentra en un libro del siglo IV a. C. llamado Libro del Maestro del Valle del Diablo (鬼谷子): "La piedra imán hace que el hierro se acerque o lo atrae". [9] [10]
Mucho antes de que existiera cualquier conocimiento del electromagnetismo , la gente era consciente de los efectos de la electricidad . Los rayos y otras manifestaciones de la electricidad como el fuego de San Telmo eran conocidos en la antigüedad, pero no se entendía que estos fenómenos tuvieran un origen común. [11] Los antiguos egipcios eran conscientes de las descargas eléctricas al interactuar con peces eléctricos (como el bagre eléctrico ) u otros animales (como las anguilas eléctricas ). [12] Las descargas de los animales eran evidentes para los observadores desde la prehistoria por una variedad de pueblos que entraron en contacto con ellos. Textos del 2750 a. C. de los antiguos egipcios se referían a estos peces como "tronadores del Nilo " y los veían como los "protectores" de todos los demás peces. [6] Otra posible aproximación al descubrimiento de la identidad del rayo y la electricidad de cualquier otra fuente, se debe atribuir a los árabes, quienes antes del siglo XV usaban la misma palabra árabe para rayo ( barq ) y rayo eléctrico . [11]
Tales de Mileto, que escribió alrededor del año 600 a. C., observó que frotar el pelaje sobre diversas sustancias, como el ámbar, hacía que estas atrajeran motas de polvo y otros objetos ligeros. Tales escribió sobre el efecto que ahora se conoce como electricidad estática . Los griegos observaron que si frotaban el ámbar durante el tiempo suficiente, incluso podían lograr que saltara una chispa eléctrica . [13] [14]
El antiguo texto médico indio Sushruta Samhita describe el uso de las propiedades magnéticas de la piedra imán para eliminar flechas incrustadas en el cuerpo de una persona. [15]
Milenios después, los naturalistas y médicos romanos y árabes volvieron a informar sobre estos fenómenos electrostáticos . [16] Varios escritores antiguos, como Plinio el Viejo y Escribonio Largo , dieron fe del efecto adormecedor de las descargas eléctricas emitidas por los bagres y los rayos eléctricos. Plinio escribe en sus libros: «Los antiguos toscanos, por su erudición, sostienen que hay nueve dioses que envían rayos y que estos son de once clases». Esta era, en general, la idea pagana primitiva del rayo. [11] Los antiguos sostenían el concepto de que las descargas podían viajar a lo largo de objetos conductores. [17] A los pacientes con dolencias como la gota o el dolor de cabeza se les indicaba que tocaran peces eléctricos con la esperanza de que la poderosa descarga pudiera curarlos. [18]
Un grupo de objetos encontrados en Irak en 1938 que datan de los primeros siglos d. C. ( Mesopotamia sasánida ), llamado la Batería de Bagdad , se asemeja a una celda galvánica y algunos creen que se utilizó para galvanoplastia . [19] Las afirmaciones son controvertidas debido a la evidencia y las teorías que respaldan los usos de los artefactos, [20] [21] la evidencia física de que los objetos conducían a funciones eléctricas, [22] y si eran de naturaleza eléctrica. Como resultado, la naturaleza de estos objetos se basa en la especulación y la función de estos artefactos sigue siendo dudosa. [23]
Aristóteles y Tales explicaron en una ocasión que la atracción magnética era el resultado de la acción de un alma en la piedra. [24]
La brújula de aguja magnética fue desarrollada en el siglo XI y mejoró la precisión de la navegación al emplear el concepto astronómico del norte verdadero ( Dream Pool Essays , 1088). El científico chino Shen Kuo (1031-1095) fue la primera persona conocida por escribir sobre la brújula de aguja magnética y en el siglo XII se sabía que los chinos usaban la brújula de piedra imán para la navegación. En Europa, la primera descripción de la brújula y su uso para la navegación son de Alexander Neckam (1187), aunque el uso de brújulas ya era común. Su desarrollo, en la historia europea, se debió a Flavio Gioja de Amalfi . [25]
En el siglo XIII, Peter Peregrinus , nativo de Maricourt en Picardía , realizó experimentos sobre magnetismo y escribió el primer tratado existente que describe las propiedades de los imanes y las agujas giratorias de las brújulas. [6] En 1282, las propiedades de los imanes y las brújulas secas fueron discutidas por Al-Ashraf Umar II , un erudito yemení . [26] La brújula seca fue inventada alrededor de 1300 por el inventor italiano Flavio Gioja. [27] [ contradictorio ]
El arzobispo Eustacio de Tesalónica , erudito y escritor griego del siglo XII, registra que Woliver , rey de los godos , era capaz de sacar chispas de su cuerpo. El mismo escritor afirma que cierto filósofo era capaz de sacar chispas de su ropa mientras se vestía, un resultado aparentemente similar al obtenido por Robert Symmer en sus experimentos con medias de seda, de los que se puede encontrar un relato detallado en Philosophical Transactions , 1759. [11]
El médico italiano Gerolamo Cardano escribió sobre la electricidad en De Subtilitate (1550) distinguiendo, quizás por primera vez, entre fuerzas eléctricas y magnéticas.
Hacia finales del siglo XVI, un médico de la época de la reina Isabel , William Gilbert , en De Magnete , amplió el trabajo de Cardano e inventó la palabra neolatina electrica a partir de ἤλεκτρον ( ēlektron ), la palabra griega para "ámbar". [28]
Gilbert realizó una serie de experimentos eléctricos minuciosos, en el curso de los cuales descubrió que muchas sustancias distintas del ámbar, como el azufre, la cera, el vidrio, etc., [29] eran capaces de manifestar propiedades eléctricas. Gilbert también descubrió que un cuerpo calentado perdía su electricidad y que la humedad impedía la electrificación de todos los cuerpos, debido al hecho ahora bien conocido de que la humedad perjudicaba el aislamiento de tales cuerpos. También notó que las sustancias electrificadas atraían a todas las demás sustancias indiscriminadamente, mientras que un imán solo atraía al hierro. Los muchos descubrimientos de esta naturaleza le valieron a Gilbert el título de fundador de la ciencia eléctrica . [11] Al investigar las fuerzas sobre una aguja metálica ligera, equilibrada en un punto, amplió la lista de cuerpos eléctricos y descubrió también que muchas sustancias, incluidos los metales y los imanes naturales, no mostraban fuerzas de atracción cuando se frotaban. Observó que el tiempo seco con viento del norte o del este era la condición atmosférica más favorable para exhibir fenómenos eléctricos, una observación propensa a errores hasta que se entendió la diferencia entre conductor y aislante. [30]
El trabajo de Gilbert fue continuado por Robert Boyle (1627-1691), el famoso filósofo natural que una vez fue descrito como "padre de la química y tío del conde de Cork". Boyle fue uno de los fundadores de la Royal Society cuando se reunía en privado en Oxford, y se convirtió en miembro del consejo después de que la Sociedad fuera incorporada por Carlos II en 1663. Dejó un relato detallado de su investigación bajo el título de Experimentos sobre el origen de la electricidad . [30] Descubrió que los cuerpos electrizados atraían sustancias ligeras en el vacío, lo que indica que el efecto eléctrico no dependía del aire como medio. También agregó resina y otras sustancias a la lista entonces conocida de sustancias eléctricas. [11] [31] [32] [33]
En 1663 Otto von Guericke inventó un dispositivo que ahora se reconoce como un generador electrostático temprano (posiblemente el primero) , pero no lo reconoció principalmente como un dispositivo eléctrico ni realizó experimentos eléctricos con él. [34] A fines del siglo XVII, los investigadores habían desarrollado medios prácticos para generar electricidad por fricción con un generador electrostático , pero el desarrollo de máquinas electrostáticas no comenzó en serio hasta el siglo XVIII, cuando se convirtieron en instrumentos fundamentales en los estudios sobre la nueva ciencia de la electricidad .
El primer uso de la palabra electricidad se atribuye a Sir Thomas Browne en su obra de 1646, Pseudodoxia Epidemica .
La primera aparición del término electromagnetismo fue en Magnes , [35] del eminente jesuita Athanasius Kircher , en 1641, que lleva el provocativo encabezado del capítulo: " Elektro-magnetismos, es decir, Sobre el magnetismo del ámbar, o atracciones eléctricas y sus causas" ( ἠλεκτρο-μαγνητισμός id est sive De Magnetismo electri, seu electricis attractionibus earumque causis ).
La máquina eléctrica fue posteriormente mejorada por Francis Hauksbee , su alumno Litzendorf, y por el profesor Georg Matthias Bose , alrededor de 1750. Litzendorf, investigando para Christian August Hausen , sustituyó una bola de vidrio por la bola de azufre de Guericke . Bose fue el primero en emplear el "conductor principal" en tales máquinas, que consistía en una varilla de hierro sostenida en la mano de una persona cuyo cuerpo estaba aislado al estar de pie sobre un bloque de resina. Ingenhousz , durante 1746, inventó máquinas eléctricas hechas de vidrio. [37] Los experimentos con la máquina eléctrica fueron ayudados en gran medida por el descubrimiento de que una placa de vidrio, recubierta por ambos lados con papel de aluminio, acumularía carga eléctrica cuando se conectaba con una fuente de fuerza electromotriz . La máquina eléctrica pronto fue mejorada aún más por Andrew Gordon , un escocés, profesor en Erfurt, que sustituyó un cilindro de vidrio en lugar de un globo de vidrio; y por Giessing de Leipzig, que añadió una "goma" consistente en un cojín de material de lana. El colector, que consta de una serie de puntas de metal, fue añadido a la máquina por Benjamin Wilson alrededor de 1746, y en 1762, John Canton de Inglaterra (también el inventor del primer electroscopio de bolas de médula en 1754 [38] ) mejoró la eficiencia de las máquinas eléctricas rociando una amalgama de estaño sobre la superficie de la goma. [11]
En 1729, Stephen Gray realizó una serie de experimentos que demostraron la diferencia entre conductores y no conductores (aislantes), demostrando, entre otras cosas, que un alambre de metal e incluso un hilo de embalar conducían la electricidad, mientras que la seda no. En uno de sus experimentos, envió una corriente eléctrica a través de 250 metros de hilo de cáñamo que estaba suspendido a intervalos mediante bucles de hilo de seda. Cuando intentó realizar el mismo experimento sustituyendo la seda por un alambre de latón finamente hilado, descubrió que la corriente eléctrica ya no se transportaba a través del cordón de cáñamo, sino que parecía desaparecer en el alambre de latón. A partir de este experimento, clasificó las sustancias en dos categorías: "eléctricas", como el vidrio, la resina y la seda, y "no eléctricas", como el metal y el agua. Las "no eléctricas" conducían cargas, mientras que las "eléctricas" las retenían. [11] [39]
Intrigado por los resultados de Gray, en 1732 CF du Fay comenzó a realizar varios experimentos. En su primer experimento, Du Fay concluyó que todos los objetos, excepto los metales, los animales y los líquidos, podían electrizarse mediante frotamiento y que los metales, los animales y los líquidos podían electrizarse mediante una máquina eléctrica, desacreditando así la clasificación de sustancias de Gray en "eléctricas" y "no eléctricas".
En 1733, Du Fay descubrió lo que creía que eran dos tipos de electricidad por fricción: una generada al frotar vidrio y la otra al frotar resina. [40] A partir de esto, Du Fay teorizó que la electricidad consiste en dos fluidos eléctricos, "vítreo" y "resinoso", que están separados por la fricción y que se neutralizan entre sí cuando se combinan. [41] Esta imagen de la electricidad también fue apoyada por Christian Gottlieb Kratzenstein en sus trabajos teóricos y experimentales. La teoría de los dos fluidos daría lugar más tarde al concepto de cargas eléctricas positivas y negativas ideado por Benjamin Franklin. [11]
La botella de Leyden , un tipo de condensador para energía eléctrica en grandes cantidades, fue inventada independientemente por Ewald Georg von Kleist el 11 de octubre de 1744 y por Pieter van Musschenbroek en 1745-1746 en la Universidad de Leiden (este último lugar le dio el nombre al dispositivo). [40] [42] William Watson , al experimentar con la botella de Leyden, descubrió en 1747 que una descarga de electricidad estática era equivalente a una corriente eléctrica . La capacitancia fue observada por primera vez por Von Kleist de Leyden en 1754. [43] Von Kleist sostuvo, cerca de su máquina eléctrica, una pequeña botella, en cuyo cuello había un clavo de hierro. Al tocar el clavo de hierro accidentalmente con su otra mano, recibió una descarga eléctrica severa. De manera muy similar, Musschenbroeck, asistido por Cunaens, recibió una descarga más severa de una botella de vidrio algo similar. El inglés Sir William Watson perfeccionó enormemente este dispositivo al cubrir la botella o frasco por dentro y por fuera con papel de aluminio. Este aparato eléctrico se reconocerá fácilmente como el famoso frasco de Leyden, llamado así por el abad Nollet de París, en honor al lugar de su descubrimiento. [11]
En 1741, John Ellicott "propuso medir la fuerza de la electrificación por su poder para levantar un peso en una balanza mientras la otra se sostenía sobre el cuerpo electrificado y era atraída hacia él por su poder de atracción". Ya en 1746, Jean-Antoine Nollet (1700-1770) había realizado experimentos sobre la velocidad de propagación de la electricidad. Al involucrar a 200 monjes cartujos conectados de mano a mano por cables de hierro [44] de modo que formaran un círculo de aproximadamente 1,6 km, pudo demostrar que esta velocidad es finita, aunque muy alta. [45] [46] En 1749, Sir William Watson realizó numerosos experimentos para determinar la velocidad de la electricidad en un cable. Estos experimentos, aunque quizás no fueran esa la intención, también demostraron la posibilidad de transmitir señales a distancia mediante electricidad. En estos experimentos, la señal parecía recorrer instantáneamente la longitud de 12.276 pies del cable aislado. Le Monnier ya había realizado experimentos similares en Francia, enviando descargas a través de un cable de hierro de 400 metros de largo. [11]
En 1750 se realizaron los primeros experimentos de electroterapia . Varios investigadores realizaron pruebas para determinar los efectos fisiológicos y terapéuticos de la electricidad. Un ejemplo típico de este esfuerzo fue Kratzenstein en Halle , quien en 1744 escribió un tratado sobre el tema. Demainbray , en Edimburgo, examinó los efectos de la electricidad sobre las plantas y concluyó que el crecimiento de dos árboles de mirto se aceleraba con la electrificación. Estos mirtos fueron electrificados "durante todo el mes de octubre de 1746, y produjeron ramas y flores antes que otros arbustos de la misma especie no electrificados". [47] El abad Ménon, en Francia, probó los efectos de una aplicación continua de electricidad sobre hombres y pájaros y descubrió que los sujetos experimentaban con la pérdida de peso, lo que aparentemente demostraba que la electricidad aceleraba las secreciones. [48] [49] La eficacia de las descargas eléctricas en casos de parálisis se probó en el hospital del condado de Shrewsbury, Inglaterra , con un éxito bastante pobre. [50]
Benjamin Franklin promovió sus investigaciones y teorías sobre la electricidad a través del famoso, aunque extremadamente peligroso, experimento de hacer volar una cometa a su hijo en un cielo amenazado por una tormenta. Una llave atada a la cuerda de la cometa hacía chispear y cargaba una botella de Leyden, estableciendo así el vínculo entre el rayo y la electricidad. [51] Después de estos experimentos, inventó un pararrayos . Se considera que Franklin (con más frecuencia) o Ebenezer Kinnersley de Filadelfia (con menos frecuencia) establecieron la convención de la electricidad positiva y negativa.
En aquella época, las teorías sobre la naturaleza de la electricidad eran bastante vagas y las que prevalecían eran más o menos contradictorias. Franklin consideraba que la electricidad era un fluido imponderable que lo impregnaba todo y que, en condiciones normales, se distribuía uniformemente en todas las sustancias. Supuso que las manifestaciones eléctricas obtenidas al frotar un vidrio se debían a la producción de un exceso de fluido eléctrico en esa sustancia y que las manifestaciones producidas al frotar cera se debían a un déficit del fluido. Esta explicación fue rechazada por los partidarios de la teoría de los "dos fluidos", como Robert Symmer en 1759. En esta teoría, las electricidades vítrea y resinosa se consideraban fluidos imponderables, estando cada fluido compuesto de partículas mutuamente repelente, mientras que las partículas de las electricidades opuestas se atraen mutuamente. Cuando los dos fluidos se unen como resultado de su atracción mutua, su efecto sobre los objetos externos se neutraliza. El acto de frotar un cuerpo descompone los fluidos, de los cuales uno permanece en exceso en el cuerpo y se manifiesta como electricidad vítrea o resinosa. [11]
Hasta el momento del histórico experimento de la cometa de Franklin , [52] no se había establecido de manera general la identidad de la electricidad desarrollada por el roce y por las máquinas electrostáticas ( electricidad de fricción ) con el rayo. El Dr. Wall, [53] Abbot Nollet , Hauksbee , [54] Stephen Gray [55] y John Henry Winkler [56] habían sugerido de hecho la semejanza entre los fenómenos de la "electricidad" y el "rayo", habiendo Gray insinuado que sólo diferían en grado. Sin embargo, fue sin duda Franklin quien propuso por primera vez pruebas para determinar la similitud de los fenómenos. En una carta a Peter Comlinson de Londres, el 19 de octubre de 1752, Franklin, refiriéndose a su experimento de la cometa, escribió:
"Con esta llave se puede cargar el frasco (botella de Leyden); y a partir del fuego eléctrico así obtenido se pueden encender los espíritus, y se pueden realizar todos los demás experimentos eléctricos que se hacen habitualmente con la ayuda de un globo o tubo de vidrio frotado, y de ese modo se demuestra completamente la identidad de la materia eléctrica con la del rayo." [57]
El 10 de mayo de 1742, Thomas-François Dalibard , en Marly (cerca de París), utilizando una barra de hierro vertical de 40 pies de largo, obtuvo resultados correspondientes a los registrados por Franklin y algo anteriores a la fecha del experimento de Franklin. La importante demostración de Franklin de la identidad de la electricidad por fricción y los rayos añadió entusiasmo a los esfuerzos de los numerosos experimentadores en este campo en la segunda mitad del siglo XVIII, para hacer avanzar el progreso de la ciencia . [11]
Las observaciones de Franklin ayudaron a científicos posteriores [ cita requerida ] como Michael Faraday , Luigi Galvani , Alessandro Volta , André-Marie Ampère y Georg Simon Ohm , cuyo trabajo colectivo proporcionó la base para la tecnología eléctrica moderna y por quienes se nombran las unidades fundamentales de medición eléctrica. Otros que harían avanzar el campo del conocimiento incluyeron a William Watson , Georg Matthias Bose , Smeaton, Louis-Guillaume Le Monnier , Jacques de Romas , Jean Jallabert, Giovanni Battista Beccaria , Tiberius Cavallo , John Canton , Robert Symmer , Abbot Nollet , John Henry Winkler, Benjamin Wilson , Ebenezer Kinnersley , Joseph Priestley , Franz Aepinus , Edward Hussey Délavai, Henry Cavendish y Charles-Augustin de Coulomb . Se pueden encontrar descripciones de muchos de los experimentos y descubrimientos de estos primeros científicos eléctricos en las publicaciones científicas de la época, en particular Philosophical Transactions , Philosophical Magazine , Cambridge Mathematical Journal , Natural Philosophy de Young , History of Electricity de Priestley , Experiments and Observations on Electricity de Franklin , Treatise on Electricity de Cavalli y Treatise on Electricity de De la Rive . [11]
Henry Elles fue una de las primeras personas en sugerir vínculos entre la electricidad y el magnetismo. En 1757 afirmó que había escrito a la Royal Society en 1755 sobre los vínculos entre la electricidad y el magnetismo, afirmando que "hay algunas cosas en el poder del magnetismo muy similares a las de la electricidad", pero que "no pensaba de ninguna manera que fueran lo mismo". En 1760 afirmó de manera similar que en 1750 había sido el primero "en pensar cómo el fuego eléctrico puede ser la causa del trueno". [58] Entre las investigaciones y experimentos eléctricos más importantes durante este período se encuentran los de Franz Aepinus , un destacado erudito alemán (1724-1802) y Henry Cavendish de Londres, Inglaterra. [11]
A Franz Aepinus se le atribuye el mérito de haber sido el primero en concebir la teoría de la relación recíproca entre la electricidad y el magnetismo. En su obra Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism [59] , publicada en San Petersburgo en 1759, ofrece la siguiente ampliación de la teoría de Franklin, que en algunos de sus aspectos concuerda con las opiniones actuales: "Las partículas del fluido eléctrico se repelen, se atraen y son atraídas por las partículas de todos los cuerpos con una fuerza que disminuye en proporción al aumento de la distancia; el fluido eléctrico existe en los poros de los cuerpos; se mueve sin obstáculos a través de elementos no eléctricos (conductores), pero se mueve con dificultad en los aislantes; las manifestaciones de la electricidad se deben a la distribución desigual del fluido en un cuerpo, o al acercamiento de cuerpos desigualmente cargados con el fluido". Aepinus formuló una teoría correspondiente del magnetismo, excepto que, en el caso de los fenómenos magnéticos, los fluidos solo actuaban sobre las partículas de hierro. También realizó numerosos experimentos eléctricos que aparentemente demostraron que, para manifestar efectos eléctricos, la turmalina debe calentarse entre 37,5 °C y 100 °C. De hecho, la turmalina permanece sin electrificar cuando su temperatura es uniforme, pero manifiesta propiedades eléctricas cuando su temperatura aumenta o disminuye. Los cristales que manifiestan propiedades eléctricas de esta manera se denominan piroeléctricos ; junto con la turmalina, estos incluyen el sulfato de quinina y el cuarzo. [11]
Henry Cavendish concibió de forma independiente una teoría de la electricidad casi similar a la de Aepinus. [60] En 1784, fue quizás el primero en utilizar una chispa eléctrica para producir una explosión de hidrógeno y oxígeno en las proporciones adecuadas que crearían agua pura. Cavendish también descubrió la capacidad inductiva de los dieléctricos (aislantes) y, ya en 1778, midió la capacidad inductiva específica de la cera de abejas y otras sustancias comparándola con un condensador de aire.
Alrededor de 1784, CA Coulomb ideó la balanza de torsión , descubriendo lo que hoy se conoce como la ley de Coulomb : la fuerza ejercida entre dos pequeños cuerpos electrificados varía inversamente al cuadrado de la distancia, no como había supuesto Aepinus en su teoría de la electricidad, simplemente inversamente a la distancia. Según la teoría propuesta por Cavendish, "las partículas se atraen y son atraídas inversamente a una potencia menor de la distancia que el cubo". [11] Una gran parte del dominio de la electricidad quedó virtualmente anexada por el descubrimiento de Coulomb de la ley de los cuadrados inversos.
A través de los experimentos de William Watson y otros que demostraban que la electricidad podía transmitirse a distancia, la idea de hacer un uso práctico de este fenómeno comenzó, alrededor de 1753, a absorber las mentes de las personas curiosas. Con este fin, se hicieron sugerencias sobre el uso de la electricidad en la transmisión de información. El primero de los métodos ideados para este propósito fue probablemente el de Georges Lesage en 1774. [61] [62] [63] Este método consistía en 24 cables, aislados entre sí y cada uno de ellos con una bola de médula conectada a su extremo distante. Cada cable representaba una letra del alfabeto. Para enviar un mensaje, un cable deseado se cargaba momentáneamente con electricidad de una máquina eléctrica, con lo cual la bola de médula conectada a ese cable salía volando. También se probaron otros métodos de telegrafía en los que se empleaba electricidad por fricción, algunos de los cuales se describen en la historia del telégrafo . [11]
La era de la electricidad galvánica o voltaica representó una ruptura revolucionaria con el enfoque histórico en la electricidad por fricción. Alessandro Volta descubrió que las reacciones químicas podían usarse para crear ánodos cargados positivamente y cátodos cargados negativamente . Cuando se conectaba un conductor entre estos, la diferencia en el potencial eléctrico (también conocido como voltaje) impulsaba una corriente entre ellos a través del conductor. La diferencia de potencial entre dos puntos se mide en unidades de voltios en reconocimiento al trabajo de Volta. [64] [11]
La primera mención de la electricidad voltaica, aunque no se la reconoció como tal en su época, fue probablemente hecha por Johann Georg Sulzer en 1767, quien, al colocarse un pequeño disco de cinc debajo de la lengua y un pequeño disco de cobre encima, observó un sabor peculiar cuando los respectivos metales se tocaban en sus bordes. Sulzer supuso que cuando los metales se juntaban se ponían a vibrar, actuando sobre los nervios de la lengua para producir los efectos observados. En 1790, el profesor Luigi Alyisio Galvani de Bolonia, mientras realizaba experimentos sobre la " electricidad animal ", notó el temblor de las patas de una rana en presencia de una máquina eléctrica. Observó que el músculo de una rana, suspendido en una balaustrada de hierro por un gancho de cobre que pasaba por su columna dorsal, sufría convulsiones vivaces sin ninguna causa externa, ya que la máquina eléctrica estaba ausente en ese momento. [11]
Para explicar este fenómeno, Galvani supuso que existía electricidad de tipos opuestos en los nervios y músculos de la rana, y que estos músculos y nervios constituían los recubrimientos cargados de una botella de Leyden. Galvani publicó los resultados de sus descubrimientos, junto con su hipótesis, que atrajo la atención de los físicos de la época. [64] El más destacado de ellos fue Volta, profesor de física en Pavía , quien sostuvo que los resultados observados por Galvani eran el resultado de los dos metales, cobre y hierro, que actuaban como electromotores , y que los músculos de la rana desempeñaban el papel de un conductor, completando el circuito. Esto precipitó una larga discusión entre los partidarios de las opiniones en conflicto. Un grupo estuvo de acuerdo con Volta en que la corriente eléctrica era el resultado de una fuerza electromotriz de contacto en los dos metales; el otro adoptó una modificación de la opinión de Galvani y afirmó que la corriente era el resultado de una afinidad química entre los metales y los ácidos en la pila. Michael Faraday escribió en el prefacio de sus Investigaciones experimentales , en relación a la cuestión de si el contacto metálico produce una parte de la electricidad de la pila voltaica: "No veo ninguna razón todavía para alterar la opinión que he dado; ... pero el punto en sí es de tan gran importancia que tengo la intención de renovar la investigación en la primera oportunidad y, si puedo, hacer que las pruebas, ya sea de un lado o del otro, sean innegables para todos". [11]
Sin embargo, ni siquiera el propio Faraday zanjó la controversia y, aunque las opiniones de los defensores de ambos bandos fueron modificándose a medida que lo exigían las investigaciones y los descubrimientos posteriores, hasta 1918 siguió apareciendo diversidad de opiniones sobre estos puntos. Volta realizó numerosos experimentos en apoyo de su teoría y, en última instancia, desarrolló la pila o batería [65] , que fue la precursora de todas las baterías químicas posteriores y poseía el mérito distintivo de ser el primer medio por el cual se podía obtener una corriente eléctrica continua y prolongada. Volta comunicó una descripción de su pila a la Royal Society de Londres y, poco después, Nicholson y Cavendish (1780) produjeron la descomposición del agua por medio de la corriente eléctrica, utilizando la pila de Volta como fuente de fuerza electromotriz [11] .
En 1800, Alessandro Volta construyó el primer dispositivo capaz de producir una gran corriente eléctrica, conocido posteriormente como batería eléctrica . Napoleón , informado de sus trabajos, lo convocó en 1801 para que presentara sus experimentos. Recibió numerosas medallas y condecoraciones, entre ellas la Legión de Honor .
En 1806, Davy , utilizando una pila voltaica de aproximadamente 250 celdas o pares, descompuso la potasa y la soda, demostrando que estas sustancias eran respectivamente óxidos de potasio y sodio, metales que hasta entonces se desconocían. Estos experimentos fueron el comienzo de la electroquímica , cuya investigación emprendió Faraday y sobre la que en 1833 anunció su importante ley de equivalentes electroquímicos, a saber: " La misma cantidad de electricidad -es decir, la misma corriente eléctrica- descompone cantidades químicamente equivalentes de todos los cuerpos que atraviesa; por lo tanto, los pesos de los elementos separados en estos electrolitos son entre sí como sus equivalentes químicos ". Utilizando una batería de 2.000 elementos de una pila voltaica, Humphry Davy en 1809 dio la primera demostración pública de la luz de arco eléctrico , utilizando carbón encerrado en el vacío. [11]
Es importante señalar que no fue hasta muchos años después del descubrimiento de la pila voltaica que se reconoció y demostró claramente la similitud de la electricidad animal y la electricidad por fricción con la electricidad voltaica. Así, en enero de 1833 encontramos a Faraday escribiendo [66] en un artículo sobre la electricidad del rayo eléctrico . " Después de examinar los experimentos de Walsh, [67] [68] Ingenhousz , Henry Cavendish , Sir H. Davy y el Dr. Davy, no me queda ninguna duda sobre la identidad de la electricidad del torpedo con la electricidad común (friccional) y voltaica; y supongo que quedará tan poco en la mente de los demás como para justificar que me abstenga de entrar en profundidad en la prueba filosófica de esa identidad. Las dudas planteadas por Sir Humphry Davy han sido disipadas por su hermano, el Dr. Davy; los resultados de este último son opuestos a los del primero. ... La conclusión general que, creo, debe extraerse de esta colección de hechos (una tabla que muestra la similitud de las propiedades de las electricidades con diversos nombres) es que la electricidad, cualquiera que sea su fuente, es idéntica en su naturaleza ". [11]
Es apropiado señalar, sin embargo, que antes de la época de Faraday la similitud de la electricidad derivada de diferentes fuentes era más que sospechada. Así, William Hyde Wollaston , [69] escribió en 1801: [70] " Esta similitud en los medios por los cuales tanto la electricidad como el galvanismo (electricidad voltaica) parecen ser excitados además de la semejanza que se ha trazado entre sus efectos muestra que ambos son esencialmente lo mismo y confirma una opinión que ya ha sido presentada por otros, de que todas las diferencias descubribles en los efectos de este último pueden deberse a que es menos intenso, pero se produce en una cantidad mucho mayor ". En el mismo artículo Wollaston describe ciertos experimentos en los que utiliza un alambre muy fino en una solución de sulfato de cobre a través del cual hizo pasar corrientes eléctricas desde una máquina eléctrica. Esto es interesante en relación con el uso posterior de alambres finos dispuestos de manera casi similar en receptores electrolíticos en radiotelegrafía o radiotelegrafía. [11]
En la primera mitad del siglo XIX se produjeron muchos avances muy importantes en el conocimiento mundial sobre la electricidad y el magnetismo. Por ejemplo, en 1820 Hans Christian Ørsted , de Copenhague, descubrió el efecto desviador de una corriente eléctrica que atravesaba un alambre sobre una aguja magnética suspendida. [11]
Este descubrimiento dio una pista sobre la relación íntima posteriormente demostrada entre la electricidad y el magnetismo, que fue seguida rápidamente por Ampère , quien algunos meses después, en septiembre de 1820, presentó los primeros elementos de su nueva teoría, que desarrolló en los años siguientes y que culminó con la publicación en 1827 de su " Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l'experience " (Memoria sobre la teoría matemática de los fenómenos electrodinámicos, deducida únicamente de la experiencia), anunciando su célebre teoría de la electrodinámica, relacionada con la fuerza que una corriente ejerce sobre otra, por sus efectos electromagnéticos, a saber: [11]
Ampere introdujo en la teoría una multitud de fenómenos gracias a sus investigaciones sobre las fuerzas mecánicas entre conductores que soportan corrientes e imanes. James Clerk Maxwell , en su " Tratado sobre electricidad y magnetismo ", llamó a Ampere "el Newton de la electricidad". [ cita requerida ]
El físico alemán Seebeck descubrió en 1821 que cuando se aplica calor a la unión de dos metales que habían sido soldados entre sí se crea una corriente eléctrica, denominada termoelectricidad . El dispositivo de Seebeck consiste en una tira de cobre doblada por cada extremo y soldada a una placa de bismuto. Se coloca una aguja magnética paralela a la tira de cobre. Cuando se aplica el calor de una lámpara a la unión del cobre y el bismuto se crea una corriente eléctrica que desvía la aguja. [11]
En esa época, Siméon Denis Poisson abordó el difícil problema de la magnetización inducida y sus resultados, aunque expresados de forma diferente, siguen siendo la teoría, como una primera aproximación muy importante. Fue en la aplicación de las matemáticas a la física donde prestó sus servicios a la ciencia. Tal vez los más originales, y sin duda los de influencia más permanente, fueron sus memorias sobre la teoría de la electricidad y el magnetismo, que prácticamente crearon una nueva rama de la física matemática .
George Green escribió An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism en 1828. El ensayo introdujo varios conceptos importantes, entre ellos un teorema similar al teorema de Green moderno, la idea de funciones potenciales tal como se utiliza actualmente en física y el concepto de lo que ahora se denomina funciones de Green . George Green fue la primera persona en crear una teoría matemática de la electricidad y el magnetismo y su teoría formó la base para el trabajo de otros científicos como James Clerk Maxwell, William Thomson y otros.
Peltier descubrió en 1834 un efecto opuesto a la termoelectricidad, es decir, que cuando una corriente pasa a través de un par de metales diferentes, la temperatura se reduce o aumenta en la unión de los metales, dependiendo de la dirección de la corriente. Esto se denomina efecto Peltier . Se ha descubierto que las variaciones de temperatura son proporcionales a la intensidad de la corriente y no al cuadrado de la intensidad de la corriente como en el caso del calor debido a la resistencia ordinaria de un conductor. Esta segunda ley es la ley I 2 R , descubierta experimentalmente en 1841 por el físico inglés Joule . En otras palabras, esta importante ley es que el calor generado en cualquier parte de un circuito eléctrico es directamente proporcional al producto de la resistencia R de esta parte del circuito y al cuadrado de la intensidad de la corriente I que fluye en el circuito. [11]
En 1822, Johann Schweigger ideó el primer galvanómetro . Posteriormente, Wilhelm Weber mejoró mucho este instrumento (1833). En 1825, William Sturgeon , de Woolwich (Inglaterra), inventó el electroimán de herradura y barra recta, por lo que recibió la medalla de plata de la Sociedad de las Artes. [71] En 1837, Carl Friedrich Gauss y Weber (ambos destacados trabajadores de este período) inventaron conjuntamente un galvanómetro reflector para fines telegráficos. Este fue el precursor del galvanómetro reflector de Thomson y otros galvanómetros extremadamente sensibles que alguna vez se usaron en la señalización submarina y que aún se emplean ampliamente en mediciones eléctricas. En 1824, Arago hizo el importante descubrimiento de que cuando un disco de cobre gira en su propio plano y si una aguja magnética está suspendida libremente en un pivote sobre el disco, la aguja girará con el disco. Si, por el contrario, la aguja está fija, tenderá a retardar el movimiento del disco. Este efecto se denominó rotaciones de Arago . [11] [72] [73]
Charles Babbage , Peter Barlow , John Herschel y otros intentaron explicar este fenómeno sin éxito. La verdadera explicación se la reservó Faraday, a saber, que las corrientes eléctricas se inducen en el disco de cobre al cortar las líneas de fuerza magnéticas de la aguja, corrientes que a su vez reaccionan sobre la aguja. Georg Simon Ohm realizó su trabajo sobre la resistencia en los años 1825 y 1826, y publicó sus resultados en 1827 como el libro Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet . [74] [75] Se inspiró considerablemente en el trabajo de Fourier sobre la conducción del calor en la explicación teórica de su trabajo. Para los experimentos, inicialmente utilizó pilas voltaicas , pero más tarde utilizó un termopar, ya que esto proporcionaba una fuente de voltaje más estable en términos de resistencia interna y diferencia de potencial constante. Usó un galvanómetro para medir la corriente, y sabía que el voltaje entre los terminales del termopar era proporcional a la temperatura de la unión. Luego añadió cables de prueba de longitud, diámetro y material variables para completar el circuito. Descubrió que sus datos podían modelarse mediante una ecuación simple con una variable compuesta por la lectura de un galvanómetro, la longitud del conductor de prueba, la temperatura de unión del termopar y una constante de todo el montaje. A partir de esto, Ohm determinó su ley de proporcionalidad y publicó sus resultados. En 1827, anunció la ahora famosa ley que lleva su nombre , es decir:
Ohm puso en orden una serie de hechos desconcertantes que relacionaban la fuerza electromotriz y la corriente eléctrica en los conductores, hechos que todos los electricistas anteriores sólo habían logrado relacionar cualitativamente de manera vaga mediante afirmaciones bastante vagas. Ohm descubrió que los resultados podían resumirse en una ley tan simple y, gracias a su descubrimiento, gran parte del dominio de la electricidad pasó a formar parte de la teoría.
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El descubrimiento de la inducción electromagnética fue realizado casi simultáneamente, aunque de forma independiente, por Michael Faraday , quien fue el primero en realizar el descubrimiento en 1831, y Joseph Henry en 1832. [77] [78] El descubrimiento de Henry de la autoinducción y su trabajo sobre conductores espirales utilizando una bobina de cobre se hicieron públicos en 1835, justo antes de los de Faraday. [79] [80] [81]
En 1831, Michael Faraday , el famoso discípulo y sucesor de Humphry Davy al frente de la Royal Institution de Londres, comenzó a realizar investigaciones que marcaron una época en relación con la inducción eléctrica y electromagnética. Faraday, el príncipe de los experimentalistas , realizó notables investigaciones sobre electrostática, electrodinámica y la inducción de corrientes. Estas investigaciones tardaron bastante en pasar del estado experimental rudimentario a un sistema compacto que expresara la esencia real. Faraday no era un matemático competente, [82] [83] [84] pero, si lo hubiera sido, habría recibido una gran ayuda en sus investigaciones, se habría ahorrado muchas especulaciones inútiles y se habría anticipado a trabajos mucho más tardíos. Por ejemplo, si conocía la teoría de Ampere, sus propios resultados lo habrían llevado fácilmente a la teoría de Neumann y al trabajo relacionado de Helmholtz y Thomson. Los estudios e investigaciones de Faraday se extendieron desde 1831 hasta 1855 y una descripción detallada de sus experimentos, deducciones y especulaciones se puede encontrar en sus artículos recopilados, titulados Investigaciones experimentales en electricidad. Faraday era químico de profesión. No era en lo más mínimo un matemático en el sentido ordinario; de hecho, es una pregunta si en todos sus escritos hay una única fórmula matemática. [11]
El experimento que llevó a Faraday al descubrimiento de la inducción electromagnética se realizó de la siguiente manera: construyó lo que ahora y entonces se denominaba una bobina de inducción , cuyos cables primario y secundario se enrollaron en una bobina de madera, uno al lado del otro, y aislados entre sí. En el circuito del cable primario colocó una batería de aproximadamente 100 celdas. En el cable secundario insertó un galvanómetro. Al realizar su primera prueba no observó resultados, el galvanómetro permaneció inactivo, pero al aumentar la longitud de los cables notó una desviación del galvanómetro en el cable secundario cuando se hizo y se rompió el circuito del cable primario. Este fue el primer ejemplo observado del desarrollo de la fuerza electromotriz por inducción electromagnética. [11]
También descubrió que se establecen corrientes inducidas en un segundo circuito cerrado cuando se varía la intensidad de la corriente en el primer cable, y que la dirección de la corriente en el circuito secundario es opuesta a la del primer circuito. También que se induce una corriente en un circuito secundario cuando otro circuito que lleva una corriente se mueve hacia y desde el primer circuito, y que la aproximación o retirada de un imán hacia o desde un circuito cerrado induce corrientes momentáneas en este último. En resumen, en el espacio de unos pocos meses Faraday descubrió mediante experimentos prácticamente todas las leyes y hechos que ahora se conocen sobre la inducción electromagnética y la inducción magnetoeléctrica. De estos descubrimientos, sin apenas una excepción, depende el funcionamiento del teléfono, la máquina dinamo y, con respecto a la máquina dinamoeléctrica, prácticamente todas las gigantescas industrias eléctricas del mundo, incluidas la iluminación eléctrica , la tracción eléctrica, el funcionamiento de motores eléctricos para fines de energía y la galvanoplastia , la electrotipificación , etc. [11]
En sus investigaciones sobre la peculiar manera en que las limaduras de hierro se disponen sobre un cartón o un vidrio cerca de los polos de un imán, Faraday concibió la idea de " líneas de fuerza " magnéticas que se extienden de polo a polo del imán y a lo largo de las cuales las limaduras tienden a colocarse. Al descubrir que los efectos magnéticos acompañan el paso de una corriente eléctrica en un cable, también se supuso que líneas de fuerza magnéticas similares giraban alrededor del cable. Por conveniencia y para explicar la electricidad inducida, se supuso entonces que cuando estas líneas de fuerza son " cortadas " por un cable al pasar a través de ellas o cuando las líneas de fuerza al ascender y descender cortan el cable, se desarrolla una corriente eléctrica o, para ser más exactos, se desarrolla una fuerza electromotriz en el cable que establece una corriente en un circuito cerrado. Faraday propuso lo que se ha denominado la teoría molecular de la electricidad [85] , que supone que la electricidad es la manifestación de una condición peculiar de la molécula del cuerpo frotado o del éter que rodea al cuerpo. Faraday también descubrió experimentalmente el paramagnetismo y el diamagnetismo , es decir, que todos los sólidos y líquidos son atraídos o repelidos por un imán. Por ejemplo, el hierro, el níquel, el cobalto, el manganeso, el cromo, etc., son paramagnéticos (atraídos por el magnetismo), mientras que otras sustancias, como el bismuto, el fósforo, el antimonio, el cinc, etc., son repelidas por el magnetismo o son diamagnéticas . [11] [86]
En 1778, Brugans de Leyden y en 1827 Le Baillif y Becquerel [87] habían descubierto previamente el diamagnetismo en el caso del bismuto y el antimonio. Faraday también redescubrió la capacidad inductiva específica en 1837, cuando los resultados de los experimentos de Cavendish no se habían publicado en ese momento. También predijo [88] el retardo de las señales en los cables submarinos largos debido al efecto inductivo del aislamiento del cable, es decir, la capacidad estática del cable. [11] En 1816, el pionero del telégrafo Francis Ronalds también había observado el retardo de la señal en sus líneas telegráficas enterradas, atribuyéndolo a la inducción. [89] [90]
Los 25 años que siguieron a los descubrimientos de Faraday sobre la inducción electromagnética fueron fructíferos en la promulgación de leyes y hechos relacionados con las corrientes inducidas y el magnetismo. En 1834, Heinrich Lenz y Moritz von Jacobi demostraron de forma independiente el hecho, hoy conocido, de que las corrientes inducidas en una bobina son proporcionales al número de espiras de la misma. Lenz también anunció en esa época su importante ley según la cual, en todos los casos de inducción electromagnética, las corrientes inducidas tienen una dirección tal que su reacción tiende a detener el movimiento que las produce, una ley que tal vez se podía deducir de la explicación de Faraday de las rotaciones de Arago. [11] [91]
La bobina de inducción fue diseñada por primera vez por Nicholas Callan en 1836. En 1845, Joseph Henry , el físico estadounidense, publicó un relato de sus valiosos e interesantes experimentos con corrientes inducidas de alto orden, mostrando que las corrientes podían inducirse desde el secundario de una bobina de inducción al primario de una segunda bobina, de ahí a su cable secundario, y así sucesivamente al primario de una tercera bobina, etc. [92] Heinrich Daniel Ruhmkorff desarrolló aún más la bobina de inducción, la bobina de Ruhmkorff fue patentada en 1851, [93] y utilizó largos devanados de cable de cobre para lograr una chispa de aproximadamente 2 pulgadas (50 mm) de longitud. En 1857, después de examinar una versión muy mejorada hecha por un inventor estadounidense, Edward Samuel Ritchie , [94] [95] [ se necesita una fuente no primaria ] Ruhmkorff mejoró su diseño (al igual que otros ingenieros), utilizando aislamiento de vidrio y otras innovaciones para permitir la producción de chispas de más de 300 milímetros (12 pulgadas) de largo. [96]
"La teoría electromagnética de la luz añade a la antigua teoría ondulatoria un enorme campo de interés e importancia trascendentes; exige de nosotros no sólo una explicación de todos los fenómenos de la luz y del calor radiante mediante vibraciones transversales de un sólido elástico llamado éter, sino también la inclusión de las corrientes eléctricas, del magnetismo permanente del acero y de la piedra imán , de la fuerza magnética y de la fuerza electrostática , en una dinámica etérea integral ."
—Lord Kelvin [97]
Hasta mediados del siglo XIX, en realidad hasta aproximadamente 1870, la ciencia eléctrica era, se puede decir, un libro cerrado para la mayoría de los electricistas. Antes de esta época se habían publicado varios manuales sobre electricidad y magnetismo, en particular el exhaustivo " Tratado sobre la electricidad " de Auguste de La Rive , [98] en 1851 (francés) y 1853 (inglés); Einleitung in die Elektrostatik, die Lehre vom Magnetismus und die Elektrodynamik de August Beer , [99] " Galvanismus " de Wiedemann y " Reibungsal-elektricitat " de Reiss [100] . Pero estas obras consistían principalmente en detalles de experimentos con electricidad y magnetismo, y poco en las leyes y hechos de esos fenómenos. Henry d'Abria [101] [102] publicó los resultados de algunas investigaciones sobre las leyes de las corrientes inducidas, pero debido a la complejidad de la investigación no produjo resultados muy notables. [103] A mediados del siglo XIX, se publicaron los trabajos de Fleeming Jenkin sobre electricidad y magnetismo [104] y el Tratado sobre electricidad y magnetismo de Clerk Maxwell . [11]
Estos libros se apartaban del camino trillado. Como afirma Jenkin en el prefacio de su obra, la ciencia de las escuelas era tan distinta de la del electricista práctico que era completamente imposible dar a los estudiantes libros de texto suficientes, o incluso aproximadamente suficientes. Un estudiante, decía, podría haber dominado el extenso y valioso tratado de De la Rive y, sin embargo, sentirse como si estuviera en un país desconocido y escuchando una lengua desconocida en compañía de hombres prácticos. Como ha dicho otro escritor, con la llegada de los libros de Jenkin y Maxwell se eliminaron todos los impedimentos que se interponían en el camino de los estudiantes de electricidad, " el significado completo de la ley de Ohm se vuelve claro; la fuerza electromotriz, la diferencia de potencial, la resistencia, la corriente, la capacidad, las líneas de fuerza, la magnetización y la afinidad química eran mensurables, se podía razonar sobre ellas y se podían hacer cálculos sobre ellas con tanta certeza como los cálculos en dinámica ". [11] [105]
En 1850, Kirchhoff publicó sus leyes relativas a los circuitos ramificados o divididos. También demostró matemáticamente que, según la teoría electrodinámica que prevalecía en ese momento, la electricidad se propagaría a lo largo de un cable perfectamente conductor a la velocidad de la luz. Helmholtz investigó matemáticamente los efectos de la inducción sobre la intensidad de una corriente y dedujo de ello ecuaciones que los experimentos confirmaron y que, entre otros puntos importantes, mostraban el efecto retardador de la autoinducción en determinadas condiciones del circuito. [11] [106]
En 1853, Sir William Thomson (más tarde Lord Kelvin ) predijo, como resultado de cálculos matemáticos, la naturaleza oscilatoria de la descarga eléctrica de un circuito condensador. A Henry, sin embargo, le corresponde el mérito de discernir, como resultado de sus experimentos en 1842, la naturaleza oscilatoria de la descarga de la botella de Leyden . Escribió: [107] Los fenómenos nos exigen admitir la existencia de una descarga principal en una dirección, y luego varias acciones reflejas hacia atrás y hacia adelante, cada una más débil que la anterior, hasta que se obtiene el equilibrio . Estas oscilaciones fueron observadas posteriormente por BW Feddersen (1857) [108] [109] quien, utilizando un espejo cóncavo giratorio, proyectó una imagen de la chispa eléctrica sobre una placa sensible, obteniendo así una fotografía de la chispa que indicaba claramente la naturaleza alternante de la descarga. Sir William Thomson fue también el descubridor de la convección eléctrica del calor (el efecto "Thomson" ). Para las medidas eléctricas de precisión diseñó sus electrómetros de cuadrante y absoluto. También se le deben el galvanómetro de reflexión y el registrador de sifón , aplicados a la señalización por cable submarino. [11]
Alrededor de 1876, el físico estadounidense Henry Augustus Rowland de Baltimore demostró el hecho importante de que una carga estática transportada produce los mismos efectos magnéticos que una corriente eléctrica. [110] [111] La importancia de este descubrimiento consiste en que puede proporcionar una teoría plausible del magnetismo, a saber, que el magnetismo puede ser el resultado del movimiento dirigido de filas de moléculas que transportan cargas estáticas. [11]
Después del descubrimiento de Faraday de que se podían desarrollar corrientes eléctricas en un cable haciendo que cortara las líneas de fuerza de un imán, era de esperar que se intentaran construir máquinas para aprovechar este hecho en el desarrollo de corrientes voltaicas. [112] La primera máquina de este tipo se debió a Hippolyte Pixii , 1832. Consistía en dos bobinas de alambre de hierro, frente a las cuales se hacían girar los polos de un imán de herradura. Como esto producía en las bobinas del alambre una corriente alterna , Pixii dispuso un dispositivo de conmutación (conmutador) que convertía la corriente alterna de las bobinas o armadura en una corriente continua en el circuito externo. A esta máquina le siguieron formas mejoradas de máquinas magnetoeléctricas debido a Edward Samuel Ritchie , Joseph Saxton , Edward M. Clarke 1834, Emil Stohrer 1843, Floris Nollet 1849, Shepperd [ ¿quién? ] 1856, Van Maldern [ ¿quién? ] , Werner von Siemens , Henry Wilde y otros. [11]
Un avance notable en el arte de la construcción de dinamos fue realizado por Samuel Alfred Varley en 1866 [113] y por Siemens y Charles Wheatstone [114] , quienes descubrieron independientemente que cuando una bobina de alambre, o armadura, de la máquina dinamo gira entre los polos (o en el "campo") de un electroimán, se establece una corriente débil en la bobina debido al magnetismo residual en el hierro del electroimán, y que si el circuito de la armadura se conecta con el circuito del electroimán, la corriente débil desarrollada en la armadura aumenta el magnetismo en el campo. Esto aumenta aún más las líneas de fuerza magnéticas en las que gira la armadura, lo que aumenta aún más la corriente en el electroimán, produciendo así un aumento correspondiente en el magnetismo del campo, y así sucesivamente, hasta que se alcanza la fuerza electromotriz máxima que la máquina es capaz de desarrollar. Por medio de este principio, la máquina dinamo desarrolla su propio campo magnético , aumentando así mucho su eficiencia y funcionamiento económico. Sin embargo, de ninguna manera la máquina dinamoeléctrica estaba perfeccionada en la época mencionada. [11]
En 1860, el Dr. Antonio Pacinotti de Pisa realizó una importante mejora al idear la primera máquina eléctrica con una armadura de anillo. Esta máquina se utilizó primero como motor eléctrico, pero después como generador de electricidad. El descubrimiento del principio de reversibilidad de la máquina dinamoeléctrica (atribuido de diversas maneras a Walenn 1860; Pacinotti 1864; Fontaine , Gramme 1873; Deprez 1881 y otros) por el cual puede utilizarse como motor eléctrico o como generador de electricidad ha sido calificado como uno de los mayores descubrimientos del siglo XIX. [11]
En 1872 , Hefner-Alteneck ideó la armadura del tambor . Esta máquina, en una forma modificada, se conoció posteriormente como dinamo Siemens. A estas máquinas les siguieron las de Schuckert , Gulcher, [115] Fein, [116] [117] [118] Brush , Hochhausen, Edison y las dinamos de numerosos otros inventores. [119] En los primeros días de la construcción de dinamos, las máquinas se organizaban principalmente como generadores de corriente continua, y quizás la aplicación más importante de dichas máquinas en ese momento era la galvanoplastia, para cuyo propósito se empleaban máquinas de bajo voltaje y gran intensidad de corriente. [11] [120]
A partir de 1887, aproximadamente, se empezaron a utilizar ampliamente los generadores de corriente alterna y el desarrollo comercial del transformador, mediante el cual las corrientes de bajo voltaje y alta intensidad se transforman en corrientes de alto voltaje y baja intensidad, y viceversa, revolucionó con el tiempo la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias. Asimismo, la introducción del convertidor rotatorio (en conexión con el transformador "reductor"), que convierte las corrientes alternas en corrientes continuas (y viceversa), ha permitido lograr grandes economías en el funcionamiento de los sistemas de energía eléctrica. [11] [121]
Antes de la introducción de las máquinas dinamoeléctricas, las baterías voltaicas o primarias se utilizaban ampliamente para la galvanoplastia y la telegrafía. Hay dos tipos distintos de células voltaicas, a saber, el tipo "abierto" y el "cerrado", o "constante". El tipo abierto, en resumen, es el tipo que opera en circuito cerrado y, después de un corto tiempo, se polariza; es decir, se liberan gases en la celda que se depositan en la placa negativa y establecen una resistencia que reduce la intensidad de la corriente. Después de un breve intervalo de circuito abierto, estos gases se eliminan o absorben y la celda está nuevamente lista para funcionar. Las celdas de circuito cerrado son aquellas en las que los gases en las celdas se absorben tan rápidamente como se liberan y, por lo tanto, la salida de la celda es prácticamente uniforme. Las celdas Leclanché y Daniell , respectivamente, son ejemplos conocidos del tipo "abierto" y "cerrado" de celda voltaica. Las baterías del tipo Daniell o "de gravedad" se utilizaban casi de manera general en los Estados Unidos y Canadá como fuente de fuerza electromotriz en telegrafía antes de que estuviera disponible la máquina dinamo. [11]
A finales del siglo XIX, el término éter luminífero , que significa éter portador de luz , era un medio conjeturado para la propagación de la luz. [122] La palabra éter proviene del latín αιθήρ , de una raíz que significa encender, quemar o brillar. Significa la sustancia que se creía en la antigüedad que llenaba las regiones superiores del espacio, más allá de las nubes.
En 1864, James Clerk Maxwell de Edimburgo anunció su teoría electromagnética de la luz, que fue quizás el mayor paso en el conocimiento mundial de la electricidad. [123] Maxwell había estudiado y comentado sobre el campo de la electricidad y el magnetismo ya en 1855/6 cuando se leyó On Faraday's lines of force [124] ante la Cambridge Philosophical Society . El artículo presentaba un modelo simplificado del trabajo de Faraday y cómo se relacionaban los dos fenómenos. Redujo todo el conocimiento actual a un conjunto vinculado de ecuaciones diferenciales con 20 ecuaciones en 20 variables. Este trabajo se publicó más tarde como On Physical Lines of Force en marzo de 1861. [125] Para determinar la fuerza que actúa sobre cualquier parte de la máquina, debemos encontrar su momento y luego calcular la tasa a la que se cambia este momento. Esta tasa de cambio nos dará la fuerza. El método de cálculo que es necesario emplear fue dado por primera vez por Lagrange , y luego desarrollado, con algunas modificaciones, por las ecuaciones de Hamilton . Generalmente se lo conoce como el principio de Hamilton ; cuando se utilizan las ecuaciones en la forma original se las conoce como ecuaciones de Lagrange . Ahora Maxwell demostró lógicamente cómo estos métodos de cálculo podrían aplicarse al campo electromagnético. [126] La energía de un sistema dinámico es en parte cinética , en parte potencial . Maxwell supone que la energía magnética del campo es energía cinética , la energía eléctrica potencial . [127]
En 1862, mientras daba una conferencia en el King's College, Maxwell calculó que la velocidad de propagación de un campo electromagnético es aproximadamente la velocidad de la luz. Consideró que esto era más que una mera coincidencia y comentó: " No podemos evitar la conclusión de que la luz consiste en las ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos " . [128]
Maxwell , trabajando más en el problema, demostró que las ecuaciones predicen la existencia de ondas de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan a través del espacio vacío a una velocidad que podría predecirse a partir de experimentos eléctricos simples; utilizando los datos disponibles en ese momento, Maxwell obtuvo una velocidad de 310 740 000 m/s . En su artículo de 1864 Una teoría dinámica del campo electromagnético , Maxwell escribió: La concordancia de los resultados parece mostrar que la luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética propagada a través del campo de acuerdo con las leyes electromagnéticas . [129]
Como ya se ha señalado aquí, Faraday, y antes que él, Ampère y otros, tenían la intuición de que el éter luminífero del espacio era también el medio de la acción eléctrica. Se sabía por cálculo y experimentación que la velocidad de la electricidad era de aproximadamente 186.000 millas por segundo; es decir, igual a la velocidad de la luz, lo que en sí mismo sugiere la idea de una relación entre la electricidad y la "luz". Varios de los primeros filósofos o matemáticos, como los llama Maxwell, del siglo XIX, sostenían la opinión de que los fenómenos electromagnéticos se podían explicar por la acción a distancia. Maxwell, siguiendo a Faraday, sostenía que la sede de los fenómenos estaba en el medio. Los métodos de los matemáticos para llegar a sus resultados eran sintéticos, mientras que los métodos de Faraday eran analíticos. Faraday veía en su mente líneas de fuerza que atravesaban todo el espacio donde los matemáticos veían centros de fuerza que se atraían a distancia. Faraday buscaba la sede de los fenómenos en acciones reales que tenían lugar en el medio; Estaban satisfechos de haberlo encontrado en un poder de acción a distancia sobre los fluidos eléctricos. [130]
Como señala Maxwell, ambos métodos habían logrado explicar la propagación de la luz como un fenómeno electromagnético, aunque al mismo tiempo las concepciones fundamentales de cuáles son las magnitudes en cuestión diferían radicalmente. Los matemáticos suponían que los aislantes eran barreras para las corrientes eléctricas; que, por ejemplo, en una botella de Leyden o en un condensador eléctrico la electricidad se acumulaba en una placa y que, por alguna acción oculta a distancia, la electricidad de tipo opuesto era atraída hacia la otra placa.
Maxwell, yendo más allá de Faraday, razonó que si la luz es un fenómeno electromagnético y es transmisible a través de dieléctricos como el vidrio, el fenómeno debe ser de la naturaleza de las corrientes electromagnéticas en los dieléctricos. Por lo tanto, sostuvo que en la carga de un condensador, por ejemplo, la acción no se detiene en el aislante, sino que se establecen algunas corrientes de "desplazamiento" en el medio aislante, corrientes que continúan hasta que la fuerza de resistencia del medio es igual a la de la fuerza de carga. En un circuito cerrado de conductor, una corriente eléctrica es también un desplazamiento de electricidad.
El conductor ofrece una cierta resistencia, similar a la fricción, al desplazamiento de la electricidad, y se desarrolla calor en el conductor, proporcional al cuadrado de la corriente (como ya se ha dicho aquí), corriente que fluye mientras continúa la fuerza eléctrica impulsora . Esta resistencia puede compararse con la que encuentra un barco cuando se desplaza en el agua en su avance. La resistencia del dieléctrico es de una naturaleza diferente y se ha comparado con la compresión de multitud de resortes, que, bajo compresión, ceden con una contrapresión creciente, hasta un punto en que la contrapresión total es igual a la presión inicial. Cuando se retira la presión inicial, la energía gastada en comprimir los "resortes" se devuelve al circuito, al mismo tiempo que los resortes vuelven a su estado original, lo que produce una reacción en la dirección opuesta. En consecuencia, la corriente debida al desplazamiento de electricidad en un conductor puede ser continua, mientras que las corrientes de desplazamiento en un dieléctrico son momentáneas y, en un circuito o medio que contiene poca resistencia en comparación con la capacidad o la reacción de inductancia, las corrientes de descarga son de naturaleza oscilatoria o alterna. [131]
Maxwell extendió esta visión de las corrientes de desplazamiento en dieléctricos al éter del espacio libre. Suponiendo que la luz es la manifestación de alteraciones de las corrientes eléctricas en el éter y vibrando a la velocidad de las vibraciones de la luz, estas vibraciones por inducción establecen vibraciones correspondientes en porciones adyacentes del éter, y de esta manera las ondulaciones correspondientes a las de la luz se propagan como un efecto electromagnético en el éter. La teoría electromagnética de la luz de Maxwell obviamente implicaba la existencia de ondas eléctricas en el espacio libre, y sus seguidores se propusieron la tarea de demostrar experimentalmente la verdad de la teoría. En 1871, Maxwell ya podía reflexionar sobre la filosofía de la ciencia. [132] [133] : 214
En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz demostró en una serie de experimentos la existencia real de ondas electromagnéticas , mostrando que las ondas electromagnéticas transversales en el espacio libre pueden viajar a cierta distancia como lo predijeron Maxwell y Faraday. Hertz publicó su trabajo en un libro titulado: Ondas eléctricas: investigaciones sobre la propagación de la acción eléctrica con velocidad finita a través del espacio . [134] El descubrimiento de las ondas electromagnéticas en el espacio condujo al desarrollo de la radio en los últimos años del siglo XIX.
El electrón como unidad de carga en electroquímica fue postulado por G. Johnstone Stoney en 1874, quien también acuñó el término electrón en 1894. [135] El plasma fue identificado por primera vez en un tubo de Crookes , y así lo describió Sir William Crookes en 1879 (lo llamó "materia radiante"). [136] El lugar de la electricidad en el descubrimiento de esos hermosos fenómenos del tubo de Crookes (debido a Sir William Crookes), a saber, los rayos catódicos, [137] y más tarde al descubrimiento de Roentgen o rayos X , no debe pasarse por alto, ya que sin la electricidad como excitante del tubo, el descubrimiento de los rayos podría haberse pospuesto indefinidamente. Se ha señalado aquí que el Dr. William Gilbert fue considerado el fundador de la ciencia eléctrica. Sin embargo, esto debe considerarse como una declaración comparativa. [11]
Oliver Heaviside fue un erudito autodidacta que reformuló las ecuaciones de campo de Maxwell en términos de fuerzas eléctricas y magnéticas y flujo de energía, y co-formuló independientemente el análisis vectorial .
A finales de la década de 1890, varios físicos propusieron que la electricidad, tal como se observaba en los estudios de conducción eléctrica en conductores, electrolitos y tubos de rayos catódicos , consistía en unidades discretas, a las que se les dio una variedad de nombres, pero la realidad de estas unidades no había sido confirmada de manera convincente. Sin embargo, también había indicios de que los rayos catódicos tenían propiedades ondulatorias. [11]
Faraday, Weber , Helmholtz , Clifford y otros tuvieron algunas visiones de esta idea; y los trabajos experimentales de Zeeman , Goldstein , Crookes, JJ Thomson y otros la habían reforzado en gran medida. Weber predijo que los fenómenos eléctricos se debían a la existencia de átomos eléctricos, cuya influencia mutua dependía de su posición y de sus aceleraciones y velocidades relativas. Helmholtz y otros también sostuvieron que la existencia de átomos eléctricos se deducía de las leyes de la electrólisis de Faraday , y Johnstone Stoney, a quien se debe el término "electrón", demostró que cada ion químico del electrolito descompuesto lleva una cantidad definida y constante de electricidad, y en la medida en que estos iones cargados están separados en los electrodos como sustancias neutras, debe haber un instante, por breve que sea, en el que las cargas deben ser capaces de existir por separado como átomos eléctricos; Mientras que en 1887, Clifford escribió: "Hay grandes razones para creer que cada átomo material lleva consigo una pequeña corriente eléctrica, si no está constituido enteramente por esta corriente". [11]
En 1896, JJ Thomson realizó experimentos que indicaban que los rayos catódicos eran realmente partículas, encontró un valor preciso para su relación carga-masa e/m y descubrió que e/m era independiente del material del cátodo. Hizo buenas estimaciones tanto de la carga e como de la masa m, y descubrió que las partículas de rayos catódicos, a las que llamó "corpúsculos", tenían quizás una milésima parte de la masa del ion menos masivo conocido (hidrógeno). Además, demostró que las partículas con carga negativa producidas por materiales radiactivos, calentados y iluminados eran universales. Thomson identificó la naturaleza de la materia de los " rayos catódicos " del tubo de Crookes en 1897. [138] [ fuente no primaria necesaria ]
A finales del siglo XIX, Albert A. Michelson y Edward W. Morley realizaron el experimento de Michelson-Morley en lo que hoy es la Universidad Case Western Reserve . Generalmente se considera que es la evidencia en contra de la teoría de un éter luminífero . El experimento también se ha referido como "el punto de partida para los aspectos teóricos de la Segunda Revolución Científica". [139] Principalmente por este trabajo, Michelson fue galardonado con el Premio Nobel en 1907. Dayton Miller continuó con los experimentos, realizando miles de mediciones y finalmente desarrollando el interferómetro más preciso del mundo en ese momento. Miller y otros, como Morley, continúan con las observaciones y experimentos que tratan los conceptos. [140] Una variedad de teorías propuestas de arrastre de éter podrían explicar el resultado nulo, pero eran más complejas y tendían a utilizar coeficientes de aspecto arbitrario y suposiciones físicas. [11]
A finales del siglo XIX, los ingenieros eléctricos se habían convertido en una profesión independiente, separada de los físicos y los inventores. Crearon empresas que investigaban, desarrollaban y perfeccionaban las técnicas de transmisión de electricidad y obtuvieron el apoyo de los gobiernos de todo el mundo para poner en marcha la primera red mundial de telecomunicaciones eléctricas: la red telegráfica . Entre los pioneros en este campo se encontraban Werner von Siemens , fundador de Siemens AG en 1847, y John Pender , fundador de Cable & Wireless .
William Stanley hizo la primera demostración pública de un transformador que permitió la distribución comercial de corriente alterna en 1886. [141] Grandes generadores de corriente alterna bifásica fueron construidos por un electricista británico, JEH Gordon , [142] [ fuente no primaria necesaria ] en 1882. Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron los primeros alternadores, produciendo frecuencias entre 100 y 300 hercios. Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. [143] Los alternadores posteriores fueron diseñados para variar las frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. [144]
La posibilidad de obtener corriente eléctrica en grandes cantidades y de forma económica mediante máquinas dinamoeléctricas impulsó el desarrollo de la iluminación incandescente y de arco. Hasta que estas máquinas alcanzaron una base comercial, las baterías voltaicas eran la única fuente de corriente disponible para la iluminación y la energía eléctrica. Sin embargo, el coste de estas baterías y las dificultades para mantenerlas en funcionamiento fiable impedían su uso con fines prácticos de iluminación. La fecha de empleo de las lámparas de arco e incandescentes puede situarse en torno a 1877. [11]
Sin embargo, incluso en 1880 se habían logrado pocos avances hacia el uso generalizado de estos iluminadores; el rápido crecimiento posterior de esta industria es un asunto de conocimiento general. [145] El empleo de baterías de almacenamiento , que originalmente se denominaban baterías secundarias o acumuladores, comenzó alrededor de 1879. Dichas baterías se utilizan ahora a gran escala como auxiliares de la máquina dinamo en centrales eléctricas y subestaciones, en automóviles eléctricos y en inmensas cantidades en sistemas de encendido y arranque de automóviles, también en telegrafía de alarmas contra incendios y otros sistemas de señalización. [11]
Para la Exposición Internacional Colombina Mundial de 1893 en Chicago, General Electric propuso alimentar toda la feria con corriente continua . Westinghouse ofreció un precio ligeramente inferior al de GE y utilizó la feria para presentar su sistema basado en corriente alterna, mostrando cómo su sistema podía alimentar motores polifásicos y todas las demás exhibiciones de CA y CC en la feria. [146] [147] [148]
La Segunda Revolución Industrial, también conocida como Revolución Tecnológica, fue una fase de rápida industrialización en el último tercio del siglo XIX y principios del XX. Junto con la expansión de los ferrocarriles , la producción de hierro y acero , el uso generalizado de maquinaria en la fabricación, el uso cada vez mayor de la energía de vapor y del petróleo , el período vio la expansión en el uso de la electricidad y la adaptación de la teoría electromagnética en el desarrollo de varias tecnologías.
En la década de 1880 se produjeron sistemas de energía eléctrica comercial a gran escala, utilizados primero para iluminación y, más tarde, para energía electromotriz y calefacción. Los primeros sistemas utilizaban corriente alterna y corriente continua . La generación de energía centralizada a gran escala se hizo posible cuando se reconoció que las líneas de energía eléctrica de corriente alterna podían utilizar transformadores para aprovechar el hecho de que cada duplicación del voltaje permitiría que el mismo tamaño de cable transmitiera la misma cantidad de energía cuatro veces la distancia. Los transformadores se utilizaban para elevar el voltaje en el punto de generación (un número representativo es un voltaje de generador en el rango bajo de kilovoltios) a un voltaje mucho más alto (decenas de miles a varios cientos de miles de voltios) para la transmisión primaria, seguido de varias transformaciones descendentes, para uso doméstico comercial y residencial. [11] Entre 1885 y 1890 se desarrollaron corrientes polifásicas combinadas con inducción electromagnética y motores de inducción de CA prácticos . [149]
Exposición Internacional Electrotécnica de 1891 dedicada a la transmisión de corriente eléctrica trifásica de alta potencia a larga distancia. Se celebró entre el 16 de mayo y el 19 de octubre en el solar en desuso de las tres antiguas "Westbahnhöfe" (estaciones de ferrocarril del oeste) de Frankfurt am Main. En la exposición se presentó la primera transmisión de corriente eléctrica trifásica de alta potencia a larga distancia, que se generó a 175 km de distancia en Lauffen am Neckar. Como resultado de esta exitosa prueba de campo, la corriente trifásica se estableció para las redes de transmisión eléctrica en todo el mundo. [11]
Se ha hecho mucho para mejorar las instalaciones de las terminales ferroviarias, y es difícil encontrar un ingeniero de ferrocarriles de vapor que hubiera negado que todos los ferrocarriles de vapor importantes de este país no iban a funcionar con electricidad. En otras direcciones, se esperaba que el progreso de los acontecimientos en cuanto a la utilización de la energía eléctrica fuera igualmente rápido. En todas partes del mundo, la energía de la caída del agua, la máquina de movimiento perpetuo de la naturaleza, que se ha estado desperdiciando desde que el mundo comenzó, ahora se está convirtiendo en electricidad y se transmite por cable a cientos de millas de lugares donde se utiliza de manera útil y económica. [11] [150]
El primer molino de viento para la producción de electricidad fue construido en Escocia en julio de 1887 por el ingeniero eléctrico escocés James Blyth . [151] Al otro lado del Atlántico, en Cleveland, Ohio, una máquina más grande y de ingeniería pesada fue diseñada y construida en 1887-88 por Charles F. Brush , [152] [ fuente no primaria necesaria ] esta fue construida por su compañía de ingeniería en su casa y operó desde 1886 hasta 1900. [153] La turbina eólica Brush tenía un rotor de 56 pies (17 m) de diámetro y estaba montada en una torre de 60 pies (18 m). Aunque grande para los estándares actuales, la máquina solo tenía una potencia nominal de 12 kW; giraba relativamente lento ya que tenía 144 aspas. El dinamo conectado se usaba para cargar un banco de baterías o para operar hasta 100 bombillas incandescentes , tres lámparas de arco y varios motores en el laboratorio de Brush. La máquina cayó en desuso después de 1900, cuando la electricidad comenzó a estar disponible en las estaciones centrales de Cleveland, y fue abandonada en 1908. [154]
Los representantes de los institutos de ingeniería eléctrica del mundo han adoptado y nombrado diversas unidades de electricidad y magnetismo, unidades y nombres que han sido confirmados y legalizados por los gobiernos de los Estados Unidos y otros países. Así, el voltio, del italiano Volta, se ha adoptado como la unidad práctica de fuerza electromotriz; el ohmio, del enunciador de la ley de Ohm, como la unidad práctica de resistencia; el amperio , en honor al eminente científico francés de ese nombre, como la unidad práctica de intensidad de corriente; el henrio como la unidad práctica de inductancia, en honor a Joseph Henry y en reconocimiento a su temprano e importante trabajo experimental sobre inducción mutua. [155]
Dewar y John Ambrose Fleming predijeron que en el cero absoluto , los metales puros se convertirían en conductores electromagnéticos perfectos (aunque, más tarde, Dewar modificó su opinión sobre la desaparición de la resistencia creyendo que siempre habría alguna resistencia). Walther Hermann Nernst desarrolló la tercera ley de la termodinámica y afirmó que el cero absoluto era inalcanzable. Carl von Linde y William Hampson , ambos investigadores comerciales, casi al mismo tiempo solicitaron patentes sobre el efecto Joule-Thomson . La patente de Linde fue el clímax de 20 años de investigación sistemática de hechos establecidos, utilizando un método de contraflujo regenerativo. El diseño de Hampson también fue un método regenerativo. El proceso combinado se conoció como el proceso de licuefacción de Linde-Hampson . Heike Kamerlingh Onnes compró una máquina de Linde para su investigación. Zygmunt Florenty Wróblewski realizó una investigación sobre las propiedades eléctricas a bajas temperaturas, aunque su investigación terminó antes de tiempo debido a su muerte accidental. En 1864, Karol Olszewski y Wroblewski predijeron el fenómeno eléctrico de la caída de los niveles de resistencia a temperaturas extremadamente frías. Olszewski y Wroblewski documentaron evidencia de esto en la década de 1880. Un hito se alcanzó el 10 de julio de 1908 cuando Onnes, en la Universidad de Leiden, en Leiden , produjo, por primera vez, helio licuado y logró la superconductividad .
En 1900, William Du Bois Duddell desarrolló el Arco Cantante y produjo sonidos melódicos, desde un tono bajo a uno alto, a partir de esta lámpara de arco.
Entre 1900 y 1910, muchos científicos como Wilhelm Wien , Max Abraham , Hermann Minkowski o Gustav Mie creían que todas las fuerzas de la naturaleza eran de origen electromagnético (la llamada "visión electromagnética del mundo"). Esto estaba relacionado con la teoría del electrón desarrollada entre 1892 y 1904 por Hendrik Lorentz . Lorentz introdujo una estricta separación entre la materia (electrones) y el éter, por lo que en su modelo el éter es completamente inmóvil y no se pone en movimiento en las proximidades de la materia ponderable. Al contrario de otros modelos electrónicos anteriores, el campo electromagnético del éter aparece como un mediador entre los electrones y los cambios en este campo pueden propagarse a una velocidad no superior a la de la luz.
En 1896, tres años después de presentar su tesis sobre el efecto Kerr , Pieter Zeeman desobedeció las órdenes directas de su supervisor y utilizó equipo de laboratorio para medir la división de las líneas espectrales por un campo magnético intenso. Lorentz explicó teóricamente el efecto Zeeman sobre la base de su teoría, por la que ambos recibieron el Premio Nobel de Física en 1902. Un concepto fundamental de la teoría de Lorentz en 1895 fue el "teorema de los estados correspondientes" para términos de orden v/c. Este teorema establece que un observador en movimiento (en relación con el éter) realiza las mismas observaciones que un observador en reposo. Este teorema fue extendido para términos de todos los órdenes por Lorentz en 1904. Lorentz notó que era necesario cambiar las variables espacio-temporales al cambiar los marcos e introdujo conceptos como la contracción física de la longitud (1892) para explicar el experimento de Michelson-Morley, y el concepto matemático de tiempo local (1895) para explicar la aberración de la luz y el experimento de Fizeau . Esto resultó en la formulación de la llamada transformación de Lorentz por Joseph Larmor (1897, 1900) y Lorentz (1899, 1904). [156] [157] [158] Como Lorentz señaló más tarde (1921, 1928), consideraba el tiempo indicado por los relojes que descansaban en el éter como tiempo "verdadero", mientras que el tiempo local era visto por él como una hipótesis de trabajo heurística y un artificio matemático. [159] [160] Por lo tanto, los historiadores modernos consideran que el teorema de Lorentz es una transformación matemática de un sistema "real" que reposa en el éter a un sistema "ficticio" en movimiento. [156] [157] [158]
Continuando el trabajo de Lorentz, Henri Poincaré entre 1895 y 1905 formuló en muchas ocasiones el principio de relatividad e intentó armonizarlo con la electrodinámica. Declaró que la simultaneidad sólo es una convención conveniente que depende de la velocidad de la luz, por lo que la constancia de la velocidad de la luz sería un postulado útil para hacer las leyes de la naturaleza lo más simples posible. En 1900 interpretó la hora local de Lorentz como el resultado de la sincronización del reloj por señales de luz, e introdujo el momento electromagnético comparando la energía electromagnética con lo que llamó un "fluido ficticio" de masa . Y finalmente en junio y julio de 1905 declaró el principio de relatividad como una ley general de la naturaleza, incluida la gravitación. Corrigió algunos errores de Lorentz y demostró la covarianza de Lorentz de las ecuaciones electromagnéticas. Poincaré también sugirió que existen fuerzas no eléctricas para estabilizar la configuración electrónica y afirmó que la gravitación es una fuerza no eléctrica también, contrariamente a la visión del mundo electromagnético. Sin embargo, los historiadores señalaron que todavía utilizaba la noción de éter y distinguía entre tiempo "aparente" y "real" y, por lo tanto, no inventó la relatividad especial en su comprensión moderna. [158] [161] [162] [163] [164] [165]
En 1905, mientras trabajaba en la oficina de patentes, Albert Einstein publicó cuatro artículos en Annalen der Physik , la principal revista alemana de física. Se trata de los artículos que la historia ha dado en llamar los artículos del Annus Mirabilis :
Los cuatro artículos se reconocen hoy como logros tremendos, y por eso 1905 se conoce como el " año maravilloso " de Einstein. Sin embargo, en su momento la mayoría de los físicos no los consideraron importantes, y muchos de los que sí los consideraron los rechazaron de plano. Algunos de estos trabajos, como la teoría de los cuantos de luz, siguieron siendo controvertidos durante años. [166] [167]
La primera formulación de una teoría cuántica que describe la interacción entre la radiación y la materia se debe a Paul Dirac , quien, durante 1920, fue capaz de calcular por primera vez el coeficiente de emisión espontánea de un átomo . [168] Paul Dirac describió la cuantificación del campo electromagnético como un conjunto de osciladores armónicos con la introducción del concepto de operadores de creación y aniquilación de partículas. En los años siguientes, con las contribuciones de Wolfgang Pauli , Eugene Wigner , Pascual Jordan , Werner Heisenberg y una elegante formulación de la electrodinámica cuántica debido a Enrico Fermi , [169] los físicos llegaron a creer que, en principio, sería posible realizar cualquier cálculo para cualquier proceso físico que involucrara fotones y partículas cargadas. Sin embargo, estudios posteriores de Felix Bloch con Arnold Nordsieck , [170] y Victor Weisskopf , [171] en 1937 y 1939, revelaron que tales cálculos eran confiables solo en un primer orden de teoría de perturbación , un problema ya señalado por Robert Oppenheimer . [172] En órdenes superiores en la serie surgieron infinitos, haciendo que tales cálculos carecieran de sentido y arrojando serias dudas sobre la consistencia interna de la teoría misma. Sin una solución para este problema conocida en ese momento, parecía que existía una incompatibilidad fundamental entre la relatividad especial y la mecánica cuántica .
En diciembre de 1938, los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann enviaron un manuscrito a Naturwissenschaften informando que habían detectado el elemento bario después de bombardear uranio con neutrones ; [173] simultáneamente, comunicaron estos resultados a Lise Meitner . Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch interpretaron correctamente estos resultados como fisión nuclear . [174] Frisch confirmó esto experimentalmente el 13 de enero de 1939. [175] En 1944, Hahn recibió el Premio Nobel de Química por el descubrimiento de la fisión nuclear. Algunos historiadores que han documentado la historia del descubrimiento de la fisión nuclear creen que Meitner debería haber recibido el Premio Nobel junto con Hahn. [176] [177] [178]
Las dificultades con la teoría cuántica aumentaron hasta finales de 1940. Las mejoras en la tecnología de microondas permitieron tomar medidas más precisas del desplazamiento de los niveles de un átomo de hidrógeno , [179] ahora conocido como desplazamiento Lamb y momento magnético del electrón. [180] Estos experimentos expusieron inequívocamente discrepancias que la teoría no podía explicar. Con la invención de las cámaras de burbujas y las cámaras de chispas en la década de 1950, la física experimental de partículas descubrió un gran y cada vez mayor número de partículas llamadas hadrones . Parecía que un número tan grande de partículas no podían ser todas fundamentales .
Poco después del final de la guerra en 1945, Bell Labs formó un Grupo de Física del Estado Sólido, dirigido por William Shockley y el químico Stanley Morgan; otro personal incluyendo a John Bardeen y Walter Brattain , el físico Gerald Pearson, el químico Robert Gibney, el experto en electrónica Hilbert Moore y varios técnicos. Su tarea era buscar una alternativa de estado sólido a los frágiles amplificadores de tubo de vacío de vidrio . Sus primeros intentos se basaron en las ideas de Shockley sobre el uso de un campo eléctrico externo en un semiconductor para afectar su conductividad. Estos experimentos fallaron cada vez en todo tipo de configuraciones y materiales. El grupo estaba paralizado hasta que Bardeen sugirió una teoría que invocaba estados superficiales que impedían que el campo penetrara en el semiconductor. El grupo cambió su enfoque para estudiar estos estados superficiales y se reunían casi a diario para discutir el trabajo. La relación del grupo era excelente y las ideas se intercambiaban libremente. [181]
En cuanto a los problemas en los experimentos con electrones, Hans Bethe dio un camino hacia una solución . En 1947, mientras viajaba en tren para llegar a Schenectady desde Nueva York, [182] después de dar una charla en la conferencia en Shelter Island sobre el tema, Bethe completó el primer cálculo no relativista del desplazamiento de las líneas del átomo de hidrógeno medido por Lamb y Retherford. [183] A pesar de las limitaciones del cálculo, el acuerdo fue excelente. La idea era simplemente adjuntar infinitos a las correcciones en masa y carga que en realidad estaban fijadas a un valor finito por experimentos. De esta manera, los infinitos se absorben en esas constantes y producen un resultado finito en buen acuerdo con los experimentos. Este procedimiento se denominó renormalización .
Basándose en la intuición de Bethe y en los artículos fundamentales sobre el tema de Shin'ichirō Tomonaga , [184] Julian Schwinger , [185] [186] Richard Feynman [187] [188] [189] y Freeman Dyson , [190] [191] finalmente fue posible obtener formulaciones completamente covariantes que fueran finitas en cualquier orden en una serie de perturbaciones de la electrodinámica cuántica. Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger y Richard Feynman fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobel de Física en 1965 por su trabajo en esta área. [192] Sus contribuciones, y las de Freeman Dyson , fueron sobre formulaciones covariantes e invariantes de calibre de la electrodinámica cuántica que permiten cálculos de observables en cualquier orden de la teoría de perturbaciones . La técnica matemática de Feynman, basada en sus diagramas , inicialmente parecía muy diferente del enfoque teórico de campos y basado en operadores de Schwinger y Tomonaga, pero Freeman Dyson demostró más tarde que los dos enfoques eran equivalentes. [190] La renormalización , la necesidad de adjuntar un significado físico a ciertas divergencias que aparecen en la teoría a través de integrales , se ha convertido posteriormente en uno de los aspectos fundamentales de la teoría cuántica de campos y ha llegado a ser vista como un criterio para la aceptabilidad general de una teoría. Aunque la renormalización funciona muy bien en la práctica, Feynman nunca se sintió del todo cómodo con su validez matemática, incluso refiriéndose a la renormalización como un "juego de trileros" y "hocus pocus". [193] La QED ha servido como modelo y plantilla para todas las teorías cuánticas de campos posteriores. Peter Higgs , Jeffrey Goldstone y otros, Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam demostraron de forma independiente cómo la fuerza nuclear débil y la electrodinámica cuántica podrían fusionarse en una única fuerza electrodébil .
Robert Noyce atribuyó a Kurt Lehovec el principio de aislamiento de la unión p-n causado por la acción de una unión pn polarizada (el diodo) como un concepto clave detrás del circuito integrado . [194] Jack Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958 y demostró con éxito el primer circuito integrado en funcionamiento el 12 de septiembre de 1958. [195] En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor ... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". [196] Kilby ganó el Premio Nobel de Física de 2000 por su parte en la invención del circuito integrado. [197] Robert Noyce también presentó su propia idea de un circuito integrado medio año después que Kilby. El chip de Noyce resolvió muchos problemas prácticos que el de Kilby no había resuelto. El chip de Noyce, fabricado en Fairchild Semiconductor , estaba hecho de silicio , mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio .
Philo Farnsworth desarrolló el fusor Farnsworth-Hirsch , o simplemente fusor, un aparato diseñado por Farnsworth para crear fusión nuclear . A diferencia de la mayoría de los sistemas de fusión controlada, que calientan lentamente un plasma confinado magnéticamente, el fusor inyecta iones de alta temperatura directamente en una cámara de reacción, evitando así una cantidad considerable de complejidad. Cuando el fusor Farnsworth-Hirsch se introdujo por primera vez en el mundo de la investigación de la fusión a finales de la década de 1960, el fusor fue el primer dispositivo que pudo demostrar claramente que estaba produciendo reacciones de fusión. En ese momento, había grandes esperanzas de que pudiera convertirse rápidamente en una fuente de energía práctica. Sin embargo, al igual que con otros experimentos de fusión, el desarrollo de una fuente de energía ha resultado difícil. No obstante, desde entonces el fusor se ha convertido en una fuente de neutrones práctica y se produce comercialmente para esta función. [198]
La imagen especular de un electroimán produce un campo con polaridad opuesta. Por lo tanto, los polos norte y sur de un imán tienen la misma simetría que el izquierdo y el derecho. Antes de 1956, se creía que esta simetría era perfecta y que un técnico no podría distinguir los polos norte y sur de un imán excepto por referencia a la izquierda y la derecha. En ese año, TD Lee y CN Yang predijeron la no conservación de la paridad en la interacción débil. Para sorpresa de muchos físicos, en 1957 CS Wu y colaboradores de la Oficina Nacional de Normas de Estados Unidos demostraron que en condiciones adecuadas para la polarización de los núcleos, la desintegración beta del cobalto-60 libera preferentemente electrones hacia el polo sur de un campo magnético externo y una cantidad algo mayor de rayos gamma hacia el polo norte. Como resultado, el aparato experimental no se comporta de manera comparable a su imagen especular. [199] [200] [201]
El primer paso hacia el Modelo Estándar fue el descubrimiento de Sheldon Glashow , en 1960, de una forma de combinar las interacciones electromagnéticas y débiles . [202] En 1967, Steven Weinberg [203] y Abdus Salam [204] incorporaron el mecanismo de Higgs [205] [206] [207] en la teoría electrodébil de Glashow , dándole su forma moderna. Se cree que el mecanismo de Higgs da lugar a las masas de todas las partículas elementales en el Modelo Estándar. Esto incluye las masas de los bosones W y Z , y las masas de los fermiones , es decir, los quarks y los leptones . Después de las corrientes débiles neutrales causadas por
O
Los bosones de intercambio se descubrieron en el CERN en 1973, [208] [209] [210] [211] la teoría electrodébil fue ampliamente aceptada y Glashow, Salam y Weinberg compartieron el Premio Nobel de Física de 1979 por descubrirla. Los bosones W y Z se descubrieron experimentalmente en 1981, y se encontró que sus masas eran las predichas por el Modelo Estándar. La teoría de la interacción fuerte , a la que muchos contribuyeron, adquirió su forma moderna alrededor de 1973-74, cuando los experimentos confirmaron que los hadrones estaban compuestos de quarks con carga fraccionaria. Con el establecimiento de la cromodinámica cuántica en la década de 1970 se finalizó un conjunto de partículas fundamentales y de intercambio, lo que permitió el establecimiento de un " modelo estándar " basado en las matemáticas de la invariancia de calibre , que describió con éxito todas las fuerzas excepto la gravedad, y que sigue siendo generalmente aceptado dentro del dominio al que está diseñado para ser aplicado.
El 'modelo estándar' agrupa la teoría de la interacción electrodébil y la cromodinámica cuántica en una estructura denotada por el grupo de calibración SU(3)×SU(2)×U(1) . La formulación de la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles en el modelo estándar se debe a Abdus Salam , Steven Weinberg y, posteriormente, Sheldon Glashow . Tras el descubrimiento, realizado en el CERN , de la existencia de corrientes débiles neutras , [212] [213] [214] [215] mediadas por laOLos físicos Salam, Glashow y Weinberg, que habían previsto el bosón en el modelo estándar, recibieron el Premio Nobel de Física en 1979 por su teoría electrodébil. [216] Desde entonces, los descubrimientos del quark bottom (1977), el quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han dado credibilidad al Modelo Estándar.
Existe una variedad de tecnologías energéticas emergentes . En 2007, los condensadores eléctricos de doble capa de escala micrométrica de estado sólido basados en conductores superiónicos avanzados ya se habían utilizado en electrónica de bajo voltaje, como la nanoelectrónica de subvoltaje profundo y tecnologías relacionadas (el nodo tecnológico de 22 nm de CMOS y más allá). Además, la batería de nanocables , una batería de iones de litio, fue inventada por un equipo dirigido por el Dr. Yi Cui en 2007.
Como reflejo de la importancia fundamental y la aplicabilidad de la resonancia magnética [217] en medicina, Paul Lauterbur de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y Sir Peter Mansfield de la Universidad de Nottingham recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2003 por sus "descubrimientos relacionados con la resonancia magnética". La cita del Nobel reconoció la idea de Lauterbur de utilizar gradientes de campo magnético para determinar la localización espacial , un descubrimiento que permitió la adquisición rápida de imágenes 2D.
La electricidad inalámbrica es una forma de transferencia de energía inalámbrica , [218] la capacidad de proporcionar energía eléctrica a objetos remotos sin cables. El término WiTricity fue acuñado en 2005 por Dave Gerding y luego utilizado para un proyecto dirigido por el profesor Marin Soljačić en 2007. [219] [220] Los investigadores del MIT demostraron con éxito la capacidad de alimentar una bombilla de 60 vatios de forma inalámbrica, utilizando dos bobinas de cobre de 5 vueltas de 60 cm (24 pulgadas) de diámetro , que estaban a 2 m (7 pies) de distancia, con una eficiencia de aproximadamente el 45%. [221] Esta tecnología puede usarse potencialmente en una gran variedad de aplicaciones, incluidas las de consumo, industriales, médicas y militares. Su objetivo es reducir la dependencia de las baterías. Otras aplicaciones de esta tecnología incluyen la transmisión de información : no interferiría con las ondas de radio y, por lo tanto, podría usarse como un dispositivo de comunicación barato y eficiente sin requerir una licencia o un permiso gubernamental.
Una teoría unificada general (GUT, por sus siglas en inglés) es un modelo de física de partículas en el que, a alta energía, la fuerza electromagnética se fusiona con las otras dos interacciones de calibración del modelo estándar , las fuerzas nucleares débil y fuerte . Se han propuesto muchas candidatas, pero ninguna está respaldada directamente por evidencia experimental. Las GUT se consideran a menudo como pasos intermedios hacia una " teoría del todo " (TOE, por sus siglas en inglés), una supuesta teoría de la física teórica que explica y vincula completamente todos los fenómenos físicos conocidos y, idealmente, tiene poder predictivo para el resultado de cualquier experimento que pueda llevarse a cabo en principio. Ninguna teoría de este tipo ha sido aceptada aún por la comunidad de físicos.
El monopolo magnético [222] en la teoría cuántica de la carga magnética comenzó con un artículo del físico Paul AM Dirac en 1931. [223] La detección de monopolos magnéticos es un problema abierto en la física experimental. En algunos modelos teóricos , es poco probable que se observen monopolos magnéticos, porque son demasiado masivos para ser creados en aceleradores de partículas , y también demasiado raros en el Universo para entrar en un detector de partículas con mucha probabilidad.
Después de más de veinte años de investigación intensiva, el origen de la superconductividad de alta temperatura aún no está claro, pero parece que en lugar de mecanismos de atracción electrón-fonón , como en la superconductividad convencional, se trata de mecanismos electrónicos genuinos (por ejemplo, mediante correlaciones antiferromagnéticas ), y en lugar de emparejamientos de ondas s , los emparejamientos de ondas d [224] son sustanciales. [225] Un objetivo de toda esta investigación es la superconductividad a temperatura ambiente . [226]
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público : " La electricidad, su historia y progreso " de William Maver Jr. - artículo publicado en The Encyclopedia Americana; a library of universal knowledge , vol. X, pp. 172ff. (1918). Nueva York: Encyclopedia Americana Corp.
