domingo, 7 de junio de 2009

Nociones sobre electricidad y magnetismo

Desde la más remota antigüedad se conoce el hecho de que cuando frotamos un pedazo del material llamado ámbar (que es una resina petrificada amarillenta) con un trozo de lana o seda adquiere, temporalmente, la propiedad de atraer cuerpos livianos, como lo son pedacitos de paja seca o partículas de polvo, etc. El descubrimiento de esta propiedad en el ámbar se atribuye al filósofo de la Antigua Grecia Thales de Mileto (600 A.C.). A este material que en español llamamos “ámbar” en griego se le conocía con el nombre de “elektron”; de aquí el origen de la palabra electricidad y todas sus derivadas. Por ejemplo, para expresar la propiedad que ha adquirido el cuerpo así frotado decimos que está cargado eléctricamente o que ha adquirido cierta cantidad de carga eléctrica.
La primera persona que estudió este tipo de fenómenos de una forma sistemática y cuidadosa parece haber sido el médico y matemático inglés William Gilbert (1540-1603). Gilbert era un caballero inglés miembro de una familia acomodada. Había estudiado medicina y matemáticas en Cambridge dedicándose luego a la práctica de la medicina en Londres. Llegó a adquirir tal fama como médico que se le nombró médico de la Reina Elizabeth I. El llegó a granjearse una gran estima de parte de la Reina hasta el punto que ésta le hizo una donación para que pudiese continuar sus estudios.
Gilbert también se interesó y estudió los fenómenos relativos al magnetismo y resumió su trabajo sobre los fenómenos magnéticos en su gran libro titulado De magnette el que fue publicado en el año de 1600. Los estudios modernos sobre electricidad y magnetismo básicamente parten de sus investigaciones experimentales las cuales se extendieron por más de quince largos años y le requirieron el gasto de una buena parte de su fortuna personal. Previo al trabajo de Gilbert la mayor parte de lo que se pensaba sobre los fenómenos de la electricidad y del magnetismo había sido dominada por ideas fantásticas que muchas veces bordeaban en lo mágico. Sin embargo, realizó muchos experimentos importantes, como la construcción de una terrella, un modelo pequeño de la Tierra hecho de magnetita, con el cual mostró que una aguja imanada puesta en su superficie apuntará siempre hacia sus polos opuestos, un experimento que para él confirmaba su grandiosa hipótesis de que la Tierra era un magneto gigante o se comportaba como tal en estos respectos. Él demostró que muchos otros cuerpos, además de los ya conocidos, podían ser electrizados por rozamiento o fricción. También distinguió entre los fenómenos puramente eléctricos y los fenómenos magnéticos mostrando por ejemplo, que la magnetita no precisa de ningún estímulo para mostrar sus propiedades magnéticas, mientras que el vidrio y el ámbar necesitan ser frotados si queremos que muestren sus propiedades eléctricas. Además mostró que la atracción magnética no es afectada por la interposición de una lámina de papel y sin embargo la atracción eléctrica sí es afectada.
Gilbert fue menos afortunado al intentar explicar sus numerosas observaciones. Para esto introdujo los supuestos “efluvios” o emanaciones que provenían de los cuerpos electrizados. Por más de doscientos años los electricistas idearon fluidos, emanaciones, efluvios y cosas así por el estilo sin lograr avanzar con ellas el entendimiento de lo que llamamos electricidad. Aun así, el trabajo de Gilbert es considerado como uno de primer orden. Descubrió nuevos fenómenos y adelantó nuevas ideas. Más de cincuenta años después de su muerte, Newton admitía en el cuestionamiento número 22 de su libro Opticks y al final de su libro Principia, estaba consciente de que los fenómenos eléctricos y magnéticos eran de gran importancia para la comprensión final del funcionamiento de la Naturaleza y que eran pobremente entendidos hasta ese momento.

Conductores y aisladores.
En el siglo XVI, Gilbert investigó con cuidado el fenómeno físico de la electrización de los cuerpos por fricción y, basándose en observaciones, clasificó todas las substancias en dos tipos: aquellas que consiguió electrizar por frotamiento, como el vidrio, el ámbar, la seda, cierto número de piedras preciosas como el diamante y el zafiro, etc., y que llamó “eléctricas”, y aquellas, como los metales, que no pudo electrizar por frotamiento y que denominó “no eléctricas”.
¿Es qué estos cuerpos que llamamos “no eléctricos” no pueden ser electrizados de ninguna manera? Si se toma un cuerpo “no eléctrico”, por ejemplo, una barra metálica, y cogiéndola con la mano se frota con un paño, la propiedad antedicha no aparece, pero basta proveerla de un mango de una de las substancias que clasificamos como eléctricas, para que se manifiesten las propiedades eléctricas. Además, la experiencia enseña que el tiempo durante el cual conserva el metal las propiedades eléctricas depende en gran manera de la naturaleza de su mango. Si éste es de ámbar, las conserva durante mucho tiempo; si es de madera seca, menos; si es de madera húmeda, mucho menos, y en el caso límite de ser metálico, pierde instantáneamente su estado de electrización. Vemos, por lo tanto, que las propiedades que estamos estudiando no son exclusivas de los cuerpos que William Gilbert llamó eléctricos, sino que es una propiedad general de la materia, siendo sólo más o menos difícil ponerla de manifiesto según la naturaleza del cuerpo que se estudia. A la vista de estas observaciones, hoy en día los cuerpos se han clasificados como conductores o aisladores, aunque no se puede establecer una verdadera separación entre ellos, sino que, en realidad, sólo existen buenos y malos conductores, pasando de unos a otros, de los metales al ámbar, casi de un modo continuo.

Electricidad: Positiva y negativa
Frotemos un extremo de una barra de ámbar con una pieza de lana bien seca y después suspendámosla de un largo hilo de seda. Se encontrará que cuando la lana se aproxima al extremo frotado de la barra, ésta se mueve hacia la lana, como si entre ellas existiese una fuerza atractiva. Si se frota otra barra de ámbar de manera análoga y se aproxima al extremo frotado de la barra suspendida, veremos que ésta se separa como si existiese entre ambas una fuerza repulsiva. Si se electriza cualesquiera otros cuerpos por frotamiento y se acercan a la barra suspendida, ésta es, a veces, atraída y, a veces, repelida.
Así, utilizando este método podemos clasificar los cuerpos electrizados en dos grupos: los que atraen la barra de ámbar frotada y los que la repelen. Así veremos que todos los cuerpos electrizados caen en uno de estos dos grupos, y puesto que los efectos producidos son opuestos, decimos que existen dos clases de electricidad, que arbitrariamente han recibido los nombres de positiva y negativa. Las palabras “positiva” y “negativa” son simplemente términos útiles, que no tienen significado matemático alguno en este caso . En resumen, se dice que tienen electricidad positiva aquellos cuerpos que atraen la barra de ámbar, y electricidad negativa aquellos que la repelen. La experiencia demuestra que dos cuerpos cargados con la misma clase de electricidad, al acercarlos se repelen, y en cambio, si tienen cargas opuestas se atraen. Podemos enunciar la siguiente ley: Cargas de igual signo se repelen y cargas de signos opuestos se atraen.
Es importante observar que una misma substancia no adquiere siempre electricidad del mismo signo cuando se frota con distintos materiales. Así, por ejemplo, el vidrio al ser frotado con seda se carga positivamente, pero al ser frotado con piel de conejo se carga negativamente. Esto sugiere que las cargas eléctricas no son creadas, sino que el proceso de adquirir una carga eléctrica consiste en que uno de los cuerpos cede “algo” al otro, de modo que, uno de ellos terminará con un exceso y el otro con un déficit de ese algo. Hasta fines del siglo XIX no se descubrió que ese algo que pasa de un cuerpo al otro se compone de porciones muy pequeñas e indivisibles (hasta el presente) de la electricidad llamada negativa, porciones a las que se les conoce actualmente como electrones.

Electroscopio
Un instrumento especialmente apto para poner de manifiesto las propiedades eléctricas descritas anteriormente es el llamado “electroscopio”. Está constituido por una varilla metálica, que pasa a través de un tapón de un material aislador, y uno de sus extremos termina en una esfera metálica y el otro lleva dos hojas, estrechas y delgadas, de oro o de aluminio. El sistema se coloca dentro de un recipiente cerrado (para evitar las corrientes de aire) que puede ser de vidrio o llevar ventanas transparentes para observar las laminillas en el interior ( Fig. 1).
De ordinario el electroscopio está descargado, y entonces la acción de la gravedad hace que las dos hojas estén en contacto en su posición vertical. Pero si se acerca un cuerpo electrizado (con carga sea positiva o negativa) a la esfera exterior, observamos que las laminillas se separan.
Se supone que la carga eléctrica adquirida por las laminillas es igual en naturaleza a la del cuerpo cargado que se acerca. Siendo las cargas que adquieren ambas laminillas del mismo signo, se repelen. Cuando acercamos la barra de ámbar cargada negativamente a la esfera del electroscopio, pero sin tocarla, son repelidas hacia las laminillas algunas cargas eléctricas negativas similares a las que posee la varilla, dejando un déficit de carga negativa en la esfera. La deficiencia de carga negativa en la esfera se denomina “carga inducida positiva”, y el exceso de carga negativa en las laminillas se llama “carga inducida negativa”. Estas cargas inducidas permanecerán separadas mientras se mantenga cerca de la esfera el cuerpo cargado eléctricamente responsable de producirlas (la barra de ámbar en nuestro caso). Sin embargo, si se aleja la barra, las cargas inducidas se unirán y se restablecerá el estado eléctrico neutral original de la varilla y de las laminillas del electroscopio. De acercar nosotros una barra cargada positivamente a la esfera del electroscopio, observaremos también una separación de las laminillas (vea la Fig. 2). Pero de acercarle un cuerpo no cargado, vemos que las laminillas de oro se mantienen unidas (i.e., no se separan). Por lo tanto, hasta ahora hemos visto que el electroscopio sirve para indicar si un cuerpo está o no cargado eléctricamente.
¿Servirá este instrumento para indicar la naturaleza de la carga? Si en vez de sólo acercar la barra de ámbar (o un cuerpo cargado negativamente, como se sugiere en la Fig. 2 ) la ponemos en contacto con la esfera metálica, la carga negativa de aquélla neutraliza la carga positiva (déficit negativo) de ésta y las laminillas quedan separadas por un tiempo indefinido, aunque separemos o alejemos la barra de ámbar. Tenemos así las laminillas cargadas negativamente (vea las Fig. 3). Ahora, si a este electroscopio cargado negativamente le acercamos un cuerpo negativamente cargado, las laminillas se separarán aún más; pero de acercar un cuerpo positivamente cargado, se acercarán (vea la Fig. 4 ).
Por lo tanto, el estado final del electroscopio nos permite investigar la naturaleza de la carga eléctrica de un nuevo cuerpo, al menos después de haberlo cargado previamente con alguún tipo conocido de carga eléctrica. Un proceso análogo tiene lugar si la experiencia anterior se realiza con un electroscopio que haya sido cargado positivamente. Sugerimos al estudiante el ejercicio de hacer los dibujos correspondientes para representar este último proceso.
La mayor o menor separación de las laminillas es un índice de la mayor o menor cantidad de electricidad, o sea, de la magnitud de la carga eléctrica que poseen los cuerpos que se investigan; esto es, suponiendo que si los efectos son mayores las causas también deben serlo. Una escala graduada convenientemente situada podrá medir la mayor o menor separación de las laminillas.

Fuerzas entre cargas eléctricas: Ley de Coulomb.
Un siglo después de enunciar Newton la Ley de Gravitación Universal , el físico francés Charles Augustine Coulomb (1736-1806) realizó una larga serie de cuidadosos experimentos con la intención de lograr cuantificar la magnitud de la fuerza eléctrica entre cualesquiera dos cuerpos cargados eléctricamente que se hallasen separados por una distancia cualquiera. Después de años de innumerables mediciones, y de un arduo estudio de los resultados, Coulomb logró establecer que la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cuerpos cargados eléctricamente obedece a una ley similar, en su forma, a la Ley de Gravitación Universal. Es decir, Coulomb encontró que la magnitud de la fuerza eléctrica de atracción o repulsión que existe entre dos cargas eléctricas de signos opuestos o cargas de igual signo, respectivamente, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros y, al mismo tiempo, directamente proporcional al producto de dichas cargas: esto es,

siendo q1 y q2 las magnitudes de las cargas eléctricas que poseen los cuerpos #1 y #2, r la magnitud de la distancia que separa los centro de las cargas y |Felect| la magnitud de la fuerza eléctrica ejercida mutuamente entre ellas (vea la Fig. 5).

r
____________________________________________
q 1 Fig. 5 q 2
Expresando estas dos observaciones en una sola ecuación, tenemos:

donde k es la llamada constante de proporcionalidad entre “|FElect.|” y “q1q2/r”, cuyo valor depende del sistema de unidades que se emplee y del medio en que se encuentren sumergidas las cargas.
Dado que aún no existía unidad de carga eléctrica, la expresión matemática de la Ley de Coulomb sirvió para definirla; haciendo k = 1 y situando las cargas en el vacío, de forma que la “unidad electrostática de carga” viene a ser la cantidad de electricidad que, puesta frente a otra igual en magnitud a la distancia de 1 centímetro, le atrae o repele con la fuerza de una dina.
En el sistema Internacional de Medidas (SI), la unidad de carga es el Culombio, la distancia se expresa en Metros y la constante k para el vacío es 9 X 109 Nm2/Kg2, obteniéndose la fuerza en Newtons.


Campos eléctricos
La noción de “campo” (“field” en inglés) fue una introducida en la segunda mitad del Siglo XIX por el gran físico inglés James Clerk Maxwell (1834-1879). Lo hizo con la intención de poder explicar el llamado fenómeno de “fuerza a distancia” que se manifiesta en varias áreas de la física como lo son las interacciones gravitacionales, las interacciones eléctricas y las interacciones magnéticas. En cada uno de estos casos se observa que un cuerpo que posea la propiedad en cuestión, por ejemplo “masa”, puede ejercer una fuerza sobre otro que también posea la misma propiedad sin necesidad de estar en contacto uno con el otro. Es decir, un cuerpo puede ejercer una fuerza gravitatoria sobre otro sin que entre los dos haya un contacto físico o algo material que sirva como agente transmisor de la fuerza. La fuerza se transmite “a distancia”, sin que medie “algo” material entre los cuerpos interactuantes. La noción de “campo” se introduce entonces con la idea de llenar tal hueco. O sea, decimos que el agente trasmisor de la “fuerza a distancia” es un “algo inmaterial” e invisible que llamamos “campo”. En el caso de las interacciones gravitacionales, hablamos del “campo gravitacional”; en el caso de la interacción entre cargas eléctricas hablamos del “campo eléctrico”, y en el caso de las interacciones magnéticas, hablamos del “campo magnético” como los responsables de que ocurran tales interacciones.
Para poner de manifiesto la existencia de un campo eléctrico, es decir, de una fuerza que actúe a distancia sobre cargas eléctricas, empleamos una carga eléctrica llamada carga de prueba, o carga prueba que arbitrariamente se escoge como positiva y, por sencillez, de valor igual a la unidad.
Al abandonar libremente la carga prueba en ausencia de otros tipos de campos distintos del eléctrico, si ésta permanece en reposo o en un movimiento uniforme rectilíneo, en acuerdo con la primera ley de Newton no debe estar sometida a ninguna fuerza que no esté perfectamente balanceada; por lo tanto, no existe campo eléctrico. Por el contrario, de tomar un movimiento acelerado, es evidente la existencia de una fuerza de naturaleza eléctrica, y de ahí la presencia de un campo eléctrico. La trayectoria que describe la carga prueba sometida únicamente a la fuerza eléctrica la llamamos “línea de fuerza del campo”, trayectoria que no tiene que ser necesariamente rectilínea, como veremos más adelante. Para poner de manifiesto las líneas de fuerzas del campo eléctrico se podría utilizar el siguiente dispositivo:





Sobre una placa de material aislador (vidrio) se coloca un pequeño cuerpo conductor (metal). Se le comunica una carga al conductor y se espolvorean pequeñas limaduras de hierro sobre la lámina aisladora. Golpeando suavemente la lámina de vidrio se observa que las limaduras de hierro se orientan de la manera indicada en la Fig. 6.


Es decir, ponen de manifiesto las susodichas líneas de fuerza. De ser esta carga, que crea el campo, una carga puntual positiva, y siendo la carga de prueba por definición también positiva, la fuerza será repulsiva (vea la Fig. 7), y las líneas de fuerza nacerán de la carga puntual, lo que se indica mediante flechas.
De poner una carga puntual negativa en el centro, la fuerza sobre la carga de prueba será atractiva y la disposición de las líneas de fuerza idéntica al caso anterior, sólo que invirtiendo el sentido de las flechas (vea la Fig. 8).
Por definición, toda línea de fuerza nace de una carga positiva y muere en una negativa. Ejemplos de campos resultantes por combinación de cargas de distintos o iguales signos se indican en las figuras 9 y 10, respectivamente.





En esta etapa nos preguntamos ¿cuál será la estructura del “ algo” que adquieren los cuerpos cuando se cargan eléctricamente? ¿Será un fluido continuo? ¿Tendrá una estructura granular discontinua, como la de la materia, en acuerdo con lo propuesto por Dalton?



MAGNETISMO
Un hecho experimental conocido también por el hombre desde la más remota antigüedad es la propiedad que presentan ciertos minerales, como, por ejemplo, la magnetita, de atraer limaduras de hierro. A los cuerpos que manifiestan esta propiedad se les ha llamado imanes, y al fenómeno en sí, magnetismo, término éste que proviene del mineral denominado magnetita, por haber sido encontrado en las proximidades de la antigua ciudad de Magnesia. Este primer hecho experimental y los citados en las notas sobre electricidad están íntimamente ligados, como vemos más adelante, y constituyen el fundamento de todo el electromagnetismo. Además de los imanes naturales existen otras substancias que pueden adquirir fácilmente propiedades magnéticas, tales como el hierro, el cobalto, y el níquel. Una vez que la han adquirido se les denomina imanes artificiales. Una forma sencilla de obtener un imán artificial podría ser el mantener la barra que se quiere imanar en íntimo y prolongado contacto con un imán natural.
Aquellos puntos del imán en los que se manifiesta con mayor intensidad la propiedad de atraer limaduras de hierro reciben el nombre de polos del imán, que en el caso de una barra fuertemente imanada se reducen a dos, situados en sus extremos. Aunque ambos polos poseen como propiedad común el atraer limaduras de hierro, no por eso son idénticos. En efecto, suspendamos un imán en forma de barra por su centro de gravedad, de forma que pueda girar libremente. Al abandonarlo en una posición cualquiera observaremos que se mueve como si estuviese sometido a sendas fuerzas aplicadas sobre sus polos que le obligan a girar hasta orientarse en una dirección, que será siempre la misma en el lugar en que se realice la experiencia; dirección que recupera por sí mismo cuantas veces perturbemos su posición de equilibrio y que viene a coincidir, aunque no exactamente, con la dirección norte-sur geográfica. Esta es la razón por la que los polos de un imán reciben los nombres de polo norte y polo sur. Por lo tanto, para determinar cuáles son los polos norte y sur de un imán, basta suspenderlo mediante un dispositivo que le permita girar libremente. En la posición de equilibrio, el polo norte del imán será el que quede orientado hacia el Norte geográfico y el polo sur el opuesto .
Repitiendo este experimento con distintos imanes podremos caracterizar con el nombre adecuado todos y cada uno de sus polos. Pues bien, la experiencia enseña que cuando se ponen frente a frente polos del mismo nombre aparece entre ellos una fuerza repulsiva, mientras que las fuerzas entre polos de distinto nombre son atractivas.
¿Estarán las propiedades magnéticas de los imanes localizadas exclusivamente en los polos? La experiencia parece indicar lo contrario. Efectivamente, el conocido experimento del imán que se parte en varios trozos demuestra que esta propiedad debe estar extendida por toda la masa del imán, ya que cada uno de los trozos, por pequeños que éstos sean, se comporta como un nuevo imán (véase la fig. 11). N S
N S

N S N S N S


Se diría que es en la propia molécula donde reside el origen de las propiedades magnéticas, y que los polos de una gran masa magnética no son más que el resultado externo de una acción ordenada y de conjunto. Todas estas consideraciones nos conducen a la idea de que un polo magnético no puede ser aislado; cosa que, hasta el presente, se ha visto confirmada por la experiencia.

Fuerzas magnéticas: Ley de Coulomb .
Un estudio cuantitativo de las fuerzas entre polos magnéticos similar al realizado para las fuerzas entre cargas eléctricas fue llevado a cabo también por C. A. Coulomb. En esta investigación Coulomb demostró que la fuerza de atracción o repulsión entre polos iguales u opuestos, respectivamente, es directamente proporcional al producto de las masas magnéticas de los polos involucrados e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los polos, esto es,

donde M1 y M2 representan las masas magnéticas de los polos y r la distancia entre ellos. Así la ley de Coulomb para magnetismo puede ser expresada por la siguiente ecuación:

donde μ representa la constante de proporcionalidad que en este caso se llama “constante de permeabilidad”, y que depende del medio interpuesto entre las masas magnéticas.

Campos magnéticos.
Las fuerzas entre imanes, mencionadas anteriormente, nos indican que todo imán dota de propiedades especiales al medio que lo rodea, propiedades que se ponen de manifiesto al explorar dicha región del espacio con un imán de prueba llamado “aguja imanada”, cuya longitud es grande comparada con su anchura. Se observa que el imán de prueba se orienta y, a veces, se desplaza en determinada dirección con un movimiento acelerado que, en acuerdo con las leyes de Newton, estaría producido por una fuerza. Decimos entonces que estamos en presencia de un campo magnético y que la fuerza que actúa sobre el imán de prueba es de naturaleza magnética. Como veremos más adelante, campos de este tipo también se producen en las proximidades de un conductor por el que se desplaza una corriente eléctrica.

Líneas de fuerza del campo magnético:
Para representar gráficamente un campo magnético utilizamos un método semejante al que empleamos para el campo eléctrico: las líneas de fuerza.
La dirección de las líneas de fuerza del campo magnético vienen dadas por la dirección del eje longitudinal del imán de prueba en su posición de equilibrio, admitiendo como sentido de dichas líneas el que va por el interior del imán de prueba desde su polo sur a su polo norte.
Las líneas de fuerza son líneas imaginarias, sin existencia real y por definición entran por el polo sur de un imán de prueba y salen por el polo norte.
Para poner de manifiesto estas líneas de fuerza sirve el siguiente experimento: sobre una lámina de un material no magnético (como papel o vidrio) se espolvorean pequeñas limaduras de hierro; se coloca luego bajo la lámina un potente imán y se observa que al golpear suavemente la lámina las limaduras de hierro se distribuyen en direcciones privilegiadas que, por comportarse cada limadura como un imán de prueba, corresponderán a las líneas de fuerza del campo magnético. En las figuras 12 y 13 se representan la distribución de las limaduras y el dibujo geométrico de las correspondientes líneas de fuerza, respectivamente.





Toda línea de fuerza nace en un polo norte y muere en un polo sur en el espacio exterior del imán, pero, distinto de lo que ocurre en los campos eléctricos cuyas líneas de fuerza no existen en el interior de un conductor cargado, en los campos magnéticos, como ponen de manifiesto las limaduras de hierro, si existen líneas de fuerza en el interior del imán cuya dirección es de sur a norte. Ejemplos de campos magnéticos entre polos de la misma carga aparecen dibujados en las figura 14 .




Campo magnético terrestre.
Muchos siglos atrás se observó que la aguja de una brújula se alineaba a lo largo de la dirección norte-sur geográfica. Aproximadamente en el 1600 William Gilbert, médico de la Reina Isabel, publicó los resultados de sus investigaciones indicando que la Tierra actúa como un enorme imán y dio la primera evidencia satisfactoria en favor de la existencia del magnetismo terrestre. Podemos explicar el observado magnetismo terrestre como si fuera causado por un imán de barra gigantesco colocado dentro de la Tierra de tal manera que estuviera desplazado aproximadamente 17o del eje de rotación de ella y fuera considerablemente más corto que el diámetro terrestre. Los dos polos magnéticos de la Tierra están localizados, uno, al norte del Canadá, y el otro, en la Antártida, a una distancia considerable de los polos geográficos. (Véase Fig. 15.)

Relación entre electricidad y magnetismo.
En 1819 el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851) encontró que alrededor de una corriente eléctrica existía un campo magnético. Este descubrimiento ha producido algunos de los logros más fecundados en la historia de la ciencia. Muchos de los modernos adelantos son resultado de la aplicación práctica de los efectos magnéticos de las corrientes eléctricas. Estos efectos se utilizan en motores, aparatos de medida, electroimanes y prácticamente en todos los aparatos electromecánicos y electrodomésticos.
El experimento que llevó a cabo Oersted puede resumirse como sigue:
Observó que al colocar una brújula (que normalmente señala el polo norte magnético) bajo un alambre por el que circulaba una corriente eléctrica en dirección hacia el norte magnético, la aguja se alineaba en una dirección casi perpendicular al alambre. (Vea Fig. 16.)
N

__
+
S



Cuando se invertía el sentido de la corriente en el conductor también lo hacía la dirección de la aguja de la brújula. Parece, pues, evidente que toda corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético cuyas líneas de fuerza estudiadas con un imán de prueba, se distribuyen en círculos concéntricos situados sobre planos perpendiculares a la dirección del conductor, como se indica en la figura 17.





Estos campos creados por corrientes eléctricas también pueden ser puestos de manifiesto espolvoreando limaduras de hierro sobre una cartulina atravesada perpendicularmente por el cable conductor.
Hasta aquí hemos visto la influencia que una corriente eléctrica puede ejercer sobre un pequeño imán. Ahora, ¿influirá un campo magnético sobre una carga eléctrica? La experiencia contesta afirmativamente con la condición de que la carga se esté moviendo. Cuando una carga eléctrica se mueve en el seno de un campo magnético en cualquier dirección que no coincida con la de las líneas de fuerza o de campo, dicha carga se ve sometida a una fuerza cuya magnitud depende, entre otros factores, de la magnitud o intensidad del campo magnético, de la velocidad de la partícula, y del signo y magnitud de la misma carga eléctrica. El sentido o dirección de dicha fuerza viene dado por la regla de los tres dedos de la mano derecha (si se trata de una carga negativa) y de los tres dedos de la mano izquierda para cargas positivas). (Vea Fig. 18.)
Así pues, en general, si el dedo índice indica la dirección del campo magnético (H), y el dedo corazón indica la dirección de la velocidad de la carga (v), entonces el dedo pulgar indica la dirección de la fuerza (F) de naturaleza magnética que actúa sobre la carga modificando su movimiento.










RAYOS X Y RADIACTIVIDAD

En el decenio comprendido entre 1895 - 1905, se iniciaron investigaciones que años más tarde habrían de revolucionar la física; a saber: el descubrimiento de los Rayos X, por parte del físico alemán William Konrad Röentgen (1845-1923), en 1895; el descubrimiento del fenómeno de la Radioactividad, por el físico francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908), en 1896; y el descubrimiento del electrón, por parte del físico inglés Joseph John Thomson (1856-1940), en 1897.

Rayos X.

En 1895, el físico alemán William K. Röentgen, en el curso de una investigación sobre la descarga de la electricidad a través de los gases, notó que un tubo de rayos catódicos, revestido de papel negro hacía que una pantalla fluorescente brillara en la oscuridad y que esto ocurría aun cuando la pantalla estuviera a varios pies del tubo. Evidentemente, alguna clase de emisión procedía del tubo y Röentgen usó el término Rayos X para indicar el hecho de que desconocía la naturaleza de tal emisión. Pronto se encontró que los Rayos X se originaban en aquella región del tubo donde incidían los rayos catódicos.

La naturaleza de la radiación electromagnética de los Rayos X fue, durante más de quince años, un tópico de interés general entre los físicos teóricos y los físicos experimentales. La cuestión se aclaró finalmente en 1913, cuando se demostró que los Rayos X consisten de ondas electromagnéticas regulares con una longitud definida de entre 10-5 y 10-9 cm. Los Rayos X constituyen una porción del espectro electromagnético que corresponde a una frecuencia considerablemente mayor y a una longitud de onda considerablemente menor que los valores de las radiaciones ya conocidas hasta ese momento. De hecho, radiaciones con longitud de onda de cerca de 10-9 cm. aparecen en fuentes de luz “ultravioleta”, así que existe una región donde las dos clases de rayos, los Rayos X y los Rayos ultravioleta, se confunden y lo único que los diferencia es la técnica de producción de cada uno de ellos.
Los Rayos X son muy penetrantes, afectan las placas fotográficas y son de vital importancia en la investigación y en la tecnología, tanto física como biológica. Se producen hoy día en tubos altamente enrarecidos, en los cuales un cátodo caliente emite electrones con grandes velocidades; éstos caen sobre un blanco de metal o anticátodo. El anticátodo es, pues, la fuente de los Rayos X.

Radioactividad.


En 1896, un año después del descubrimiento accidental de los Rayos X por Röentgen, Antoine Henri Becquerel, físico francés, estaba estudiando estos rayos nuevos y en el curso de su investigación estuvo trabajando con materiales fluorescentes . Su padre, que también era un físico famoso, había estado interesado en estudiar los materiales fluorescentes y Becquerel hijo se preguntaba hasta qué punto podría hallarse una fuente de Rayos X entre las radiaciones que emiten los materiales fluorescentes. Becquerel padre había estado trabajando particularmente con un compuesto fluorescente que era a base de uranio y de potasio (específicamente el compuesto K2UO2(SO4)2, que como vemos en su fórmula tiene en su molécula un átomo de uranio). Becquerel rápidamente descubrió que después de haber sido expuesta a la luz solar la radiación fluorescente proveniente del compuesto podía penetrar el papel obscuro, que era opaco a la luz ordinaria del Sol, y ennegrecer una placa fotográfica puesta del otro lado. Ahora, el primero de marzo de 1896, según el mismo Becquerel, él había dejado, por casualidad, una muestra de la sal de uranio sobre una placa fotográfica que estaba cubierta con un papel negro para protegerla de la luz; y descubrió que esta sal emitía alguna clase de radiación capaz de penetrar el papel negro y afectar la placa. Lo grande del caso resultaba que la radiación que provenía de la sal no podía ahora deberse a la fluorescencia ya que dicha muestra de sal no había sido expuesta a la luz del Sol. O sea, la sal emitía cierta radiación, distinta a la radiación de fluorescencia, que era capaz de atravesar el papel obscuro que protegía una placa fotográfica y afectarla de esa forma. De hecho Becquerel se dio cuenta de que la sal emitía constante e incesantemente una radiación potente y penetrante que no era explicable en términos de fluorescencia.
Esta radiación no sólo era penetrante como la de los Rayos X, sino que, como los Rayos X, poseen la habilidad de ionizar la atmósfera como también lo demostró Becquerel. Esta propiedad de emitir constantemente radiación penetrante e ionizante fue nombrada como “radioactividad” por la físico polaca Marie Sklodowska Curie (1867-1934) en 1898 cuando al cabo de arduos años de trabajo de laboratorio pudo descubrir, junto a su esposo Pierre Curie (1850-1906), el nuevo elemento “radio” responsable éste de la mayor parte de la radiación proveniente de muestras que contienen uranio o torio.
El descubrimiento accidental de Becquerel tuvo consecuencias aún más trascendentales que el de Röentgen; pronto llevó al descubrimiento de una clase entera de elementos radioactivos. En esta línea de investigación “hizo época” no sólo el descubrimiento del elemento radio por Pierre y Marie Curie, sino también su posterior aislamiento químico, en 1902.
Bequerel estudió la emisión de las distintas substancias radiactivas y demostró que la radiación que dichas substancias emitían podía dividirse en tres clases diferentes, a las cuales se les llamó alfa(α), beta (β) y gamma (γ). Estas tres clases se pueden identificar cuando la radiación de algunas substancias radioactivas (ejemplo: radio, uranio) se hace pasar perpendicularmente a través de un campo magnético, pues bajo estas condiciones la radiación se divide en tres rayos reconocibles.

También se encontró que estas radiaciones no eran todas igualmente penetrantes. La radiación alfa penetraba sólo algunos centímetros de aire a presión atmosférica normal; la radiación beta era más penetrante que la alfa, pero la radiación gamma era la más penetrante de todas. Bequerel logró desviar las radiaciones beta por medio de fuerzas eléctricas y magnéticas y pudo demostrar que dichos rayos tenían carga eléctrica negativa y que consistían de partículas que se movían a grandes velocidades. También pudo determinar el valor de e para dichas partículas. Becquerel notó que las radiaciones alfa no se desviaban tan fácilmente como las beta y que además parecían poseer carga eléctrica positiva, y que las radiaciones gamma no sufrían desviación alguna al ser sometidas a fuerzas eléctricas o magnéticas, por lo que parecía que no poseen carga eléctrica alguna.

1 comentario:

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