Experimentos importantes en la Historia de la F...

Experimentos importantes en la Historia de la Física

Prof. J GüémezDepartamento de Física Aplicada

Universidad de Cantabria

Electricidad y magnetismo

Facultad de Ciencias, enero 2017

Aristóteles

Electricidad.Una barra de ámbar (electros en griego) frotada previamente con lana, es capaz de atraer cuerpos ligeros como, por ejemplo, una

semilla de diente de león, moviéndola contra su tendencia natural que es caer a tierra.

Una vez la semilla toca la barra, es repelida y se aleja de la barra.

(a) (b) (c)

Aristóteles

Magnetismo.Una piedra de mineral de hierro de las minas de Magnesia es capaz

de atraer un pequeño clavo de hierro y elevarlo del suelo, desplazándolo en contra de su movimiento natural que es hacia la

tierra.

(a) (b)

William Gilbert(Colchester, Inglaterra, 1544 - Londres, 1603) Físico y médico inglés. Fue uno de los pioneros en el estudio experimental de los fenómenos magnéticos. Para la posteridad ha quedado sobre todo como un notable astrónomo y físico: fue uno de los primeros que aceptó en Inglaterra la teoría copernicana. Es notable su obra De mundo nostro sublunari philosophia nova. En ella aventuró como hipótesis que las estrellas fijas pueden encontrarse a diferentes distancias de la tierra, y no en una única esfera.Pero su fama se apoya especialmente en sus estudios sobre el magnetismo contenidos en El imán y los cuerpos magnéticos (De magnete magneticisque corporibus). Esta obra, que Galileo calificó de fundamental, fue publicada en Londres en 1600 y debe considerarse como el primer tratado importante de física aparecido en Inglaterra. Gilbert compiló en ella sus investigaciones sobre cuerpos magnéticos y atracciones eléctricas.

De Magnete.

Portada del libro de Gilbert sobre los imanes y los fenómenos magnéticos.

Fabricación de imanes.Se entrega a un herrero una barra de hierro alargada. La barra se calienta al rojo vivo, se martillea y se deja enfriar siempre orientada en dirección Norte-Sur. El proceso se repite varias veces, manteniendo siempre la misma orientación de la barra.Los pequeños imanes del interior de la barra se van orientando y la barra se magnetiza gracias al campo magnético terrestre.

William Gilbert

William Gilbert

Atracción y repulsión entre polos de imanes.Gracias a la fabricación de buenos imanes, Gilbert pudo mostrar

que los imanes tienen dos extremos activos. Extremos del mismo tipo se repelen. Extremos de distinto tipo se atraen.

S N S N

S N SN

La Tierra se comporta como un gigantesco imán.Gilbert utilizó una pequeña Tierra (una esfera imantada) para llegar a esta conclusión.El Polo Norte geográfico de la Tierra atrae un extremo de un imán en forma de brújula. Gilbert concluyó entonces que en el Polo Norte geográfico de la Tierra hay un extremo magnético diferente. Y en el Polo Sur geográfico el correspondiente extremo magnético opuesto.

Polo norte y polo sur de un imán.A partir de estas experiencias Gilbert concluyó que la Tierra es un gigantesco imán.

Debido a esto, Gilbert denominó polo norte de un imán el extremo que se orienta hacia el Polo Norte geográfico y polo sur al contrario.

El polo sur magnético de la Tierra se encuentra cerca de su Polo Norte geoegráfico.

William Gilbert

Atracción y repulsión entre polos de imanes.Polos del mismo tipo (Norte-Norte o Sur-Sur) se repelen. Polos de distinto tipo (Norte-Sur) se atraen.

William GilbertEl campo magnético de la Tierra.El campo magnético de la Tierra, además de producir las auroras boreales, nos protege de muchas radiaciones ionizantes, particularmente, las procedentes del Sol.Sin este campo magnético, la vida sobre la Tierra no sería posible (al menos, tal y como la conocemos)

El campo magnético de la Tierra.El movimiento de la brújula cuando se desplaza a lo largo de la Tierra sugiere que la Tierra se comporta como un gigantesco imán, cuyo polo

sur se encuentra cerca del polo norte geoegráfico

Experimentos importantes en la historia de la física

Charles Coulomb. La ley de la fuerza eléctricaBenjamín Franklin. Las fuerzas eléctricasAlejandro Volta. La pila de VoltaHans Christian Oersted. Electricidad y magnetismoMichael Faraday. Principio de inducción de FaradayLenz. Ley de LenzHeinrich Hertz. Las ondas electromagnéticas

Elcetricidad, magnetismo, electromagnetismo

Ampére. Fuerzas entre corrientes

Experimento de la cometa de Flanklin.Llave al extremo del alambre (conductor), que sujeta con hilo de seda (no conductor). Se puede observar en el suelo una botella de Leyden (condensador). Otros que repitieron el experimento sin las debidas precauciones, se electrocutaron

Atracción y repulsión de barras frotadas y cargadas.Barras del mismo tipo frotadas con el mismo tejido se cargan con el mismo tipo de electricidad. Cuando se aproximan una a otra, se repelen.Cargas del mismo tipo (ámbar-ámbar, como en la imagen, o vidrio-vidrio, se repelen)

Inducción electrostática.ElectroscopioUna esfera metálica se encuentra unida a un soporte de metal que permite oscilar a una barrita metálica. Cuando se acerca una barra eléctricamente cargada a la esfera, la inducción eléctrica hace que se separen cargas. Como soporte y barrita tienen las mismas cargas, la barrita gira y se separa del soporte. A más carga inducida, mayor ángulo de separación.

+++

+ +

+ +

Esfera

Soporte

Barrita

✓

Inducción electrostáticay máquinas electrostáticas.La máquina de Wimshurst es capaz de separar cargas eléctricas -- hay que realizar un trabajo --, tal que al querer volverse a unir, hacen saltar una chispa eléctrica entre los electrodos.Ruptura dieléctrica del aire.

Charles Coulomb. La ley de la fuerza eléctrica

Benjamín Franklin. Las fuerzas eléctricas

Charles Coulomb. La ley de la fuerza eléctrica

Alejandro Volta. La pila de Volta

Alejandro Volta. La pila de Volta

Luigi Galvani(Bolonia, actual Italia, 1737-id., 1798) Médico y físico italiano. Fue interesándose por la fisiología y, en especial, por la interacción entre ésta y la electricidad. A lo largo de la década de 1780 llevó a cabo numerosos experimentos en dicho campo, algunos de ellos célebres, como el de la contracción muscular experimentada por las extremidades de una rana muerta al tocarlas Galvani con unas tijeras metálicas durante una tormenta eléctrica. Publicó en 1791 su ensayo Comentario sobre el efecto de la electricidad en la movilidad muscular, donde expuso la teoría de la existencia de una fuerza vital de naturaleza eléctrica que regiría los sistemas nervioso y muscular.

Experiencia de Galvani.Al tocar con dos metales diferentes los nervios de la pata de una rana, la pata se movía.

Alessandro Volta(Como, Italia, 1745 - id., 1827) Físico italiano que inventó la primera pila eléctrica generadora de corriente continua. En 1775, su interés por la electricidad le llevó a inventar un artefacto conocido como electróforo, empleado para generar electricidad estática. Volta llevó a cabo diversos experimentos acerca de los fenómenos comprobados por Galvani. Empezó a considerarlos efecto de una excitación provocada en los nervios por la electricidad común. En 1794, Volta comenzó a experimentar con metales únicamente. Hacia 1796-97 comprobó experimentalmente la existencia de un desequilibrio eléctrico, que llamó "tensión", entre dos metales distintos cualesquiera. En el curso de las investigaciones que llevó a cabo por espacio de tres años pudo comprobar una serie de propiedades que le permitieron la construcción de la primera pila eléctrica. La demostración, realizada en 1800, del funcionamiento de la primera pila eléctrica puso fin a las anteriores controversias y certificó la victoria de las tesis de Volta.

Pila de Volta.

Formada por capas sucesivas de anillos de cobre y zinc, separados por cartón empapado en ácido sulfúrico diluido.Se utiliza para producir corriente eléctrica continua.

Pila de Volta.

Formada por capas sucesivas de anillos de cobre y zinc, separados por cartón empapado en ácido sulfúrico diluido.Se utiliza para producir corriente eléctrica continua.Cada par cobre-zinc produce una diferencia de potencial de 1 voltio

Hans Christian Oersted(Hans Christian Ørsted; Rudkobing, Dinamarca, 1777-Copenhague, 1851) Físico y químico danés que descubrió la acción magnética de las corrientes eléctricas. A comienzos de 1820, Oersted advirtió, mientras realizaba observaciones con una pila de Volta, que la aguja de una brújula colocada en las proximidades de un hilo conductor por el que circulaba una corriente eléctrica se desviaba. Invirtiendo el sentido de la corriente eléctrica, cambiaba asimismo el sentido de la aguja de la brújula. Los efectos persistían incluso cundo se interponían placas de vidrio, metal o madera entre el hilo conductor y la brújula.Oersted demostró poco después que el efecto era simétrico. También el imán desarrollaba una fuerza sobre la bobina (carrete formado por hilo conductor) por donde circulaba una corriente eléctrica, actuando un extremo de la bobina como el polo norte de un imán y el otro como el polo sur. Se establecía así la conexión entre los fenómenos eléctrico y magnético.

Experiencia de Oersted.La corriente que circula por un cable paralelo a una brújula es capaz de moverla y hacerla ponerse casi perpendicular al cable.Esta experiencia, y otras semejantes de Oersted, dieron la clave sobre la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos.Está considerada una de las experiencias más importantes de la historia de la física.

Hans Christian Oersted. Electricidad y magnetismo

Hans Christian Oersted. Electricidad y magnetismo

Michael Faraday. Motor eléctrico

Michael Faraday. Principio de inducción de Faraday

Michael Faraday. Campo magnético de un imán

Michael Faraday. Generador eléctrico

Campo eléctrico y campo magnético.Faraday introdujo los conceptos de campo eléctrico y campo magnético.

Campo eléctrico y campo magnético.Faraday introdujo los conceptos de campo eléctrico y campo magnético.

Magnetismo.

Un imán atrae pequeñas limaduras de hierro. A su vez, éstas atraen a otras, formando un conjunto compacto.Al orientarse, las limaduras forman lineas cerradas.

Campo magnético.Un imán atrae pequeñas limaduras de

hierro, que se orientan siguiendo las líneas del campo magnético generado por el imán.

Magnetismo.

La corriente que circula por el conjunto de espiras genera un campo magnético que orienta las limaduras de hierro, mostrando las líneas del campo magnético generado

Motor eléctrico de Faraday.Convierte la corriente eléctrica en movimiento mecánico.Cuando cesa el flujo de corriente eléctrica, cesa el movimiento

Motor eléctrico de Faraday.Convierte la corriente eléctrica en movimiento mecánico.Cuando cesa el flujo de corriente eléctrica, cesa el movimiento

Principio de inducción de Faraday.Convierte el movimiento de la bobina por la que circula corriente en corriente eléctrica.Cuando cesa el movimiento de la bobina, cesa la producción de corriente (en este caso, alterna).

Principio de inducción de Faraday.La corriente producida cuando un imán se mueve en presencia de una bobina es igual al número de espiras de la bobina y a la variación del flujo magnético a través de la bobina en el tiempo.

Principio de Inducción de Faraday

� = �d�dt

Principio de inducción de Faraday: el principio físico que da energía libre al mundo.

La corriente producida cuando un imán se mueve en presencia de una bobina es igual al número de espiras de la bobina y a la

variación del flujo magnético a través de la bobina en el tiempo.El signo menos es debido al principio de conservación de la

energía.

Transformador de Faraday.Cuando circula corriente cambiante por una de las bobinas, se induce corriente en la otra bobina.Si la corriente en la primera bobina no cambia a lo largo del tiempo, no se induce corriente en la segunda bobina.

Lenz. Ley de Lenz

Lenz. Ley de Lenz

Ampere.

Heinrich Hertz. Las ondas electromagnéticas

Ley de Coulomb. Ley de Gauss de la electrostática.

Las fuentes del campo eléctrico son las cargas eléctricas. La integral de superficie, de un

volumen cerrado, del campo eléctrico da la cantidad de cargas en su interior.

Ecuaciones de Maxwell

r · ~E =⇢

✏0

� ��E · d �A =

Q

�0

Ley de Coulomb. Ley de Gauss de la electrostática.

Las fuentes del campo eléctrico son las cargas eléctricas.

+ Q

�E

Q

�E

�

� ��E · d �A =

Q

�0

Ley de Coulomb. Ley de Gauss de la

electrostática.Las fuentes del campo eléctrico son las cargas

eléctricas.

� ��E · d �A =

Q

�0

Ley de Gilbert. Ley de Gauss del magnetismo.

No existen los monopolos magnéticos. No hay fuentes de campo magnético.

r · ~H = 0

� ��H · d �A = 0

Ecuaciones de Maxwell

Ley de Gilbert. Ley de Gauss del magnetismo.

No existen los monopolos magnéticos. No hay fuentes de campo magnético.

�B

�B

� ��H · d �A = 0

Ley de Gilbert. Ley de Gauss del magnetismo.

No existen los monopolos magnéticos. No hay fuentes de campo magnético.

� ��H · d �A = 0

Principio de inducción de Faraday.Para producir corriente eléctrica debe variar en el tiempo el

flujo magnético (el imán debe estar moviéndose)

r⇥ ~E = �µ0@ ~H

@t

z~E · d~L = � d

dt

w~B · d ~A

Ecuaciones de Maxwell

Principio de inducción de Faraday.Para producir corriente eléctrica debe variar en el tiempo el flujo magnético (el imán

debe estar moviéndose)

��E · d�L = � d

dt

� ��B · d �A �E

�E

�E

�E

�V

Ecuaciones de Maxwell-Lorentz

Ley de Ampere y corriente de desplazamiento de Maxwell.Se puede producir un campo magnético mediante una corriente

eléctrica o un campo eléctrico variable en el tiempo.

z~B · d~L = µ0I + ✏0

d

dt

w~E · d ~A

r⇥ ~H = J + ✏0@ ~E

@t

Ley de Ampere y corriente de desplazamiento de Maxwell.Se puede producir un campo magnético mediante una corriente eléctrica o un campo

eléctrico variable en el tiempo.

z~B · d~L = µ0I + ✏0

d

dt

w~E · d ~A �B

�B

�B�B

I

Ondas electromagnéticas.Cuando una carga oscila se produce una perturbación del campo electromagnético que se

propaga a la velocidad de la luz..

Ondas electromagnéticas.Cuando una carga es frenada se produce una perturbación del campo electromagnético que

se propaga a la velocidad de la luz..

Ondas de radio.Cuando una carga es frenada se produce una perturbación del campo electromagnético que

se propaga a la velocidad de la luz..

Experimentos importantes en la Historia de la Física

FINProf. J Güémez

Departamento de Física AplicadaUniversidad de Cantabria

Electricidad y magnetismo

Facultad de Ciencias, enero 2017