DOCUMENTO electromagnetismo

8/6/2019 DOCUMENTO electromagnetismo

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Electromagnetismo

1. Generacin e Interaccin de campo magntico

2. Naturaleza de los Imanes3. De dnde procede el magnetismo?4. Puede un imn perder su potencia?5. Imanes cermicos6. Imanes de lnico7. Imanes de tierras raras8. Imanes flexibles9. Otros imanes10. Campo Magntico de la Tierra11. Magnetosfera12. Electroimn13. El electroimn. Motores y generadores de electricidad14. La ley de Coulomb15. El origen atmico del campo magntico16. Fuerzas magnticas17. Aplicaciones tecnolgicas del magnetismo.

El electromagnetismo fue descubierto de forma accidental en 1821 por el fsico dans Hans ChristianOersted. El electromagnetismo se utiliza tanto en la conversin de energa mecnica en energa elctrica(en generadores), como en sentido opuesto, en los motores elctricos.

En el dibujo hemos construido un circuito elctrico con una bobina de cable de cobre aislado, arrolladaalrededor de un ncleo de "hierro" (acero magntico).El electromagnetismo es un campo muy amplio, por lo tanto describirlo en pocas palabras es imposible.As que se empezar por las corrientes y sus efectos en un cable conductorCuando una corriente (sea alterna o continua) viaja por un conductor (cable), genera a su alrededor unefecto no visible llamado campo electromagntico.Este campo forma unos crculos alrededor del cable como se muestra en la figura. Hay crculos cerca ylejos al cable en forma simultnea.


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El campo magntico es mas intenso cuanto mas cerca est del cable y esta intensidad disminuyeconforme se aleja de l hasta que su efecto es nulo. Se puede encontrar el sentido que tiene el flujomagntico si se conoce la direccin que tiene la corriente en el cable y con la ayuda de La ley de la manoderechaEste efecto es muy fcil visualizar en corriente continua

La frmula para obtener el campo magntico en un conductor largo es :B = m I / ( 2 p d )

Donde: B: campo magntico m: es la permeabilidad del aire I: corriente que circula por el cable p: Pi = 3.1416 d: distancia desde el cable

Si hubiera N cables juntos el campo magntico resultante sera:B = N m I / (2 p dDonde N: nmero de cables.El campo magntico en el centro de una bobina de N espiras circulares es:

B = N m I / (2 R)Donde: R es el radio de la espira

Nota: es importante mencionar queUna corriente en un conductor genera un campo magntico y que

Un campo magntico genera una corriente en un conductor.Sin embargo, las aplicaciones mas conocidas utilizan corriente alterna.Por ejemplo:

Las bobinas: Donde la energa se almacena como campo magntico.Los transformadores: Donde la corriente alterna genera un campo magntico alterno en el bobinadoprimario, que induce en el bobinado secundario otro campo magntico que a su vez causa una corriente,que es la corriente alterna de salida.

Generacin e Interaccin de campo magnticoAunque los antiguos griegos conocan las propiedades electrostticas del mbar, y los chinos yafabricaban imanes con magnetita en el 2700 a.C., los fenmenos elctricos y magnticos no empezaron acomprenderse hasta finales del siglo XVIII, cuando comenzaron a realizarse experimentos en estoscampos. En 1785, el fsico francs Charles de Coulomb confirm por primera vez de forma experimentalque las cargas elctricas se atraen o se repelen con una intensidad inversamente proporcional alcuadrado de la distancia que las separa (ley de Coulomb).Ms tarde el matemtico francs Simon Denis Poisson y su colega alemn Carl Friedrich Gaussdesarrollaron una potente teora para calcular el efecto de un nmero indeterminado de cargas elctricasestticas arbitrariamente distribuidasDos partculas con cargas opuestas se atraen, por lo que tienden a acelerarse una hacia la otra. Si elmedio a travs del cual se mueven ofrece resistencia, pueden acabar movindose con velocidadconstante (en lugar de moverse con aceleracin constante) a la vez que el medio se calienta y sufre otras

alteraciones.La posibilidad de mantener una fuerza electromotriz capaz de impulsar de forma continuada partculaselctricamente cargadas lleg con el desarrollo de la pila qumica en 1800, debido al fsico italianoAlessandro Volta. La teora clsica de un circuito elctrico simple supone que los dos polos de una pila semantienen cargados positiva y negativamente debido a las propiedades internas de la misma.Cuando los polos se conectan mediante un conductor, las partculas cargadas negativamente sonrepelidas por el polo negativo y atradas por el positivo, con lo que se mueven hacia l y calientan elconductor, ya que ofrece resistencia a dicho movimiento. Al llegar al polo positivo las partculas sonobligadas a desplazarse dentro de la pila hasta el polo negativo, en contra de las fuerzas que se oponen a


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ello segn la ley de Coulomb. El fsico alemn Georg Simon Ohm descubri la existencia de unaconstante de proporcionalidad sencilla entre la corriente que fluye por el circuito y la fuerza electromotrizsuministrada por la pila. Esta constante es la resistencia elctrica del circuito, R.

La ley de Ohm, que afirma que la resistencia es igual a la fuerza electromotriz, o tensin, dividida entre laintensidad de corriente, no es una ley fundamental de la fsica de aplicacin universal, sino que describeel comportamiento de una clase limitada de materiales slidos.Los conceptos elementales del magnetismo, basados en la existencia de pares de polos opuestos,aparecieron en el siglo XVII y fueron desarrollados en los trabajos de Coulomb. Sin embargo, la primeraconexin entre el magnetismo y la electricidad se encontr en los experimentos del fsico y qumico dansHans Christian Oersted, que en 1819 descubri que un cable conductor por el que flua una corrienteelctrica desviaba una aguja magntica situada en sus proximidadesA la semana de conocer el descubrimiento de Oersted, el cientfico francs Andr Marie Ampre demostrexperimentalmente que dos cables por los que circula una corriente ejercen una influencia mutua igual ala de los polos de un imn.En 1831, el fsico y qumico britnico Michael Faraday descubri que poda inducirse el flujo de unacorriente elctrica en un conductor en forma de espira no conectado a una batera, moviendo un imn ensus proximidades o situando cerca otro conductor por el que circulara una corriente variableLa forma ms fcil de enunciar la ntima relacin entre la electricidad y el magnetismo, perfectamente

establecida en la actualidad, es a partir de los conceptos de campo elctrico y magntico. La intensidad,direccin y sentido del campo en cada punto mide la fuerza que actuara sobre una carga unidad (en elcaso del campo elctrico) o una corriente unidad (en el caso del campo magntico) situadas en ese punto.Las cargas elctricasestacionarias producen campos elctricos; las corrientes esto es, las cargas enmovimiento producen campos elctricos y magnticosUn campo elctrico tambin puede ser producido por un campo magntico variable, y viceversa. Loscampos elctricos ejercen fuerzas sobre las partculas cargadas por el simple hecho de tener carga,independientemente de su velocidad; los campos magnticos slo ejercen fuerzas sobre partculascargadas en movimiento.Estos hallazgos cualitativos fueron expresados en una forma matemtica precisa por el fsico britnicoJames Clerk Maxwell, que desarroll las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que llevan sunombre. Las ecuaciones de Maxwell relacionan los cambios espaciales y temporales de los camposelctrico y magntico en un punto con las densidades de carga y de corriente en dicho punto. En principio,

permiten calcular los campos en cualquier momento y lugar a partir del conocimiento de las cargas ycorrientes.Un resultado inesperado que surgi al resolver las ecuaciones fue la prediccin de un nuevo tipo decampo electromagntico producido por cargas elctricas aceleradas.Este campo se propagara por el espacio con la velocidad de la luz en forma de onda electromagntica, ysu intensidad disminuira de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la fuente. En1887, el fsico alemn Heinrich Hertz consigui generar fsicamente esas ondas por medios elctricos, conlo que sent las bases para la radio, el radar, la televisin y otras formas de telecomunicaciones.


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El comportamiento de los campos elctrico y magntico en estas ondas es bastante similar al de unacuerda tensa muy larga cuyo extremo se hace oscilar rpidamente hacia arriba y hacia abajo.Cualquier punto de la cuerda se mueve hacia arriba y hacia abajo con la misma frecuencia que la fuentede las ondas situada en el extremo de la cuerda.Los puntos de la cuerda situados a diferentes distancias de la fuente alcanzan su mximo desplazamiento

vertical en momentos diferentes.Cada punto de la cuerda hace lo mismo que su vecino, pero lo hace algo ms tarde si est ms lejos de lafuente de vibracin (vase Oscilacin). La velocidad con que se transmite la perturbacin a lo largo de lacuerda, o la `orden' de oscilar, se denomina velocidad de onda (vase Movimiento ondulatorio). Estavelocidad es funcin de la densidad lineal de la cuerda (masa por unidad de longitud) y de la tensin a laque est sometida.Una fotografa instantnea de la cuerda despus de llevar movindose cierto tiempo mostrara que lospuntos que presentan el mismo desplazamiento estn separados por una distancia conocida comolongitud de onda, que es igual a la velocidad de onda dividida entre la frecuencia.En el caso del campo electromagntico la intensidad del campo elctrico se puede asociar al movimientovertical de cada punto de la cuerda, mientras que el campo magntico se comporta del mismo modo peroformando un ngulo recto con el campo elctrico (y con la direccin de propagacin). La velocidad conque la onda electromagntica se aleja de la fuente es la velocidad de la luz.

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultneamente las teoras de la electricidady el magnetismoEn 1819, el fsico dans Hans Christian Oersted llev a cabo un importante descubrimiento al observarque una aguja magntica poda ser desviada por una corriente elctrica. Este descubrimiento, quemostraba una conexin entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el cientfico francsAndr Marie Ampre, que estudi las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes elctricas, y porel fsico francs Dominique Franois Arago, que magnetiz un pedazo de hierro colocndolo cerca de uncable recorrido por una corriente.En 1831, el cientfico britnico Michael Faraday descubri que el movimiento de un imn en lasproximidades de un cable induce en ste una corriente elctrica; este efecto era inverso al hallado porOersted.As, Oersted demostr que una corriente elctrica crea un campo magntico, mientras que Faradaydemostr que puede emplearse un campo magntico para crear una corriente elctrica. La unificacinplena de las teoras de la electricidad y el magnetismo se debi al fsico britnico James Clerk Maxwell,que predijo la existencia de ondas electromagnticas e identific la luz como un fenmenoelectromagntico.Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez ms en la comprensin del origenatmico y molecular de las propiedades magnticas de la materia. En 1905, el fsico francs PaulLangevin desarroll una teora sobre la variacin con la temperatura de las propiedades magnticas delas sustancias paramagnticas (ver ms adelante), basada en la estructura atmica de la materia.Esta teora es uno de los primeros ejemplos de la descripcin de propiedades macroscpicas a partir delas propiedades de los electrones y los tomos.Posteriormente, la teora de Langevin fue ampliada por el fsico francs Pierre Ernst Weiss, que postul laexistencia de un campo magntico interno, molecular, en los materiales como el hierro.Este concepto, combinado con la teora de Langevin, sirvi para explicar las propiedades de los

materiales fuertemente magnticos como la piedra imn.Despus de que Weiss presentara su teora, las propiedades magnticas se estudiaron de forma cada vezms detallada. La teora del fsico dans Niels Bohr sobre la estructura atmica, por ejemplo, hizo que secomprendiera la tabla peridica y mostr por qu el magnetismo aparece en los elementos de transicin,como el hierro, en los lantnidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los fsicosestadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que loselectrones tienen espn y se comportan como pequeos imanes con un `momento magntico' definido. Elmomento magntico de un objeto es una magnitud vectorial (vase Vector) que expresa la intensidad yorientacin del campo magntico del objeto. El fsico alemn Werner Heisenberg dio una explicacindetallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en la recientemente desarrollada mecnica


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cuntica (vase Teora cuntica). Ms tarde, otros cientficos predijeron muchas estructuras atmicas delmomento magntico ms complejas, con diferentes propiedades magnticas.

El campo magntico

Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnticos sintocarlos fsicamente porque los objetos magnticos producen un `campo magntico'. Los camposmagnticos suelen representarse mediante `lneas de campo magntico' o `lneas de fuerza'. En cualquierpunto, la direccin del campo magntico es igual a la direccin de las lneas de fuerza, y la intensidad delcampo es inversamente proporcional al espacio entre las lneas.

En el caso de una barra imantada, las lneas de fuerza salen de un extremo y se curvan para llegar al otroextremo; estas lneas pueden considerarse como bucles cerrados, con una parte del bucle dentro delimn y otra fuera. En los extremos del imn, donde las lneas de fuerza estn ms prximas, el campomagntico es ms intenso; en los lados del imn, donde las lneas de fuerza estn ms separadas, elcampo magntico es ms dbil. Segn su forma y su fuerza magntica, los distintos tipos de imnproducen diferentes esquemas de lneas de fuerza. La estructura de las lneas de fuerza creadas por unimn o por cualquier objeto que genere un campo magntico puede visualizarse utilizando una brjula olimaduras de hierro.Los imanes tienden a orientarse siguiendo las lneas de campo magntico. Por tanto, una brjula, que esun pequeo imn que puede rotar libremente, se orientar en la direccin de las lneas. Marcando ladireccin que seala la brjula al colocarla en diferentes puntos alrededor de la fuente del campomagntico, puede deducirse el esquema de lneas de fuerza. Igualmente, si se agitan limaduras de hierrosobre una hoja de papel o un plstico por encima de un objeto que crea un campo magntico, las

limaduras se orientan siguiendo las lneas de fuerza y permiten as visualizar su estructura.Los campos magnticos influyen sobre los materiales magnticos y sobre las partculas cargadas enmovimiento. En trminos generales, cuando una partcula cargada se desplaza a travs de un campomagntico, experimenta una fuerza que forma ngulos rectos con la velocidad de la partcula y con ladireccin del campo.Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partculas se mueven en trayectorias curvas.Los campos magnticos se emplean para controlar las trayectorias de partculas cargadas en dispositivoscomo los aceleradores de partculas o los espectrgrafos de masas.

Naturaleza de los ImanesQu es un imn?Un imn es un material capaz de producir un campo magntico exterior y atraer el hierro (tambin puedeatraer al cobalto y al nquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente puedenser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentesmetales.En un imn la capacidad de atraccin es mayor en sus extremos o polos. Estos polos sedenominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse segn los polos geogrficos de la Tierra, que esun gigantesco imn natural. La regin del espacio donde se pone de manifiesto la accin de un imn sellama campo magntico.Este campo se representa mediante lneas de fuerza, que son unas lneas imaginarias, cerradas, que vandel polo norte al polo sur, por fuera del imn y en sentido contrario en el interior de ste; se representacon la letra B


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De dnde procede el magnetismo?Desde hace tiempo es conocido que una corriente elctrica genera un campo magntico a su alrededor.En el interior de la materia existen pequeas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electronesque contienen los tomos, cada una de ellas origina un microscpico imn o dipolo. Cuando estospequeos imanes estn orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el materialno presenta propiedades magnticas; en cambio si todos los imanes se alinean actan como un nicoimn y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.

Puede un imn perder su potencia?

Para que un imn pierda sus propiedades debe llegar a la llamada "temperatura de Curie" que esdiferente para cada composicin. Por ejemplo para un imn cermico es de 450 C, para uno de cobalto800 C, etc.Tambin se produce la desimanacin por contacto, cada vez que pegamos algo a un imn perdemosparte de sus propiedades. Los golpes fuertes pueden descolocar las partculas haciendo que el imnpierda su potencia.Cuntos tipos de imanes permanentes hay?Adems de la magnetita o imn natural existen diferentes tipos de imanes fabricados con diferentesaleaciones:

Imanes cermicos o ferritas. Imanes de lnico. Imanes de tierras raras. Imanes flexibles. Otros

Imanes cermicosSe llaman as por sus propiedades fsicas. Su apariencia es lisa y de color gris oscuro, de aspectoparecido a la porcelana. Se les puede dar cualquier forma, por eso es uno de los imanes ms usados(altavoces, aros para auriculares, cilindros para pegar en figuras que se adhieren a las neveras, etc.). Sonmuy frgiles, pueden romperse si se caen o se acercan a otro imn sin el debido cuidado. Se fabrican apartir de partculas muy finas de material ferromagntico (xidos de hierro) que se transforman en un


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Los imanes de samario/cobalto no presentan problemas de oxidacin pero tienen el inconveniente de sermuy caros. Estn siendo sustituidos por los de boro _ neodimio.Es importante manejar estos imanes con cuidado para evitar daos corporales y dao a los imanes (losdedos se pueden pellizcar seriamente).

Imanes flexiblesSe fabrican por aglomeracin de partculas magnticas (hierro y estroncio) en un elastmero (caucho,PVC, etc.).Su principal caracterstica es la flexibilidad, presentan forma de rollos o planchas con posibilidad de unacara adhesiva. Se utilizan en publicidad, cierres para nevera, llaves codificadas, etc.Consisten en una serie de bandas estrechas que alternan los polos norte y sur. Justo en la superficie sucampo magntico es intenso pero se anula a una distancia muy pequea, dependiendo de la anchura delas bandas.Se hacen as para eliminar problemas, como por ejemplo que se borre la banda magntica de una tarjetade crdito (se anulan con el grosor del cuero de una cartera).

Otros imanesLos imanes de platino/cobalto son muy buenos y se utilizan en relojera, en dispositivos aeroespaciales yen odontologa para mejorar la retencin de prtesis completas. Son muy caros.

Otras aleaciones utilizadas son cobre/nquel/cobalto y hierro/cobalto/vanadioIMANES NATURALES Y ARTIFICIALESExisten dos tipos de imanes:-imanes naturales: son aquellos que se encuentran en la Tierra y que atraen al hierro. Denominadosmagnetita, hoy sabemos que es hierro cristalino Fe3O4. Pero tambin la Tierra es un imn natural.-imanes artificiales: son cuerpos que han sido imanados en forma artificial. El hierro y el acero pueden sermagnetizados. El acero se magnetiza permanentemente, como comprobaste con la aguja; lo mismosucede con las tijeras: si la dejas en contacto con el imn durante un rato, se magnetizarn. ComprubaloPROPIEDADES


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Los imanes poseen dos zonas en las que se concentra la fuerza que ejercen, estas zonas son losextremos del imn y reciben el nombre de polos magnticos, norte y sur. Los polos del mismo nombre serepelen y los polos opuestos se atraen. Comprubalo.

Los polos de un imn no se pueden aislar, es decir, si partes por la mitad un imn, obtienes dosimanes, cada uno con su polo norte y polo sur respectivo. La tierra es un imn natural, el polo Norte

geogrfico es un polo sur magntico y el polos Sur geogrfico es un polo norte magntico; en estapropiedad est basado el funcionamiento de la brjula.Un imn puede perder su imantacin de dos formas:-aplicando el frotamiento en sentido contrario o invirtiendo el sentido de la corriente, segn sea el mtodoque se us para imanarlo.-aplicndole calor.

AplicacionesEl electroimn es la base del motor elctrico y el transformador. El desarrollo de nuevos materialesmagnticos ha influido notablemente en la revolucin de los ordenadores o computadoras. Es posiblefabricar memorias de computadora utilizando dominios burbuja. Estos dominios son pequeas regiones demagnetizacin, paralelas o antiparalelas a la magnetizacin global del material. Segn que el sentido seauno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que acta como dgito en el sistema binario

empleado por los ordenadores. Los materiales magnticos tambin son componentes importantes de lascintas y discos para almacenar datos.Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologas modernas. Los imanessuperconductores se emplean en los aceleradores de partculas ms potentes para mantener laspartculas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas.

Campo Magntico de la TierraEn nuestro ambiente diario las fuerzas magnticas no tienen influencia y para detectarlas se necesita uninstrumento sensible, la aguja del comps (brjula). Esto es as porque los materiales que encontramos ennuestra vida diaria, incluidos el oxgeno y el nitrgeno que respiramos, son todos neutros elctricamente.Los tomos de oxgeno, por ejemplo, contienen electrones con cargas elctricas negativas y protones queson positivos, pero las dos cargas se equilibran entre si, y se cancelan las fuerzas elctricas y magnticas.Las fuerzas magnticas no tiene casi efecto sobre los tomos neutros.

Sin embargo, a 60 millas (100 km) o ms sobre la superficie de la Tierra, el ambiente natural es muydiferente. Las capas de la atmsfera a esas alturas son calentadas fuertemente por los rayos X y la luzultravioleta del Sol (y tambin por otras causas), arrancando los electrones negativos de los tomos ydejando a los tomos restantes como "iones" cargados positivamente. Estos fragmentos cargadoselctricamente reaccionan con fuerza a las fuerzas magnticas y pueden ser guiados y atrapados porellas.


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Con una adecuada aportacin de energa, estos fragmentos tambin pueden acelerarse a altasvelocidades, ocasionar corrientes elctricas y emitir una variedad de ondas de radio.Se pone en evidencia que esos electrones e iones libres sern guiados por las lneas del campomagntico (o "lneas de fuerza") que se elevan desde las cercanas del polo sur magntico y entran en laTierra de nuevo cerca del polo norte. Los electrones e iones tienden a permanecer unidos a las lneas

magnticas de forma parecida a las cuentas de un collar en el hilo, aunque, a diferencia de las cuentas,tambin emigran.("deriva") hacia los "hilos" colindantes.Resulta que la estructura de las lneas de campo cerca de la Tierra determina mucho del movimiento y delcomportamiento de los electrones iones libres encontrados all. Los satlites que observan las fuerzasmagnticas en el espacio hallaron (figura de la derecha) que en la mayora de las direcciones, esas lneasno se alejan indefinidamente sino que estn confinadas dentro de una cavidad, la magnetosfera terrestre.El espacio fuera de ella est dominado por el Sol y por el rpido "viento solar" de iones y electrones libresemitidos por el Sol

La Tierra tiene un campo magntico con polos Norte y Sur. El campo magntico de la Tierra alcanza hasta36 000 millas en el espacio.El campo magntico de la Tierra est rodeado por una regin llamada la magnetosfera. La magnetosferapreviene que la mayora de las partculas del Sol, que se trasladan con el viento solar, choquen contra laTierra.Algunas partculas del viento solar pueden penetrar la magnetosfera. Estas partculas dan origen a losespectculos de luces de la AuroraEl campo magntico de la tierra es como una pequea pero poderosa barra magntica ubicada cerca delcentro de la tierra y inclinada 11 con respecto al eje de rotacin de la tierra. El magnetismo en la tierra lopodemos visualizar como lneas de fuerza del campo magntico que indican la presencia de una fuerzamagntica en cualquier punto del espacio. La brjula esta influida por este campo ya que su aguja rota yse detiene cuando esta paralela a las lneas de fuerza en direccin Norte-Sur.

El modelo que asume que existe un magneto al interior de la tierra tiene un problema. Experimentos enlaboratorio nos muestran que los materiales pierden sus propiedades magnticas cuando se calientan porsobre los 500 C, entonces bajo los 20 o 30 Km de corteza no habra magnetismo ya que las temperaturasson muy elevadas. Se cree entonces que la tierra es un gran dinamo. Por ejemplo para producirelectricidad se utiliza un enrollado de cobre que es un material conductor y este al girar produce un campomagntico. Los cientficos creen que el ncleo externo del ncleo es de hierro liquido, entonces porprocesos convectivos generados por radioactividad hay movimiento del hierro liquido y como el hierro esun buen conductor al moverse genera un campo magntico.Al estudio de la intensidad y la direccin del campo magntico de la Tierra en el pasado, por medio derocas naturales, para determinar as sus cambios durante largos periodos de tiempo, se le conoce como


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paleo magnetismo. El desarrollo del paleo magnetismo llev a un resultado sorprendente: el campomagntico ha sufrido diferentes inversiones en el pasado. Claramente la antigedad de la lava aumentacon la profundidad. La direccin de la magnetizacin remanente de dos capas superiores (3.62 y 3.68millones de aos), as como de una muy profunda (4.5 millones de aos) es prcticamente paralela a ladel campo magntico terrestre actual.

Relaciones entre el viento solar y el campo magntico de la tierra.a) La relacin entre el viento solar y el campo magntico se puede simular en el laboratorio haciendo incidirun flujo de plasma de electrones y de iones de helio sobre una esfera que contiene un electro magneto. Elchorro de plasma es desviado en forma anloga a como sucede en la tierra cuando llega el viento solar.

b) Diagrama construido con base en los datos recopilados por satlites artificiales ilustrando la relacin

real entre el viento solar y el campo magntico de la Tierra. Los puntos en la figura representan el flujo departculas que llega del Sol. Las lneas de fuerza del campo magntico estn aplastadas del lado opuesto. Aeste fenmeno se le llama magnetosfera.

Sin embargo, la magnetizacin remanente de todas las capas intermedias est orientada en formaantiparalela a la actual. Se piensa que una inversin completa del campo magntico de la Tierra toma de 1000 a 10 000 aos. No se sabe a ciencia cierta el motivo de estas inversiones, pero s se ha podido predecirestos resultados mediante un modelo de los dnamos acoplados electromagnticamente, extendiendo elmodelo original descrito unos prrafos atrs. Se ha probado que, bajo condiciones apropiadas, unacoplamiento entre dos sistemas de dnamos auto excitantes puede causar inversiones repetidas del campomagntico. Sin embargo, el problema de la inversin del campo sigue estando abierto, as como ladiscusin de las implicaciones que este fenmeno posee.

Una importante utilidad del campo magntico terrestre es que nos protege del viento solar. El viento solares un plasma, gas de hidrgeno casi perfectamente ionizado, que emana del Sol, habiendo sido parte de la

corona solar. La velocidad del flujo del plasma es de 300 a 400 km/seg en condiciones normales y puedellegar a 800 km/seg en una tormenta.

En la figura 27 se muestra un ejemplo de una simulacin de la interaccin entre el viento solar y el campomagntico. Cuando el modelo de la Tierra no tiene campo, el plasma hace impacto directo con la superficie.

En cambio, cuando se le conecta un fuerte imn, el plasma se desva y se forma una cavidad alrededordel modelo de la Tierra. La enorme cavidad natural en torno a la Tierra es conocida actualmente como lamagnetosfera y su larga cola debida al viento solar en direccin opuesta al Sol es llamada colageomagntica.


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En 1820, el fsico dans Hans Christian Oersted descubri que la corriente elctrica que circulaba por unconducto atraa la aguja de una brjula colocada en sus proximidades. Haba hallado el vnculo entreelectricidad y magnetismo. Uno de los muchos cientficos intrigados por el descubrimiento de Oersted fueel ingls William Sturgeon, quien descubri que, al atravesar la corriente un conductor enrollado sobre unabarra de hierro en forma de herradura, se formaba lo que denomin un electroimn, capaz de levantar

veinte veces su propio peso.En 1831, el fsico estadounidense Joseph Henry mejor el diseo de Sturgeon; emple alambre de cobreaislado con seda (de una de las enaguas de su esposa) y lo enroll alrededor de la barra en varias capas,con lo que aumentaba enormemente la fuerza del imn. El electroimn constituy la base de gran nmerode mquinas elctricas posteriores.Se pueden encontrar electroimanes en numerosas aplicaciones de la vida cotidiana, desde rels quepermiten controlar circuitos, hasta grandes gras para cargar chatarras.Cuando se tienen cargas elctricas en movimiento, aparece asociado un campo magntico, que es de lamisma naturaleza que los que proporcionan los imanes permanentes.La Tierra tiene su propio campo magntico que es capaz de orientar a las brjulas. Las brjulas no sonms que pequeos imanes que pueden girar y orientarse libremente.Es fcil demostrar la existencia de campos magnticos producidos por corrientes elctricas. Para ello, enlas proximidades de una brjula, se coloca una bobina de hilo de cobre barnizado, formando un circuito

con una pila y un interruptor que permitir que pase la corriente o no.

Si se deja el circuito abierto, la brjula se orienta respecto del campo magntico existente que no es otroque el campo magntico de la Tierra.Sin embargo, al cerrar el interruptor, circula corriente por el circuito, lo que origina un campo magnticomucho ms intenso que el de la Tierra en las proximidades de la brjula y hace girar la brjula paraorientarse respecto de este nuevo campo.

Los electroimanes funcionan como la bobina que acabas de ver, y son capaces de atraer materialesferromagnticos.


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EL ELECTROIMN. MOTORES Y GENERADORES DE ELECTRICIDADLOS descubrimientos de Ampre y Faraday tuvieron inmediatas aplicaciones prcticas que cambiaron lafaz de la civilizacin moderna.Usando el descubrimiento de Oersted, de que una corriente elctrica produce un campo magntico en el

espacio alrededor del cable que la conduce, tanto Ampre como Arago lograron magnetizar agujas dehierro. Lo hicieron de la siguiente forma: enrollaron un cable alrededor de la aguja y luego conectaron losextremos de aqul a una batera. Al pasar la corriente por el cable crea un campo magntico en el espaciodentro de la bobina; este campo magntico a su vez magnetiza la aguja. De la misma forma que un imnpermanente magnetiza una limadura de hierro.En 1825 el ingls William Sturgeon (1783-1850) enroll 18 espiras de alambre conductor alrededor de unabarra de hierro dulce, que dobl para que tuviera la forma de una herradura (Figura 9). Al conectar losextremos del cable a una batera el hierro se magnetiz y pudo levantar un peso que era 20 veces mayorque el propio. Este fue el primer electroimn, es decir, un imn accionado por electricidad.

Aos despus, en 1829, el estadounidense Joseph Henry (1797-1878) construy una versin mejoradadel electroimn. Para ello enroll en una barra de hierro dulce espiras en forma mucho ms apretada y enun nmero mayor; de esta manera logr una mayor intensidad magntica.El electroimn se comporta de forma equivalente a un imn permanente, con la ventaja de que su

intensidad se puede controlar, ya sea cambiando la corriente que se le hace circular o variando el nmerode espiras de la bobina. Adems, al cesar la corriente, cuando se desconecta la batera, desaparece elefecto magntico.El descubrimiento de Ampre sent las bases para la invencin del primer motor elctrico. Sufuncionamiento es el siguiente. Supngase que se enrolla una bobina alrededor de un cilindro de hierro(Figura 10) y que sta se fija en un eje LL, alrededor del cual puede girar. Si metemos la bobina dentro delos polos de un imn permanente, como se muestra en la figura, y se hace pasar una corriente elctricapor ella, sta se vuelve un imn que puede girar dentro del imn permanente. Los polos de los imanesejercen fuerzas entre s; por consiguiente, la bobina experimenta fuerzas que la hacen girar alrededor deleje LL. Si se conecta adecuadamente el eje, por medio de poleas y bandas, se puede aprovechar el girode la bobina y realizar trabajo mecnico, como por ejemplo subir cuerpos o moverlos, etc. De esta maneraes posible transformar la energa elctrica que la batera entrega al hacer circular la corriente por labobina, en energa mecnica para mover algn objeto. Al dispositivo que funciona de esta forma se lellama motor elctrico.

Figura 10. Esquema de un motor elctrico.

El motor elctrico acabado de describir fue el primero que se construy y result ser muy burdo. En 1837L. C. Davenport construy el primer motor elctrico para uso industrial. Alrededor de 1845 CharlesWheatstone reemplaz el imn permanente del motor por un electroimn, accionado por una batera


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externa. As se logr un motor ms efectivo. Posteriormente se fueron aadiendo diferentes mejoras, peroel principio bsico de su funcionamiento es el descrito.Por otro lado, en 1832, o sea un ao despus del anuncio del descubrimiento de Faraday, Hippolyte Pixiien Francia, a sugerencia de Faraday, construy el primer generador de electricidad. En forma breve, sucomportamiento es el siguiente.

Tomemos el mismo aparato mostrado en la figura 10 y en lugar de conectar los extremos del cable de labobina a una batera como en el motor, los conectamos entre s e intercalamos en el circuito ungalvanmetro. Ahora, por medio de una manivela hacemos girar la bobina alrededor del eje LL, con labobina dentro del imn permanente. De esta manera, el flujo magntico del imn permanente a travs delplano de cada espira de la bobina vara con el tiempo. Por lo tanto podemos decir que, segn la ley deFaraday, se induce una corriente elctrica a travs del alambre conductor.En efecto, se puede observar que la aguja del galvanmetro se empieza a mover. De esta manera seproduce electricidad que se puede, por as decirlo, recoger de los extremos del alambre de la bobina, porejemplo, conectndolos a un foco.Con este aparato la energa mecnica que se desarrolla al girar la bobina por medio de la manivela se haconvertido en energa elctrica que tiene la corriente que se induce. Este aparato se llama generador (odnamo) de electricidad.Desde la dcada de 1830, hasta 1880, se fueron aadiendo diferentes dispositivos tanto al motor como al

generador para hacerlos ms eficientes. Sin embargo, el uso de estos aparatos en forma masiva no se diosino hasta la dcada de 1880. El motivo principal no fue tcnico sino econmico. En efecto, la industriaeuropea de mediados del siglo XIX estaba basada en unidades productoras de fuerza motriz muygrandes, como las mquinas de vapor estacionarias en las fbricas, y en las locomotoras y motoresmarinos para el transporte.La creciente mecanizacin de las industrias menores dio lugar a la construccin de pequeas unidadestambin accionadas por vapor. Hacia la octava dcada del siglo se empezaron a usar mquinas queutilizaban gas y luego gasolina. Estos fueron los primeros motores de combustin interna. Sin embargo,para la industria, el motor elctrico era un medio ms flexible y prctico para disponer de fuerza motriz quelos motores de vapor, gas o gasolina. Pero la posibilidad de utilizar masivamente el motor elctricodependa de que se contara con una amplia red de abastecimiento de energa elctrica, la cual solamentese pudo construir cuando se cre una necesidad ms fuerte que la pura demanda industrial. Estanecesidad surgi con la evolucin de los servicios domsticos, en particular el de la iluminacin elctrica,tema que trataremos en un captulo posterior.Con los descubrimientos del electromagnetismo, las nicas aplicaciones que tuvieron demanda inicialfueron en primer lugar las relacionadas con las comunicaciones, como el telgrafo; luego hubo demandaen la galvanoplastia (operacin mediante la cual se deposita una capa de metal sobre un objetodeterminado) y ya posteriormente en la iluminacin y en la fuerza motriz.

La ley de CoulombMediante una balanza de torsin, Coulomb encontr que la fuerza de atraccin o repulsin entre doscargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia rque las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, qy r.En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9109 Nm2/C2.Las formulaciones matemticas para poder describir el comportamiento de la fuerza elctrica fuerondesarrolladas en el ao 1785 por Charles-Augustin de Coulomb (1,736-1,806). famoso tambin por susinvestigaciones sobre el magnetismo, el roce, las fuerzas insertas en estructuras de ingeniera, y otrostemas. Ahora bien, nos es posible estimar, por ejemplo, en lo que respecta a distancia, que la fuerza deCoulomb es igual a la de gravedad como la describi Newton: al duplicar la distancia, su magnitud


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disminuye a la cuarta parte (ley inversa del cuadrado de la distancia). Muy semejante verdad. Pero pese aello, hay una diferencia fundamental entre ambas fuerzas. Mientras la gravedad depende de la masa delobjeto (se duplica cuando se duplica la masa), la fuerza elctrica slo depende de su carga (tambin seduplica con la carga, pero permanece invariable si se dobla en tamao la masa). Podemos describirtambin el fenmeno, sealando que mientras dos cuerpos de distinta masa caen igual hacia un tercero

que los atrae por gravedad, dos objetos de diferente carga caen en forma diferente si son atradoselctricamente hacia un tercero. La fuerza elctrica no es reductible a una propiedad geomtrica delespaciotiempo, como lo es la gravedad.Para una distribucin continua en cgs,

y MKSPara un punto de carga cgs,

y MKS

Ahora bien, cuando hablamos de interaccin de la fuerza elctrica a distancia, la Ley de Coulomb nospermite deducir que si hay una carga elctrica aqu y otra, por ejemplo, en la Luna, ellas se influyenmutuamente a travs del vaco del espacio intermedio, tal como las masas lo hacen segn la teora deNewton de la gravedad.Aqu, hemos entrado a una cuestin de la fsica que, para muchos, siempre va a ser un motivo dediscusin y dudas. Para obtener el electromagnetismo y la gravedad matemticamente se necesitan cincodimensiones espaciotiempo en vez de cuatro. Para ello, es necesario aceptar la idea propuesta por elmatemtico Theodor Kaluza, quin demostr que con el artificio de una dimensin adicional a las cuatro

conocidas de espaciotiempo, es factible obtener el electromagnetismo y la gravedad a partir de unamisma teora. El problema de la idea es saber qu es esa quinta dimensin agregada, que no percibimos.En uno de mis trabajos que se encuentra inserto en uno de los temas que he difundido en A Horcajadasen el Tiempo, precisamente en el captulo XII, seccin 05.02, intento explicar los alcances tericos deesa propuesta de Kaluza.

EL ORIGEN ATMICO DEL CAMPO MAGNTICOHacia fines del siglo XIX, se logr una descripcin unificada de los fenmenos electromagnticos. Si la luzresulta de la vibracin de cargas, la siguiente pregunta a responder es, por qu los tomos emiten luz?,hay algo que vibre dentro de ellos? Como veremos a continuacin, la respuesta de la ltima pregunta es:s, el electrn. Las primeras evidencias de la existencia de esa partcula son muy antiguas y estnasociadas con la electricidad, es decir, con los fenmenos relacionados con el movimiento, acumulacin odeficiencia de electrones en la materia.

DESCARGAS A TRAVS DE GASESEl fenmeno elctrico ms espectacular es el de las descargas entre nubes (los rayos), que originalmenteera asociado al estado de nimo de algunas deidades; fue Benjamn Franklin el primero en demostrar sunaturaleza elctrica en su famoso experimento con cometas de papel. Sin embargo, los rayos resultarondemasiado espordicos e incontrolables como para permitir su estudio sistemtico.Las descargas elctricas a travs de gases haban sido observadas en el laboratorio por Francis Hauskbeequien, en 1709, report la aparicin de una luz extraa cuando electrificaba un recipiente de vidrio quecontena aire a baja presin. Otros estudiosos del fenmeno fueron William Watson, quien en 1748 not laaparicin de flamas en la zona de vaco de sus barmetros de mercurio, y Michael Faraday, quien en 1838


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realiz experimentos con descargas elctricas a travs de gases enrarecidos. La conduccin elctrica atravs de gases intrig a Faraday, ya que incluso los gases que eran considerados como aislantes, cuandoeran enrarecidos, propiciaban fcilmente ese tipo de descargas. Sera posible la conduccin elctrica en elvaco? En tal caso, se podra estudiar directamente la naturaleza del fluido elctrico.LOS RAYOS CATDICOS

Antes de que se lograra dar respuesta a esta pregunta, debieron desarrollarse tres tcnicas experimentalesfundamentales: una bomba de vaco eficiente, un sello metal-vidrio que permitiera transmitir el potencialelctrico a los electrodos dentro de la zona evacuada y la bobina de induccin para obtener las enormesdiferencias de potencial requeridas. La necesidad de este tipo de cambios se aprecia mejor si se consideraque Faraday utilizaba un tubo de vidrio tapado en ambos extremos por corchos a travs de los cuales hacapasar alambres para conectar los electrodos internos a una batera.Las primeras bombas de vaco funcionaban con pistones ajustados a sus respectivos cilindros a travs deempaques que sellaban muy mal. No fue sino hasta 1855 que Johann Heinrich Geissler invent en Bonn,Alemania, una bomba que utilizaba columnas de mercurio como pistones, y que eliminaba as losempaques. De este modo, se lograron obtener presiones de una diezmilsima de atmsfera.Simultneamente, el mismo Geissler desarroll nuevos tipos de vidrio cuyos coeficientes de dilatacin eraniguales a los de algunos metales, con lo que permiti pasar alambres a travs de vidrio fundido sin peligrode que se formaran fracturas por las que se perdiera el vaco.

Otra mejora indispensable fue la obtencin de grandes diferencias de potencial elctrico. En este sentido, lacontribucin de otro alemn, Heinrich Daniel Ruhmkorff, fue importante. Como ya se mencion, los primerosexperimentos con tubos de descarga obtenan sus voltajes de bateras enormes conectadas en serie.Ruhmkorff modific la bobina de induccin para obtener algo parecido a las bobinas de los automvilesactuales, con las que se producen descargas de miles de voltios a partir de una batera de menos de diezvoltios.Con estos avances, en 1858 el profesor alemn Julius Plucker estudi la conduccin de electricidad atravs de gases a muy baja presin utilizando un tubo de vidrio en el que coloc dos placas metlicas enla parte interior de los extremos. Tal como se haba observado antes para un vaco pobre, Plucker viocmo se iluminaba todo el tubo al aplicar electricidad a las placas.Sin embargo, cuando casi todo el gas era evacuado not que esa luz desapareca quedando tan slo unresplandor verdoso en el vidrio cercano a la zona de la placa conectada a la terminal positiva de su fuentede electricidad (el nodo); la imagen luminosa no dependa mucho de la posicin de ese electrodo. Msbien, pareca como si la luminosidad en esa zona fuera producida por algn tipo de rayosemitidos por laplaca conectada al ctodo, y que viajaban de una placa a la otra a travs del vaco.Plucker tambin observ que la posicin de la imagen luminosa poda ser modificada si se acercaba unimn a la zona del nodo. Un alumno de Plucker, J. W. Hittorf, encontr que al interponer objetos entre elctodo y el nodo se producan sombras en la imagen luminosa, con lo que reforz la idea del origencatdico para esos rayos. El nombre de rayos catdicosfue introducido aos despus por el investigadoralemn Eugen Goldstein, quien adems demostr que las propiedades de esos rayos no dependan delmaterial de que estuviera hecho el ctodo.Una de las primeras teoras sobre la naturaleza de los rayos catdicos fue propuesta por el ingls WilliamCrookes, quien sugiri que se poda tratar de molculas de gas, cargadas elctricamente en el ctodo y,posteriormente, repelidas violentamente por la accin del campo elctrico. Goldstein puso en duda estahiptesis basado en la gran penetrabilidad que demostraban tener los rayos catdicos, lo cual haba sido

interpretado por el fsico alemn Heinrich Hertz como una indicacin de que, en lugar de partculas, losrayos catdicos seran ondas electromagnticas tal como l mismo haba demostrado que era la luz. Sinembargo, en 1895 el fsico francs Jean Baptiste Perrin encontr que los rayos catdicos depositabancarga en un electroscopio, con lo que confirm que se trataba de partculas cargadas. Fue por aquellasfechas que el ingls Joseph John Thomson se interes en medir la velocidad de dichas partculas.THOMSON Y EL ELECTRNNacido en 1856, Thomson se gan en 1880 una posicin en el Trinity College de la Universidad deCambridge, Inglaterra, para trabajar en el Laboratorio Cavendish. Originalmente dedic su tiempo aestudios matemticos poco relevantes, hasta que en 1884 fue inesperadamente designado director dellaboratorio. El Cavendish haba sido construido diez aos antes con fondos donados por el Duque de


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Devon, William Cavendish, descendiente del famoso Henry Cavendish, quien midiera por primera vez lafuerza de atraccin gravitacional entre dos objetos de laboratorio. El puesto de director haba sido ocupadopor James Clark Maxwell y, posteriormente, por John William Strutt (Lord Rayleigh), quien se retir en1884.El nuevo nombramiento implicaba una orientacin ms experimental para su investigacin y, siguiendo los

consejos de Rayleigh, Thomson se dedic a estudiar la naturaleza de los rayos catdicos. Como ya vimos,por esas fechas el tema era atacado tambin en otros laboratonos. La contribucin de Thomson fuepublicada en tres artculos aparecidos en 1897. Aun cuando no era demasiado hbil con las manos unode sus asistentes deca que ellos preferan que no tocara los instrumentos, su genio consisti en saberqu hacer luego de cada nueva observacin.Para medir la velocidad de los rayos catdicos, Thomson los haca pasar por la combinacin de un campoelctrico y uno magntico, producidos por un par de placas conectadas a una batera y por un par deelectroimanes, respectivamente (vase figura 2). Tanto la fuerza elctrica como la magntica ejercidassobre las supuestas partculas eran directamente proporcionales a la relacin entre su carga y su masa.Sin embargo, la fuerza magntica depende, adems, de la velocidad. Con este principio, Thomsonajustaba ambos campos para compensar con el segundo la defleccin ocasionada por el primero. Enestas condiciones, conocer el cociente de los campos era medir la velocidad. Como informacin adicional,el experimento permita medir la relacin entre la carga y la masa de las partculas en cuestin.

Figura 2. Tubo de rayos catdicos. Los electrones emitidos por el ctodo (C) son acelerados por el campoelctrico hacia el nodo (A) que deja pasar algunos por un orificio central. La trayectoria de este haz esafectada por la accin de un campo magntico y uno elctrico. J.J. Thomson buscaba cancelar esos

efectos para determinar la velocidad de los electrones.Los resultados del trabajo de Thomson indicaban que la velocidad de los rayos con los que l trabajabaera, aproximadamente, diez veces menor que la de la luz. Sin embargo, lo que ms llam su atencin esque la relacin carga/masa obtenida era mil veces mayor que la esperada para iones (vase II.7). Esteresultado sugera que, si los rayos catdicos tenan algn origen atmico, se trataba de partculas (loselectrones) mil veces ms ligeras que el tomo de hidrgeno. Estas partculas resultaron ser loselectrones.Estrictamente, el que la masa del electrn fuese mil veces menor que la del tomo que lo contena eraslo una de las posibles interpretaciones, que dependa de suponer que la carga del electrn era igual a launidad electroltica de carga. Fue entonces necesario determinar experimentalmente, y en formaindependiente, la carga y/o la masa del electrn.CARGA Y MASA DEL ELECTRN

Los primeros experimentos tendientes a determinar la carga del electrn fueron motivados por eldescubrimiento de un alumno de Thomson, Charles Thomson Rees Wilson, en el sentido de que los ionespodan servir como semillas de condensacin de gotas en las nubes. La fascinacin de Wilson por losfenmenos pticos producidos por la luz del sol al pasar por las nubes, lo motivaron a estudiar en ellaboratorio la produccin de atmsferas gaseosas.Antes que Wilson, Coulier y Aitken haban descubierto un mtodo para producir nubes al expandir unacmara que contuviera una atmsfera hmeda. Siguiendo este mtodo, en 1894 Wilson encontr que, enausencia de polvo, se poda lograr una atmsfera supersaturada de humedad libre de gotas.


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La produccin de gotas slo se produca si se rebasaba cierto lmite de saturacin, o bien si se provocabaalgn tipo de ionizacin de las molculas del medio. Aparentemente, cada ion atrapaba a las molculaslibres para formar gotas.En 1895, cuando Roentgen descubri los rayos X, J. J. Thomson propuso a Wilson estudiar el efecto deesos rayos sobre medios supersaturados con su cmara de expansin, y se encontr que esos rayos eran

altamente ionizantes.Poco tiempo despus, con el descubrimiento de la radiactividad, vio que sta era capaz de producir gotasen la cmara. La cmara de Wilson fue esencial en el descubrimiento de algunas de las partculaselementales, motivo por el cual recibi el Premio Nobel de fsica en 1927.Thomson y otros de sus colegas, J. S. E. Townsend y H. A. Wilson, cada uno por su cuenta, disearonmtodos para medir la masa de las gotitas que se formaban alrededor de cada ion. Townsend, porejemplo, separaba el lquido de las gotitas que se formaban alrededor de iones, midiendo la carga total. Lamasa de cada gotita era deducida de la velocidad de cada bajo la accin conjunta de la gravedad y laviscosidad del aire.La masa total del lquido dividido por la masa de cada gotita determinaba el nmero de gotitasacumuladas, y la carga total dividida por el nmero de gotitas daba la carga de cada gotita. En el supuestode que cada gotita creci alrededor de un ion, la carga de cada gotita sera la carga del ion. Y ya que estetipo de ionizacin se puede asociar con la prdida de un electrn por parte de una molcula, la carga del

ion es de la misma magnitud que la del electrn perdido, puesto que la molcula no ionizada eselctricamente neutra.El mtodo de Thomson utilizaba medidas de conductividad elctrica y trmica de la nube gaseosa paradeterminar la masa lquida, mientras que H. A. Wilson mejor el mtodo de Townsend al incluir un campoelctrico variable, paralelo al gravitacional, que permita una medida ms directa de la carga de cadagotita. Sus resultados, publicados independientemente entre 1897 y 1903, indicaban que la carga inicaera del orden de l0-19 coulombs.Las medidas del grupo de Thomson, a pesar de ser bastante cercanas al valor aceptado actualmente(1.6021 X 10-19 coulomb), fueron vistas con desconfianza y abrieron el camino para medidas ms precisas.En 1906, el fsico norteamericano Robert Andrews Millikan atac el problema repitiendo las medidas de H.A. Wilson con la ayuda de Harvey Fletcher, entonces estudiante de doctorado. Pronto se dieron cuentaque la masa de las gotitas variaba rpidamente debido a la evaporacin. Para minimizar este efectoempezaron a utilizar gotitas de aceite.Otro cambio importante fue que, en lugar de observar el comportamiento global, Millikan se concentr enel comportamiento de gotas individuales al ser expuestas al efecto combinado de la gravedad y el campoelctrico a la manera de Wilson. Los resultados mostraron que, si bien la carga inicial de cada gotitaobservada era enorme comparada con lo reportado por Thomson y su grupo, sta fluctuaba de una a otra(para la misma gotita) en pasos discretos.Pronto se dieron cuenta de que estas diferencias eran mltiplos pequeos de una misma carga,aparentemente debidas a la prdida o ganancia de algunos electrones por interaccin con el medio en sutrayecto. Luego de un simple anlisis estadstico, esto los llev a deducir 1.592 X l0-19 coulombs como lacarga del electrn, que se denota comnmente con la letra e. Millikan recibi el Premio Nobel en 1923 poreste trabajo.Una vez determinada la carga del electrn, su masa pudo ser deducida utilizando la relacin carga/masamedida por Thomson, que dio como resultado 9 X 10-31 kg. El propio Millikan dedujo el nmero de

Avogadro, simplemente dividiendo el faraday por e, que dio como resultado: 6.06 X 10

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molculas porgramo-mol, y la masa del ion de hidrgeno a partir de la relacin carga/masa deducida en electrlisis, quedio 1.66 X 10-27 kg. Es decir, la masa del electrn es casi 1/2000 de la del tomo que lo contiene. Unclculo aritmtico simple tambin permiti a Thomson deducir que las dimensiones de un tomo son delorden de 10-10 metros.Para terminar, vale la pena hacer notar que, si bien Zeeman y otros realizaron simultneamenteinvestigaciones cuyos resultados muestran inequvocamente la existencia del electrn, el crdito de estedescubrimiento se otorga casi enteramente a Thomson. Esto puede deberse a que, desde su publicacinoriginal, Thomson hizo hincapi en el carcter elemental del electrn, al considerarlo una fraccin deltomo.


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RESUMENLos estudios enfocados a entender la naturaleza del fluido elctricofueron motivados inicialmente por lasdescargas a travs de gases. En tal labor se requiri el desarrollo de tcnicas de vaco y de otras quedieron como resultado el tubo de rayos catdicos. El descubrimiento de que estos rayos estn constituidospor partculas cargadas fue la labor de J. J. Thomson quien, antes de deducir la naturaleza elemental,

necesit demostrar que su masa era mucho menor que la de los tomos que las contenan

FUERZAS MAGNETICASLas fuerzas magnticas son producidas por el movimiento de partculas cargadas, como por ejemploelectrones, lo que indica la estrecha relacin entre la electricidad y el magnetismo. El marco que anaambas fuerzas se denomina teora electromagntica. La manifestacin ms conocida del magnetismo esla fuerza de atraccin o repulsin que acta entre los materiales magnticos como el hierro. Sin embargo,en toda la materia se pueden observar efectos ms sutiles del magnetismo.Recientemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructuraatmica de la materia.Fuerza magntica sobre una corriente rectilneaUna carga en movimiento en presencia de un imn experimenta una fuerza magntica Fm que desva sutrayectoria. Dado que la corriente elctrica supone un movimiento continuado de cargas, un conductor por

donde circula corriente sufrir, por la accin de un campo magntico, el efecto conjunto de las fuerzasmagnticas que se ejercen sobre las diferentes cargas mviles de su interior. Si la corriente es rectilnea yde longitud l, la expresin de la fuerza magntica toma la forma:

Fm= I.B.L.sen (11.6)

en donde Ies la intensidad de corriente, B la intensidad de campo y el ngulo que forma la corrientecon el vector campo. La anterior ecuacin, que se conoce como ley de Laplace, se puede obtenerexperimentalmente, tambin puede deducirse de la expresin Fm = I.B.l.sen de la fuerza magnticasobre una carga mvil. Admitiendo que la corriente es estacionaria, esto es, de intensidad constante yconsiderando en tal circunstancia el movimiento de avance de las cargas como uniforme, se cumple laigualdad:

q.v = I.L (11.7)

pues en tal supuesto v = L/t e I = q/t; despejando la variable t en ambas ecuaciones e igualndolas,resultaL/v = q/Iecuacin equivalente a la anterior. La direccin y el sentido de la fuerza magntica Fm se obtieneaplicando la regla de la mano izquierda, con el dedo pulgar representando la direccin de la fuerzamagntica Fm, el ndice el campo magntico B y el dedo corazn la corriente l.

Fuerza magntica sobre una espira rectangularUna espira con forma rectangular por la que circula una corriente cuando es situada en el interior de uncampo magntico, como el producido por un imn de herradura, sufre un conjunto de accionesmagnticas que producen en ella un movimiento de giro o rotacin, hasta situarla dispuesta paralelamentea la direccin del campo B (o direccin de las lneas de fuerza).La explicacin de este fenmeno puede efectuarse aplicando la ley de Laplace a cada uno de los tramosrectilneos de la espira. Supngase que como se muestra en la figura adjunta, la espira puede girar entorno a un eje que es perpendicular a las lneas de fuerza.La espira rectangular est formada por dos pares de segmentos rectilneos paralelos entre s, un parhorizontal AD y BC y otro vertical AB = DC, por los que circula la corriente I. Cuando se aplica la regla dela mano izquierda a los segmentos horizontales AD y BC se advierte que las fuerzas magnticascorrespondientes resultan verticales y opuestas de modo que no producen ningn efecto de movimiento.


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Las fuerzas sobre los segmentos verticales AB y DC son opuestas y paralelas y estn contenidas en unplano horizontal. Constituyen por tanto un par de fuerzas, el cual da lugar a un movimiento de giro quehace que la espira se site perpendicularmente a las lneas de fuerza. En tal situacin tambin estas otrasfuerzas actuantes se anulan mutuamente y el cuadro permanece en equilibrio. La expresin del momentodel par de fuerzas que acta sobre la espira es, de acuerdo con su definicin:

M = fuerza x braza = Fm.b.sen donde bes la dimensin horizontal de la espira y es el ngulo que forma la direccin de una cualquiera delas dos fuerzas del par con la lnea que une sus respectivos puntos de aplicacin. La aplicacin de la leyde Laplace a uno cualquiera de los segmentos verticales de longitud ada lugar a la expresin:Fm = B.I.a.sen 90 = B.I.apues B y la direccin de la corriente Ison perpendiculares; la expresin del momento toma la forma:

M = B.I.a.b.sen = B.I.S.sen (11.8)

donde S= a bes el rea de la espira. Cuando la espira al girar se orienta paralelamente al campo, sehace cero y el momento Mresulta nulo, lo que explica que esta orientacin sea la del equilibrio.Trayectoria de una partcula en un campo magnticoLa desviacin de una aguja magntica bajo la accin de un campo originado por una corriente, segn elexperimento de Oersted, pone de manifiesto la existencia de una fuerza magntica que el campo aplicasobre la aguja.Si existe una fuerza hacia alguna direccin, segn la tercera ley de Newton, debe existir una segundafuerza equivalente y de sentido contrario, que acte sobre el conductor o sobre las cargas en movimiento.Esto se da realmente, ya que si colocamos una barra conductora en un imn en forma de u,observaremos que se mueve saliendo o entrando en el imn, hacia el lado de la corriente que estedispuesto. Al experimentar en esta forma nos damos cuenta que el sentido de la corriente, el campo y elmovimiento son perpendiculares entre s. Esto permite sealar varias reglas para determinar con precisinuno de stos sentidos cuando se conocen los otros dos.Regla de la mano izquierda:Consiste en colocar perpendicularmente entre s los tres primeros dedos de la mano izquierda, de modoque el ndice seale el sentido del campo, el medio indique el sentido de la corriente y, entonces, el pulgar

seala el sentido del movimiento del conductor o de la desviacin que experimentan las cargas.Regla de la mano derecha:Consiste en extender la mano derecha, de modo que el pulgar quede perpendicular a los restantes dedos(en un solo plano). Entonces, si el pulgar indica el sentido de la corriente y de los dems dedos, el sentidodel campo, el sentido del movimiento o de la fuerza aplicada sobre el conductor o sobre las cargas serperpendicular a la palma de la mano, alejndose de sta.

APLICACIONES TECNOLGICAS DEL MAGNETISMO.El caso del electromagnetismo es notable, entre otras cosas, por el hecho de que una vez llevadosa cabo los descubrimientos cientficos tuvieron inmediata aplicacin prctica y viceversa, lasaplicaciones prcticas fomentaron la investigacin cientfica para resolver diferentes problemas, locual a su vez abri nuevos horizontes cientficos.Se resea la curiosidad cientfica que ha tenido el hombre desde tiempos inmemoriales por las

propiedades de la electricidad por un lado y del magnetismo por otro.Se relata el descubrimiento de la relacin entre estos dos campos, resaltando el hecho de que no sonindependientes. Se habla de los trabajos de Christian Oersted, Andr-Marie Ampre y Michael Faraday,algunas de las figuras seeras de la ciencia en el siglo pasado.El conocimiento cientfico de la relacin entre electricidad y magnetismo dio lugar, inmediatamente, aaplicaciones tecnolgicas importantes. stas se detallan en los captulos VII-X e incluyen al telgrafo, conel que el hombre pudo comunicarse por medios elctricos, y a las mquinas elctricas, o sea, motoreselctricos y generadores de electricidad. De esta forma, el hombre tuvo a su disposicin fuentes decorriente elctrica de gran intensidad, hecho que cambi drsticamente la vida, dando lugar a una


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revolucin en la forma de vida de la humanidad, cuyas consecuencias fueron la iluminacin elctrica y eltelfono, entre otras.Otra novedad importante que se dio en el desarrollo de estas aplicaciones de la electricidad y elmagnetismo fue la creacin de los primeros laboratorios industriales, que desempearon un papelprimordial en los subsiguientes avances.

Por otro lado, la historia dio un vuelco inesperado. James Glerk Maxwell realiz una gran sntesis tericade los trabajos de Ampre y Faraday sobre la electricidad y el magnetismo, lo que le condujo al sorpresivodescubrimiento de que la luz era de origen elctrico y magntico.Adems, como consecuencia de la teora que desarroll predijo la existencia de las ondaselectromagnticas. El contexto en que trabaj Maxwell se presenta en los captulos XI a XIII y sucontribucin se relata en el captulo XlV. Basado en el trabajo de sus antecesores, Maxwell construy unode los pilares de la fsica, comparable con la mecnica desarrollada por Newton. Hemos de mencionarque la teoraelectromagntica de Maxwell sirvi para el futuro desarrollo de la teora de la relatividad deEinstein.Aos despus de que Maxwell hiciera la prediccin de las ondas electromagnticas en forma terica, Hertzllev a cabo un notable experimento, que es un ejemplo de la forma en que se hace ciencia. Se propusoindagar si en la naturaleza efectivamente existen ondas electromagnticas. Su trabajo verific en formabrillante las predicciones de Maxwell.

Despus de los experimentos de Hertz no qued ya ninguna duda, desde el punto de vista conceptual,acerca de la realidad fsica de los campos, idea que Faraday haba propuesto originalmente y que Maxwellelabor en su forma matemtica. Esta idea ha sido de crucial importancia en la fsica posterior, tanto parala relatividad de Einstein como para las teoras modernas de las partculas elementalesOtra consecuencia de los trabajos de Maxwell y Hertz fue el inicio de las comunicaciones inalmbricas.Los antecedentes y trabajos ms importantes se presentan en los captulos XVI a XVIII.A principios del presente siglo, los trabajos de Marconi solamente haban dado por resultado el telgrafoinalmbrico. La necesidad de desarrollar la radiotelefona precipit el inicio de la electrnica moderna. Dehecho, esta rama del electromagnetismo consolid el importante papel de los laboratorios industriales. Enel captulo XX se describe la relacin entre la parte cientfica y sus aplicaciones prcticas. Una vez logradoel entendimiento fundamental del funcionamiento de los tubos al vaco hubo una nueva irrupcin degrandes novedades: la radio, que dominara la vida humana durante varias dcadas, y posteriormente latelevisin, que tanta repercusin ha tenido. Esto lo reseamos en los captulos XXI y XXII.En el captulo XXIII presentamos en forma breve la introduccin y aplicaciones de la electricidad enMxico.En los captulos XXV y XXVI se detalla la invencin del radar y el papel determinante que desempe enla victoria de los ingleses en la llamada Batalla de Inglaterra. sta, que tuvo en sus momentos culminantesen el otoo de 1940, fue decisiva en la posterior derrota de la Alemania nazi y pudo lograrse gracias a quelos ingleses contaban con el radar, primitivo, pero funcional. ste fue una aplicacin importante de la teoraelectromagntica. Para mejorar su funcionamiento y reducir su tamao fue necesario trabajar conmicroondas, que se lograron generar por medio del magnetrn.Como se resea en el captulo XXVII, hacia 1946 se termin de construir un dispositivo que llegara atener gran influencia en la vida humana: las computadoras electrnicas.Otra revolucin se lleva a cabo en la segunda parte de la dcada de 1940: la invencin del transistor. En elcaptulo XXVIII se presenta el trabajo cientfico que se realiz para lograr esta novedad; en particular, la

base cuntica fue indispensable para hacer una descripcin correcta de la estructura microscpica de losslidos. De esta manera, como se puede leer en el captulo XXIX, se inici un torrente de aplicaciones yde mejoras cada vez ms interesantes, lo que hizo posible la miniaturizacin de los aparatos electrnicos.De hecho, a partir de la dcada de 1950 se ha vivido en una revolucin continua.Los avances cientficos en la comprensin de la estructura de la materia han dado lugar a un sinfin deaplicaciones del electromagnetismo. Una de ellas fue el lser, cuyo principio se bas en un mecanismoque Einstein propuso en 1917 para explicar la distribucin de radiacin encontrada por Planck en 1900. Enel capitulo XXX se detalla la base del funcionamiento de este dispositivo, que tiene una cantidadimpresionante de aplicaciones, algunas de las cuales presentamos.


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Finalmente, en el ltimo captulo, el XXXI, se indican algunos de los avances que se estn dando en laactualidad, as como las tendencias hacia el futuro. La fotnica, o sea la transmisin de seales, ahora pormedio de ondas electromagnticas y usando fibras pticas, est ahora al frente del desarrollo, con laposibilidad real de reemplazar a los dispositivos electrnicos. De hecho, se vislumbra que en el siglovenidero los aparatos no sean ya electrnicos sino fotnicos, convirtindose en realidad un sueo de

excitantes posibilidades, slo concebido en la ciencia ficcin.Por limitacin de espacio el autor ha elegido slo algunos de los ms importantes avances tecnolgicosdel electromagnetismo; aun as ha sido necesario abreviar la informacin, ya que varios de ellosrequeriran un libro completo.En esta obra se plantea el hecho de que, en el caso del electromagnetismo, la frontera entre la ciencia y latecnologa no est bien delimitada; de hecho, es difcil hablar de frontera. Y es que las dos estn taninterrelacionadas que no puede avanzar una sin la ayuda de la otra. Esta mancuerna ha sido la base de lacivilizacin moderna

Hecho y publicado por:Mario E. [email protected]

http://www.humano.ya.com/mnavas42

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