Faraday nació tal día como hoy, 22 de septiembre, en 1791

Todos conocemos a Faraday por su descubrimiento de la inducción electromagnética, sus aportaciones en electrotecnia y electroquímica o la introducción del concepto de campo para describir las fuerzas electromagnéticas. Sin embargo, no es tan conocido el hecho de que hizo contribuciones fundamentales a la teoría electromagnética de la luz. En 1845 Faraday descubrió que un campo magnético influye sobre un haz de luz polarizada, fenómeno conocido como efecto Faraday o efecto magneto-óptico. En concreto, encontró que el plano de vibración de la luz polarizada linealmente que incide en un trozo de cristal giraba cuando se aplicaba un campo magnético en la dirección de propagación. Se trata de una de las primeras indicaciones de la interrelación entre el electromagnetismo y la luz. Al año siguiente, en el mes de mayo de 1846, Faraday publica el artículo “Thoughts on Ray Vibrations” (Consideraciones sobre las vibraciones de los rayos). Una profética publicación en la que especulaba que la luz es un tipo de vibración de las líneas de fuerza eléctricas y magnéticas.

Thoughts on ray-vibrations

El caso de Faraday no es frecuente en la historia de la física: su formación era muy elemental; sin embargo, las leyes de la electricidad y el magnetismo son debidas mucho más a los descubrimientos experimentales de Faraday que a los de cualquier otra persona. Él descubrió la inducción electromagnética, la cual le llevó a la invención de la dinamo, precursora del generador eléctrico, explicó la electrolisis en términos de fuerzas eléctricas e introdujo conceptos, como “campo” y “líneas de fuerza”, fundamentales en la comprensión de las interacciones eléctricas y magnéticas y piezas básicas en el desarrolló posterior de la física.

Michael Faraday nació el 22 de septiembre de 1791 al sur de Londres, en Newington, en el seno de una familia humilde, y falleció en Londres el 25 de agosto de 1867. La única educación formal que recibió de pequeño fue en lectura, escritura y aritmética. Abandonó la escuela a los 13 años para trabajar en un taller de encuadernación, donde desarrolló un insaciable apetito por la lectura. Su pasión por la ciencia despertó tras la lectura de la voz “electricidad” de la “Enciclopedia Británica” cuando la estaba encuadernando, tras lo cual comenzó a hacer experimentos en un laboratorio improvisado. En 1813 fue contratado como ayudante de laboratorio del prestigioso químico Sir Humphrey Davy en la Royal Institution de Londres, de la que fue elegido miembro en 1824 y donde trabajó hasta su muerte en 1867. Faraday causó tal impresión a Davy que éste, al ser preguntado por cuál había sido su mayor descubrimiento científico respondió: “Mi gran descubrimiento ha sido Michael Faraday”. Faraday fue también un gran divulgador de la ciencia y en 1826 inició en la Royal Institution las “Charlas vespertinas de los viernes”, que aun perduran y son un canal de comunicación entre científicos y profanos, y al año siguiente las “Conferencias juveniles de Navidad” (Christmas lectures).

faraday

Realizó su primer descubrimiento sobre electromagnetismo en 1821. Al repetir el experimento de Oersted con una aguja imantada en diversos puntos alrededor de un hilo con corriente dedujo que el hilo estaba rodeado por una serie infinita de “líneas de fuerza” circulares y concéntricas. El conjunto de estas líneas de fuerza es el campo magnético de la corriente, término también introducido por Faraday. Partió de los trabajos de Oersted y Ampère sobre las propiedades magnéticas de las corrientes eléctricas y en 1831 consiguió producir una corriente eléctrica a partir de una acción magnética, fenómeno conocido como inducción electromagnética. Comprobó que cuando se hacía pasar una corriente eléctrica por una bobina, se generaba otra corriente de muy corta duración en otra bobina cercana. El descubrimiento de la inducción electromagnética en 1831 marcó un hito decisivo en el progreso no sólo de la ciencia sino de la sociedad y revela algo nuevo sobre los campos eléctricos y magnéticos. A diferencia de los campos electrostáticos creados por cargas eléctricas en reposo cuya circulación a lo largo de una línea cerrada es nula (campo conservativo), los campos eléctricos creados por campos magnéticos tienen una circulación a lo largo de una línea cerrada distinta de cero. Dicha circulación, que corresponde a la fuerza electromotriz inducida, es igual al ritmo de cambio del flujo del campo magnético que atraviesa la superficie delimitada por dicha línea cerrada (ley de Faraday). Faraday inventó el primer motor eléctrico, el primer transformador, el primer generador eléctrico y la primera dinamo, por lo que Faraday puede ser llamado, sin genero de dudas, el padre de la electrotecnia.

Inducción electromagnética

Experiencia de inducción electromagnética: Al acercar o alejar el imán de la bobina se genera una corriente eléctrica en esta última.

Faraday abandonó la teoría de los fluidos eléctrico y magnético e introdujo los conceptos de “campo” y “líneas de campo” para explicar la electricidad y el magnetismo, apartándose de la descripción mecanicista de los fenómenos naturales al más puro estilo newtoniano de “acciones a distancia”. Esta incorporación del concepto de campo fue calificada por Einstein como el “gran cambio en la Física”, pues suministró a la electricidad, el magnetismo y la óptica un marco común de teorías físicas. Sin embargo, hubo que esperar varios años hasta que se aceptaran definitivamente las líneas de campo de Faraday, justo hasta que Maxwell entró en escena.

Como se ha señalado al principio, otro de los efectos descubiertos por Faraday, quizás menos conocidos, es el de la influencia de un campo magnético sobre un haz de luz polarizada, fenómeno conocido como efecto Faraday o efecto magneto-óptico. En 1845 comprobó que si un haz de luz polarizado linealmente atraviesa un cierto material al que se aplica un campo magnético en la dirección de propagación de la luz, se observa un giro en el plano de polarización de la luz y que ese ángulo girado es proporcional al campo magnético aplicado y a la distancia recorrida por la luz dentro del material. Se trata, desde luego, de la primera indicación evidente de que la fuerza magnética y la luz estaban relacionadas entre sí y demostraba que el fenómeno de la luz se relacionaba con la electricidad y el magnetismo. Faraday llegó a escribir en relación a este fenómeno que “este hecho probablemente será sumamente fecundo y de gran valor en la investigación de ambas clases de fuerzas naturales”. Es evidente que lo fue. Este efecto constituye uno de los pilares fundamentales de la teoría electromagnética de la luz.

Efecto Faraday o magneto-óptico (Wikipedia, dominio público).

El ángulo de rotación β que gira el plano de vibración de la luz polarizada es proporcional al campo magnético B y a la longitud del medio atravesado d de modo que β = VBd, donde V es la constante de Verdet del material.

En 1846, Faraday publica en Philosophical Magazine el artículo titulado “Thoughts on Ray Vibrations” (Consideraciones sobre las vibraciones de los rayos) y al que Maxwell (1831-1879) en su artículo de 1865 “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” (Una teoría dinámica del campo electromagnético) que contiene la teoría electromagnética de la luz, uno de los acontecimientos que se conmemoran en este Año de la Luz 2015. En efecto, en la página 461 de su artículo, Maxwell señala:

“Faraday descubrió que cuando un rayo de luz polarizada plana atraviesa un medio diamagnético transparente en la dirección de las líneas de fuerza magnética producida por imanes o corrientes situados en sus alrededores, el plano de polarización rota.”

Y en la página 466, y con la humildad que siempre le caracterizaba, Maxwell afirma:

“La concepción de la propagación de perturbaciones magnéticas transversales y la exclusión de las normales está claramente establecida por el Profesor Faraday en sus “Thoughts on Ray Vibrations”. La teoría electromagnética de la luz, según lo propuesto por él, es la mismo en esencia, a la que yo he comenzado a desarrollar en este trabajo, a excepción de que en 1846 no había datos para calcular la velocidad de propagación.”

BIBLIOGRAFÍA

José Antonio Díaz-Hellín, El gran cambio de la Física. Faraday (Nivola libros y ediciones. Madrid, 2001).

Eugene Hecht, Óptica (Addison Wesley. Madrid, 1999).

Michael Faraday, “Thoughts on Ray Vibrations”, Philosophical Magazine, Series 3, Vol. 28, Nº 188, May 1846.

James Clerk Maxwell, “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1865 155, 459-512, published 1 January 1865.

Augusto Beléndez, “La unificación de luz, electricidad y magnetismo: la ‘síntesis electromagnética’ de Maxwell”, Revista Brasileira de Ensino de Física, Vol. 30, Nº 2, pp. 2601-1/20 (2008).

Augusto Beléndez, “La unificación electromagnética: 150 aniversario de las ecuaciones de Maxwell”, MÈTODE, Nº 84, pp. 16-21 (2015).

José Manuel Sánchez Ron (ed.), J. C. Maxwell: Materia y movimiento. (Crítica. Barcelona, 2006).

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Sobre la enseñanza/aprendizaje de la Física

“Es cierto que no se puede aprender Física memorizando fórmulas y terminología únicamente, pero también es cierto que la memorización juega un papel muy importante en el desarrollo intelectual. Es cierto que los estudiantes deben contar con libertad para descubrir por sus propios medios, pero también es cierto que se pueden beneficiar mucho de una acción tutorial bien dirigida. Es cierto que las experiencias empíricas con fenómenos naturales son esenciales para desarrollar una comprensión intuitiva de los mismos, pero también es cierto que, para muchos, la representación matemática de dichos fenómenos les proporciona una intuición aún más aguda que la experiencia. Es cierto que los estudiantes deben ser envueltos de forma activa en un proceso de aprendizaje, pero también es cierto que pueden darse bellos procesos de aprendizaje mientras se escucha una conferencia o se atiende a un programa de televisión. Es cierto que los estudiantes quieren aprender aquello que es relevante para su futura acción profesional, pero también es cierto que les gusta acercarse a lo fantasioso y llegar al límite de lo desconocido. Es cierto que los profesores deben ser objetivos en sus representaciones disciplinares y que no deben forzar a sus estudiantes a aceptar su propio enfoque y filosofía, pero también es cierto que inevitablemente la enseñanza es una aventura de defensa de ciertas ideas con la consiguiente exclusión de otras”.

Frank Oppenheimer, “Teaching and Learning”, American Journal of Physics 41, 1310-1313 (1973)

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Publicaciones docentes

En la dirección http://rua.ua.es/dspace/handle/10045/11260 podéis descargar publicaciones docentes de interés para la asignatura “Fundamentos Físicos de la Ingeniería”, como libros, manuales, apuntes, temas, resúmenes, presentaciones, artículos, comunicaciones, etc. Los documentos se irán actualizando y ampliando. Más información sobre el Repositorio Institucional de la Universidad de Alicante (RUA) en el siguiente enlace.

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Tema 1. Principios físicos de los semiconductores

El tema está dedicado a presentar una introducción sobre el análisis de los distintos tipos de sólidos, la teoría de bandas, las propiedades eléctricas de los semiconductores, los distintos tipos de conducción en semiconductores y los dispositivos semiconductores.

En primer lugar se comentan los distintos tipos de enlaces y de sólidos, distinguiendo, fundamentalmente, entre sólidos iónicos, covalentes y metálicos, e introduciendo el modelo de electrones libres para metales y el concepto de densidad de estados y la distribución de Fermi-Dirac.

Se analiza la diferencia entre los conductores, aislantes y semiconductores en función de su estructura de bandas y la separación entre las bandas de valencia y de conducción. Cuando los átomos se enlazan entre sí en la materia condensada, sus niveles de energía se reparten en bandas. En el cero absoluto, los aislantes y los semiconductores tienen una banda de valencia totalmente llena, separada por un intervalo vacío de energía, de una banda de conducción vacía. Sin embargo, en el caso de los semiconductores el intervalo vacío entre estas dos bandas es del orden de 1 eV. Los conductores tienen bandas de conducción parcialmente llenas. También se distingue entre semiconductor intrínseco y semiconductor extrínseco. en este último caso, la adición de pequeñas concentraciones de impurezas al semiconductor puede cambiar drásticamente sus propiedades eléctricas. Si se añaden impurezas donadoras se obtiene un semiconductor tipo n, mientras que si se añaden impurezas receptoras el resultado es un semiconductor extrínseco de tipo p. En este punto es importante introducir la ecuación del semiconductor o ley de acción de masas, ecuación esencial en el estudio de semiconductores y dispositivos semiconductores así como la condición de neutralidad eléctrica.

A continuación se describen los fenómenos de transporte de cargas que aparecen en los semiconductores, bien como consecuencia de la aplicación de campos eléctricos (corriente de arrastre), bien por la existencia de gradientes de concentración de los portadores (corriente de difusión). Los conceptos de velocidad de arrastre, densidad de corriente y conductividad que aquí se establecen son análogos a los introducidos para conductores metálicos en el tema de corriente eléctrica, con la diferencia que en aquel caso los portadores son electrones libres, mientras que en un semiconductor pueden ser electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas).

El último apartado del tema está dedicado a los dispositivos semiconductores, presentando de una manera introductoria las características básicas del diodo y del transistor. Comenzamos estudiando la unión p-n, tanto en polarización directa como en polarización inversa, pues este tipo de unión es la base para la construcción de diodos y transistores. Se incluyen sus características básicas de funcionamiento como son las corrientes de electrones y huecos, las características tensión-corriente en un diodo, y las tensiones y corrientes en un transistor. También se analizan algunas aplicaciones de estos dispositivos.

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Curso 2016-2017: Bienvenidos

Bienvenidos al blog de Física del Grado en Ingeniería en Sonido e Imagen en Telecomunicación de la Universidad de Alicante. En él podéis encontrar información sobre las asignaturas “Fundamentos Físicos de la Ingeniería I” y “Fundamentos Físicos de la Ingeniería II”, así como otros temas y enlaces de interés. Espero que entre todos podamos sacerle partido a esta nueva herramienta de comunicación.

Guías de los temas

Resúmenes de los temas

Enunciados de los problemas

 

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Lambert (1728-1777)

Johann Heinrich Lambert fue un matemático, físico, astrónomo y filósofo suizo. Lambert nació el 26 de agosto de 1728 y falleció el 25 de septiembre de 1777. En su libro Photogrammetria, seu de mensura et gradibus luminis colorum et umbras, publicado en 1760, estableció la doctrina de la medición de la intensidad luminosa como Ciencia. Descubrió en 1760 la ley fotométrica conocida Ley de Beer-Lambert, que relaciona la absorción de luz con las propiedades del material atravesado por un haz de luz. También formuló la primera y segunda leyes de Lambert o leyes del cuadrado de la distancia y del coseno, respectivamente.

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En el campo de las matemáticas demostró que el número π es irracional y que tanto el número π como el número e son números trascendentes. En Astronomía también realizó diversas aportaciones, entre ellas algunas sobre trigonometría esférica.

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Coulomb (1736-1806)

El ingeniero militar francés Charles Augustin de Coulomb nació el 14 de junio de 1736 y falleció el 23 de agosto de 1806. Coulomb trabajó para Napoleón y realizó importantes contribuciones en el campo de la elasticidad y la resistencia de materiales. En Física es conocido por la ley de Coulomb, aunque en el campo de la electrostática estudió las propiedades eléctricas de los conductores y demostró que si un conductor en equilibrio electrostático está cargado, su carga está en su superficie. En el año 1777 diseñó una balanza de torsión de gran sensibilidad formada por una varilla ligera que está suspendida de un largo y delgado hilo con dos esferas equilibradas a cada extremo. Con ayuda de esta balanza estableció de forma cuantitativa ocho años después la ley del inverso del cuadrado de la distancia para la interacción entre cargas eléctricas puntuales, conocida como ley de Coulomb.

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Según esta ley, la fuerza entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta fuerza es atractiva si las cargas son de distinto signo y repulsiva si el signo de las dos cargas es el mismo. Coulomb también estudió las fuerzas entre polos magnéticos y propuso la ecuación de la fuerza entre polos magnéticos semejante a la fuerza electrostática entre cargas eléctricas y la fuerza gravitatoria entre masas gravitatorias. La ley que rige las fuerzas de atracción y repulsión entre las cargas eléctricas y los polos magnéticos fue publicada en 1785 en un trabajo titulado “Segunda memoria sobre la electricidad y el magnetismo”. Como había hecho Gilbert casi doscientos años antes y Tales de Mileto dos mil años antes, Coulomb consideró que los fenómenos eléctricos y magnéticos eran diferentes, puesto que, a pesar de la estrecha analogía que parecía existir entre ellos, los experimentos indicaban que los polos magnéticos y las cargas eléctricas (entonces sólo en reposo) no interactuaban entre sí.

Marcelo Alonso y Edward J. Finn, Física. Addison-Wesley Iberoamericana. Wilmington, 1995.

Agustín Udías Vadiñas, Historia de la Física: De Arquímedes a Einstein. Editoríal Síntesis. Madrid, 2004.

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