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.
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).
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.
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).
