André-Marie Ampère, «el Newton de la electricidad»

El 24 de noviembre de 1793, cuatro años y unos meses después de la toma de la Bastilla, Jean-Jacques Ampère, un próspero comerciante de sedas de Lyon vinculado al partido girondino, subía los últimos peldaños que le conducían al patíbulo. Detenido, juzgado y condenado a la pena capital, ese día era guillotinado y se convertía así en una víctima más de las idas y venidas revolucionarias. La muerte en la guillotina de su padre, al que estaba muy unido, afectó profundamente al joven André-Marie Ampère (1775-1836), entonces de 18 años, sumiéndole en una profunda depresión que le tuvo aislado durante varios años en la casa de campo familiar, situada a diez kilómetros de Lyon. Allí, sin apenas contacto con el mundo exterior, se dedicó a devorar casi como un poseso la magnífica biblioteca de su padre.

André-Marie Ampère fue un niño prodigio educado bajo la influencia del filósofo Rousseau, del que su padre era un ferviente seguidor y, por lo que siguiendo las ideas plasmadas en el EmilioAndré-Marie nunca fue a la escuela, excepto para dar clase él mismo. Tras varios años dando clases particulares de matemáticas consiguió una plaza de profesor de física y química en la Escuela Central de Ain (Bourg-en-Bresse) hasta 1804, fecha en la que  se convertiría en profesor de análisis matemático en la Escuela Politécnica de París.

André-Marie Ampère nació el 20 de enero de 1775 en Lyon y fue un niño prodigio educado bajo la influencia del filósofo Rousseau/ Wikipedia

En 1808, Napoleón llegó a nombrarle inspector general del sistema universitario francés (puesto que ocuparía hasta su muerte) y ya en 1814 consigue entrar en la Academia de Ciencias de Francia, en la sección de geometría. En contraste con su trayectoria profesional, su vida personal fue complicada y muy difícil, y le llevó a vivir momentos como la muerte de su padre en la guillotina, el fallecimiento de su primera esposa, la separación de su segunda esposa etc…

Ampère es uno de los 72 científicos e ingenieros franceses ilustres cuyos nombres aparecen encima de los cuatro arcos de la Torre Eiffel, como Foucault, Fourier, Fresnel, Laplace, Lavoisier, Malus o Poisson, entre otros.

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Tal día como hoy, 5 de junio, pero de 1900 nacía Dennis Gabor, «padre de la holografía»

Dennis Gabor (1900-1979) nació el 5 de junio de 1900 en Budapest, Hungría, un país que entonces formaba parte de la Monarquía Dual Austro-Húngara. Aunque la física le fascinaba, decidió estudiar ingeniería. Más tarde escribió, «ser físico no era todavía una profesión en Hungría y ¿con apenas media docena de cátedras de física en todo el país, quién podría haber sido tan presuntuoso para aspirar a una de ellas?». Al cumplir los dieciocho años fue enviado al norte de Italia para servir en la artillería austro-húngara en los últimos meses de la Primera Guerra Mundial y finalizada la contienda inició estudios de ingeniería en Budapest que concluyó en la Universidad Técnica de Berlín donde obtuvo el Título de Ingeniero Eléctrico en 1924 y el de Doctor Ingeniero en 1927 con una tesis doctoral relacionada con el desarrollo de uno de los primeros oscilógrafos de rayos catódicos de alta velocidad.

Dennis Gabor (1900-1979). Nobel Museum, Stockholm. Credit: A. Beléndez

Dennis Gabor (1900-1979). Nobel Museum, Stockholm. Credit: A. Beléndez

El camino hacia la holografía

La holografía comienza a dar sus primeros pasos en 1947 en un laboratorio de una empresa de ingeniería eléctrica en el que Gabor trabajaba en la mejora del microscopio electrónico. Con este instrumento se había aumentado en cien veces el poder de resolución de los mejores microscopios ópticos y se estaba muy cerca de resolver las estructuras atómicas, pero los sistemas no eran lo bastante perfectos. Su limitación estaba relacionada con la aberración esférica de las lentes magnéticas del microscopio. Para resolver este problema Gabor se preguntó: «¿Por qué no tomar una mala imagen electrónica, pero que contenga la información ‘total’ de la misma, reconstruirla y corregirla mediante métodos ópticos?».

La contestación a esta pregunta se le ocurrió mientras esperaba para jugar un partido de tenis el Domingo de Pascua de 1947  y consistía en considerar un proceso en dos etapas. En la primera etapa, el registro, produciría el diagrama interferencial entre el haz de electrones objeto (onda objeto) y un “fondo coherente” (onda de referencia) que registraría en una placa fotográfica. A este interferograma Gabor lo llamó holograma, del griego ‘holos’, que significa ‘la totalidad’, pues contiene la información total (la amplitud y la fase) de la onda objeto. En la segunda etapa, la reconstrucción, iluminaría el holograma con luz visible, reconstruiría el frente de onda original y podría corregirlo por métodos ópticos para obtener una buena imagen. Así pues, los principios físicos de la holografía están basados en la naturaleza ondulatoria de la luz y son la interferencia (en la etapa de registro) y la difracción (en la etapa de reconstrucción). Gabor dedicó el resto del año trabajando en su ‘nuevo principio de microscopía’ (new microscopic principle).

Para conseguir franjas de contrastadas es necesario disponer de una fuente de iluminación de gran coherencia, la cual no existía en tiempos de Gabor. A pesar de ello, en 1948 realizó el primer holograma con luz proveniente de una lámpara de mercurio con un filtro para la luz verde, una de las mejores fuentes de luz coherente antes del láser. El objeto de este primer holograma era una pequeña diapositiva circular de 1.4 mm de diámetro que contenía los nombres HuygensYoung y Fresnel, tres físicos a los que Gabor consideraba importantes por haber puesto las bases de su técnica a la que denominó ‘reconstrucción del frente de onda’ (wave-front reconstruction). Estos hologramas no resultan impresionantes vistos hoy en día, pero constituyeron una demostración convincente de un nuevo e interesante principio de la óptica.

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Yuri Denisyuk y el holograma por reflexión

El primer trabajo sobre holografía fue publicado por Dennis Gabor en 1948. Sin embargo, apenas diez años después, todos los que habían iniciado las primeras investigaciones sobre holografía ya habían decidido abandonarla completamente, incluido el propio Gabor que en su nuevo puesto como Professor en el Imperial College de Londres  estaba estudiando problemas relacionados con la fusión nuclear al tiempo que escribía sobre las relaciones entre la ciencia y la sociedad. El equipo de la compañía británica de ingeniería eléctrica en la que Gabor realizó los primeros experimentos sobre holografía estaba ahora centrado en la mejora del diseño de sus microscopios electrónicos comerciales. Los físicos que en un principio se habían dedicado con entusiasmo a la técnica de Gabor estaban ahora en otros temas: Paul Kirkpatrick trabajaba en reflectores para telescopios de rayos X, Albert Baez y Gordon Rogers estaban centrados en su labor académica, mientras que Adolf Lohmann se dedicaba a la formulación matemática de ciertos problemas relacionados con el procesado óptico de imágenes.

Sin embargo, aproximadamente por esas fechas el concepto de reconstrucción del frente de onda estaba siendo reinventado en un contexto diferente. Un investigador que trabajaba de forma aislada estaba realizando una serie de estudios similares en el centro de investigación óptica más importante de la antigua Unión Soviética. Su nombre era Yuri Denisyuk (1927-2006), por aquel entonces científico del Instituto Estatal de Óptica Vavilov de Leningrado, y que inició la segunda investigación sobre holografía hacia 1958. Denisyuk desconocía el trabajo de Gabor, no sólo porque salvo al principio su éxito y difusión fueron muy limitados, sino porque era el periodo de la guerra fría y la transferencia de información, sobre todo científica, entre los dos grandes bloques, el este y el oeste, era prácticamente inexistente.

Yuri Nikolaevich Denisyuk nació el 27 de julio de 1927 en Sochi, en el Mar Negro, pero creció y estudió en Leningrado. En sus años en el colegio su sueño era trabajar en campos de la física fundamental como la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad, las cuáles atraían a los jóvenes de su tiempo. Sin embargo, tuvo que cambiar de planes y se licenció en el Departamento de Ingeniería Física del Instituto de Mecánica de Precisión y Óptica de Leningrado en 1954. Ese año, y bajo la supervisión de Alexander Elkin, comenzó a trabajar en el campo de la instrumentación óptica en el Instituto Estatal de Óptica Vavilov, en lo que él consideraba un trabajo aburrido relacionado con el desarrollo de dispositivos ópticos convencionales para la armada soviética. Denisyuk decidió doctorarse y desde 1958, Elkin le permitió dedicar parte de su tiempo a llevar a cabo investigaciones para que pudiera realizar la tesis doctoral bajo la dirección de Eugenii Iudin, otro colega del mismo laboratorio. Aunque Iudin falleció pocos meses después, durante los dos años y medio siguientes (de diciembre 1958 a junio 1961) Denisyuk fue capaz de continuar su tesis doctoral sin contar con un director de tesis y bajo la única supervisión de Elkin, quien le proporcionaba un pequeño estipendio así como cierto material que le permitía seguir realizando las experiencias de laboratorio que el propio Denisyuk diseñaba.

Instituto Estatal de Óptica Vavilov. San Petersburgo, Rusia.

En sus investigaciones iniciales sobre holografía Denisyuk se inspiró tras la lectura del libro de ciencia ficción Star Ships del escritor ruso Efremov. El propio Denisyuk escribió en una ocasión que uno de los episodios de este libro le impresionó profundamente. En éste, unos arqueólogos, mientras trabajaban en una excavación, encontraron accidentalmente una extraña placa. Tras limpiar su superficie, y detrás de una capa completamente transparente, apareció una cara mirándolos. La cara estaba aumentada por medio de algún procedimiento óptico, tenía tres dimensiones y un gran realismo, sobre todo en sus ojos. A Denisyuk se le ocurrió la idea de crear tales fotografías por medio de la óptica moderna, lo que años más tarde consiguió mediante lo que se conoce como holograma de reflexión. Este tipo de hologramas, que recibieron el nombre de su inventor, holograma de Denisyuk, presentan la propiedad de que su reconstrucción se hace con luz blanca. Esta nueva técnica estaba basada en el trabajo del físico francés Gabriel Lippman sobre fotografía en color realizados a finales del siglo XIX y por el cual obtuvo el premio Nobel de física en 1908. La técnica de Lippman consistía en proyectar la imagen creada por el objetivo fotográfico sobre una emulsión fotográfica de grano muy fino a la que había adosado una superficie de mercurio como espejo de modo que la luz reflejada en el espejo junto a la incidente da lugar a un patrón de ondas estacionarias. Los granos de plata se precipitan en los máximos de intensidad y se forman superficies que reflejan sólo la luz en una banda estrecha alrededor del color original, ya que sólo para este color las ondas difundidas en las superficies de Lippman se superponen en fase. Como dato anecdótico, esta técnica fotográfica de Lippman fue utilizada y desarrollada con éxito por nuestro premio Nobel de medicina, Santiago Ramón y Cajal, tal y como queda recogido en su libro Fotografía de los colores editado en Madrid en 1912. Ramón y Cajal fabricó sus propias placas fotográficas y en su libro da consejos y proporciona un método para obtener placas de espesor uniforme y buena sensibilidad.

Volviendo a la técnica propuesta por Denisyuk, éste hacía incidir las ondas objeto y referencia por las caras opuestas de la placa fotográfica formada por una lámina de vidrio en la que estaba depositada la emulsión fotosensible. Para ello situaba el objeto junto a una de las caras de la placa e iluminaba la otra cara con un haz de luz filtrado proveniente de una lámpara de mercurio. La onda luminosa, tras atravesar la placa, incide sobre el objeto y la onda reflejada por éste interfiere con la onda incidente dando lugar a un patrón de ondas estacionarias que puede ser fotografiado en la placa fotográfica.  Esta placa, una vez revelada, se ilumina con un haz de reconstrucción de luz blanca y el objeto aparece en su posición original y del mismo color que el de la luz empleada en el registro (siempre que no haya variación en el espesor de la capa de la emulsión fotográfica). A partir de 1959 Denisyuk empezó a fabricar sus propias emulsiones fotográficas para que fueran capaces de registrar el patrón de ondas estacionarias y en 1962 anunció su descubrimiento que denominó fotografía de ondas y que hoy se conoce como holograma por reflexión. Sin embargo, hay un aspecto importante que diferencia las ideas de Gabor y Denisyuk. Mientras que Denisyuk concibió sus estudios como el almacenamiento de un patrón de ondas estacionarias en todo el volumen de la emulsión fotográfica, es decir, un almacenamiento tridimensional, para Gabor se trataba del almacenamiento bidimensional del diagrama interferencial en la superficie de la emulsión. Las fuentes luminosas que disponía Denisyuk eran lámparas de mercurio con una longitud de coherencia de unas pocas décimas de milímetro por lo que sus hologramas eran de objetos con poca profundidad como espejos convexos con grandes radios de curvatura. Más adelante Denisyuk señaló que lamentaba no haber pensado hacer uso de otros objetos con relieve como monedas, ya que en ese caso habría demostrado la posibilidad de utilizar su técnica para formar imágenes de objetos tridimensionales, lo que desde luego habría proporcionado un mayor éxito a sus investigaciones. Esto es una prueba de que en holografía la elección del objeto determina en muchas ocasiones el éxito de las investigaciones científicas y de los resultados artísticos.

Denisyuk con su retrato holográfico. Créditos: SPIE.

Denisyuk publicó un primer artículo [“On reflection of the optical properties of an object in wavefield of radiation scattered by it”] sobre este tema en 1962 en una revista de la Unión Soviética y en ruso. Después de éste, publicó otros dos artículos incluyendo más resultados, pero tuvo dificultades para que fueran aceptados por los científicos rusos responsables de la revista. Tras completar su tesis doctoral en 1961, Denisyuk volvió a sus antiguas investigaciones sobre instrumentación óptica para la armada soviética como jefe de un nuevo laboratorio de investigación, de modo que sus oportunidades para continuar con su trabajo en la fotografía de ondas eran muy limitadas. Como el mismo señaló, la investigación en esta técnica languideció en la Unión Soviética en los años siguientes a 1961 y para sus contemporáneos la conexión de su trabajo con la reconstrucción del frente de onda de Gabor era marginal y además, ambos esquemas parecían estériles y sin posibles aplicaciones.

(a) Registro y (b) reconstrucción de un holograma de reflexión (Y. N. Denisyuk, “My way in Holography”, Leonardo, Vol. 25, No 5, 425-430, 1992. Dibujo original de Yuri Denisyuk).

Sin embargo, la “fotografía de ondas” de Denisyuk, recibida al principio con gran escepticismo –cuando no con cierto menosprecio–, desempeñó un papel trascendental en la evolución futura de la holografía así como en algunas de sus aplicaciones más importantes. Sus investigaciones no fueron conocidas fuera de la Unión Soviética hasta finales de la década de 1960 y su posición cambió, como la de Dennis Gabor, gracias a los trabajos de Emmett Leith y Juris Upatnieks, aunque no fue hasta 1970 cuando sus contribuciones obtuvieron el reconocimiento mundial y Denisyuk recibió ese año el Premio Lenin, la más alta distinción científica de la antigua Unión Soviética, siendo elegido miembro de la Academia de Ciencias de la URSS. En 1992 era galardonado con el R. W. Wood Prize, concedido por la Optical Society of America (OSA). La Academia de Ciencias de Hungría le concedió el International Dennis Gabor Award en 1993. Yuri Denisyuk falleció el 14 de mayo de 2006 en San Petersburgo.

Hologramas por reflexión de objetos de museos.

BIBLIOGRAFÍA

A. Beléndez, Holografía: ciencia, arte y tecnología (Lección inaugural, Universidad de Alicante, 2007).

A. Beléndez, “Holografía: Generalidades”. Fundamentos de Óptica para Ingeniería Informática. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Alicante (1996).

S. F. Johnston, Holographic Visions. A History of New Science (Oxford University Press, Oxford 2006).

M. Quintanilla, “Holografía, Ciencia y Arte”, Revista de la Real Academia de Ciencias de Zaragoza”, Vol. 60, 57-64 (2005).

“Gabriel Lippmann – Nobel Lecture: Colour Photography”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 21 Apr 2017.

S. Ramón y Cajal, Fotografía de los Colores. Bases Científicas y Reglas Prácticas (Prames, Zaragoza, 2007).

Y. N. Denisyuk, “My way in Holography”, Leonardo, Vol. 25, No 5, 425-430 (1992).

Y. N. Denisyuk, “On reflection of the optical properties of an object in wavefield of radiation scattered by it”, Optics and Spectroscopy, Vol. 15, pp. 522-532 (1962).

Y. N. Denisyuk y V. Gurikov, “Advancement of Holography, Investigations by Soviet Scientists”, History and Technology, Vol. 8, No. 2, pp. 127-132 (1992).

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Definición y concepto de Física

Toda definición de un campo del saber es siempre difícil, sobre todo porque definir algo conlleva siempre intentar separar lo que de forma natural se presenta unido. Intentar dar una definición de la física como ciencia que sea sencilla y a la vez exhaustiva no es una tarea fácil, pues muchas de las definiciones que a veces se utilizan pueden ser catalogadas más bien como descripciones que abarcan aspectos más o menos parciales de la misma. Sin embargo, la necesidad que tenemos siempre de disponer de un marco al que referir unos conocimientos concretos relacionados entre sí, es lo que obliga a enunciar las definiciones. Es evidente que dar una definición estricta de la física supone, en parte, una pérdida de flexibilidad que podría dar lugar a limitaciones futuras en su contenido, sobre todo si se tiene en cuenta la propia dinámica de una ciencia que evoluciona gracias a una constante investigación. Con todos los riesgos que supone tomar la medida anterior, a continuación se muestran algunas de las definiciones de la física que pueden encontrarse en la bibliografía.

El propio origen de la palabra física, del término griego physis, cuyo significado es “naturaleza”, nos da la clave de qué se ha entendido como física a lo largo de la mayor parte de la historia, exceptuando nuestro siglo y el anterior. La física, por tanto, debía tratar de “entender” y “explicar” los fenómenos de la naturaleza. Ciertamente hasta principios del siglo XIX se entendía la física en este amplio sentido, y se denominó “filosofía natural”. Sin embargo, durante el siglo XIX y hasta muy recientemente, la física estuvo restringida al estudio de un grupo más limitado de fenómenos, designados con el nombre de “fenómenos físicos” y definidos sin precisión como procesos en los cuales la “naturaleza” de las sustancias participantes no cambia. Esta definición poco precisa de la Física ha sido gradualmente descartada, retornándose al concepto más amplio y más fundamental de antes. Por ello puede decirse que [1]:

“La física es una ciencia cuyo objetivo es estudiar los componentes de la materia y sus interacciones mutuas. En función de estas interacciones la Física explica las propiedades de la materia en conjunto, así como los distintos fenómenos que observamos en la Naturaleza”.

Para cubrir estos objetivos, la física se ocupa de observar y recoger los datos que tales hechos proporcionan y de agruparlos de forma que sus compendios ordenados nos permitan conocer mejor la naturaleza.

Puede decirse que la visión de los fenómenos naturales que nos proporciona hoy la física es el triunfo del pensamiento racional iniciado hace más de dos mil años por los filósofos. A esta racionalidad se incorporó hace unos quinientos años la metodología de la Ciencia moderna. Este método consiste en plantear preguntas específicas a la naturaleza mediante la realización de experimentos. Galileo, con sus famosos experimentos, provocó el nacimiento de la física tal y como hoy la entendemos. Los primeros experimentos de la física se llevaron a cabo sin medios o en todo caso con medios muy precarios. Galileo, por ejemplo, se sirvió de la torre inclinada de Pisa para dejar caer desde lo alto piedras de distintos tamaños. A falta de un reloj, utilizó su propio pulso para medir el tiempo en algunos de sus experimentos. Frente a estos medios tan primitivos se encuentran los gigantescos aparatos de la física moderna, como los aceleradores de partículas, y aunque parecen algo cualitativamente nuevo, en el fondo su principio sigue siendo el mismo: Se plantea una pregunta específica a la naturaleza bajo condiciones determinadas, se lleva a cabo un experimento.

La idea que siempre han tenido los científicos de resumir y concentrar nuestro conocimiento acerca del mundo que nos rodea es lo que conduce a la elaboración de teorías. La física utiliza unos modelos o teorías para la descripción de los fenómenos de la naturaleza. Puede decirse que una teoría física es un sistema de conceptos, definiciones y leyes que permiten sin contradicciones describir y representar matemáticamente un gran número de fenómenos. Las teorías físicas se desarrollan en torno a uno o varios conceptos fundamentales. Los conceptos físicos se consideran como las unidades fundamentales de conocimiento o como las principales ideas que la física utiliza como vocabulario. El primer requisito para comprender los fenómenos físicos es, por tanto, introducir los conceptos adecuados, pues sin la ayuda de los conceptos válidos no podemos entender realmente qué ha sido observado. Al intentar analizar nuevos fenómenos siempre es necesario introducir conceptos nuevos que, por lo general, se presentan en forma poco clara y desarrollada; luego son modificados, abandonados o sustituidos por otros mejores que quedan más claramente definidos, aunque nunca se puede asegurar su perennidad. Werner Heisenberg señalaba que [2], de hecho:

“la historia de la física no puede entenderse como una mera yuxtaposición de descubrimientos y de observaciones experimentales a la cual se agregue su descripción matemática para dar lugar a teorías, sino que es también historia de los conceptos”.

Werner Heisenberg y Niels Bohr. Créditos: Wikipedia.

Lo que confiere importancia a ciertos conceptos es su aparición en una gran cantidad de descripciones y leyes en áreas muy alejadas, a menudo, de las de su formulación inicial. Las teorías físicas se derivan de los hechos empíricos mediante la observación y la experimentación, y una característica importante de aquéllas es su capacidad para explicar y al mismo tiempo predecir. El concepto “física” debe representar, asimismo, un conocimiento estructurado pero siempre abierto a todo paso posterior, aunque éste modifique, al menos aparentemente, sus bases de partida.

Existen otras muchas definiciones de física. Por ejemplo, Julio Palacios en su discurso de recepción en la Real Academia de la Lengua Española el 13 de diciembre de 1953, titulado “El lenguaje de la física y su peculiar filosofía”, presentaba la siguiente definición de la física, la cual se incluyó en el Diccionario de la Lengua [3]:

“La física se propone descubrir y dar forma matemática a las leyes universales que relacionan entre sí las magnitudes que intervienen en los fenómenos reales”.

Julio Palacios. Créditos: Aragoneses ilustres.

Albert Einstein pensaba sobre la ciencia que [4]:

“No es una mera colección de leyes, un catálogo de hechos sin relación mutua, sino que es una creación de la mente humana, con sus ideas y conceptos libremente inventados. Las teorías físicas tratan de dar una imagen de la realidad y de establecer su conexión con el amplio mundo de las impresiones sensoriales. La única justificación de nuestras estructuras mentales es si esa conexión se logra y de qué modo se hace”.

En distintas ocasiones, Einstein declaró [5]:

“La física es una creación del intelecto humano en su intento por comprender el mundo físico”.

Según Selleri, en tanto creación del intelecto humano una teoría física es, ciertamente, arbitraria en parte (desde un punto de vista lógico); en cuanto comprensión del mundo físico, en la medida en que tenga éxito, debe a su vez contener elementos, objetivos, y ésta es la conquista irreversible que puede y debe enriquecerse por la investigación futura, pero jamás negada o abandonada. Ejemplos aleatorios de contenidos objetivos (irreversibles) de la física podrían ser los conceptos de estrella, galaxia, átomo, molécula, núcleo atómico o partícula elemental; resulta difícil creer que la física del futuro niegue la existencia de tales sistemas físicos, aunque es probable que todavía no conozcamos muchos de sus aspectos.

Niels Bohr y Albert Einstein. Créditos: Wikipedia.

Planck, por su parte, basaba sus investigaciones en la creencia de que existe un mundo físico externo al hombre, y que la misión de la física es proporcionar imágenes mentales de él. Además no aceptaba en una teoría física la falta de causalidad y la incapacidad de proporcionar imágenes de la realidad. La definición que el físico danés Niels Bohr daba de la física era muy distinta a la de muchos de sus contemporáneos, incluidos Planck y Einstein. Acerca del objetivo de la misma Niels Bohr escribió [6]:

“Es equivocado pensar que la tarea de la física es averiguar cómo es la naturaleza. La física se refiere a lo que nosotros podemos decir de ella”.

En este sentido, la verdadera tarea de la física no sería descubrirlo todo, sino más bien entenderlo, averiguar como unas cosas están relacionadas con otras. Sería desarrollar una forma de intuición adiestrada que nos permitiera comprender en cualquier fenómeno dado lo que es importante y lo que no lo es. Lo que queremos saber es porque las cosas funcionan del modo que lo hacen. De hecho, en la física la mayor parte del trabajo no consiste en encontrar como funciona todo, consiste en hacer todo lo contrario, en ir separando lo sencillo de lo complicado, en hacer aproximaciones, en hacer estimaciones, en profundizar a través de las dificultades para llegar a dominar las características esenciales de cualquier fenómeno físico.

Con frecuencia se dice que

“la física es la ciencia de lo exótico, pero también es la ciencia de la vida cotidiana” [7].

En el extremo de lo exótico, los agujeros negros, los átomos, las partículas elementales, la nanofísica o la materia oscura ponen retos a nuestra imaginación. En la vida diaria, físicos, astrónomos, químicos, geólogos, biólogos, médicos, ingenieros y arquitectos abordan en su trabajo diario temas como la transmisión del calor, el flujo de fluidos, la corriente eléctrica, la propagación de la luz y el sonido, la radiactividad o las fuerzas de tensión en puentes o edificios. Todo esto también es física y de hecho innumerables cuestiones respecto a nuestro mundo más próximo pueden responderse con un conocimiento básico de esta ciencia [7].

Por último, existen definiciones más desenfadadas, como la del genial Richard Feynman, que decía que la física es [8]:

“lo que nos dejan hacer a los físicos a última hora de la tarde”.

En cualquier caso, el hecho de que no se pueda dar una definición cerrada de la física no debería preocuparnos excesivamente. Una simple ojeada al índice de cualquier libro de física deja bien claro cuál es el objetivo de la misma.

Richard Feynman. Créditos: Wikipedia.

REFERENCIAS

[1] M. Alonso y E. J. Finn, “Física. Vol. I: Mecánica”, Addison-Wesley Iberoamericana. México, 1986. pág. 2.

[2] W. Heinsenberg, Encuentros y conversaciones con Einstein y otros ensayos científicos” (Alianza Editorial, Madrid, 1979). pág. 25-43.

[3] J. Aguilar: “Vida y obra de Don Julio Palacios”. Conferencias de la XXIII Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física, Universidad de Valladolid, 1992. pág. 17.

[4] F. Selleri, “El debate de la teoría cuántica” (Alianza Universidad, Alianza Editorial, Madrid, 1986). pág. 31.

[5] F. Selleri, op. cit., pág. 49.

[6] F. Selleri, op. cit., pág. 36.

[7] P. A. Tipler, “Física para la ciencia y la tecnología”, Vol. 1 (Reverté. Barcelona, 1999). pág. 1.

[8] Profesiones: La Física. Hablando con Juan Rojo (Acento Editorial. Madrid, 1994). pág. 3.

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Magnetismo: Los orígenes

Primeros descubrimientos

Como sucede con la electricidad, el fenómeno del magnetismo era conocido desde la antigua Grecia y también su nombre es de origen griego. La palabra magnetismo viene de la palabra “magnes”, imán en griego, que a su vez viene de Magnesia (Magnesia del Meandro), región del Asia Menor en la que se encuentran yacimientos del mineral magnetita (piedra imán), que tiene la propiedad de atraer objetos de hierro así como conferir al hierro sus propiedades magnéticas. Se observó que el efecto de atraer pequeños trocitos de hierro era más pronunciado en ciertas zonas del imán denominadas  polos magnéticos.

Tales de Mileto (aprox. 624-546 a.C.) es considerado como uno de los primeros que asoció los fenómenos eléctricos y magnéticos. Tales conoció los efectos de la magnetita y pensó que si el ámbar al ser frotado era capaz de atraer pequeños objetos era porque se transformaba en magnético por el efecto del frotamiento. Sin embargo se dio cuenta que por mucho que frotara el ámbar, éste era incapaz de atraer pequeños trocitos o limaduras de hierro, que sí eran atraídos por la magnetiza, sin necesidad de ser frotada. De este modo, electricidad y magnetismo quedaron independientes e incomunicados durante más de dos mil años, justo hasta que Oersted descubriera en 1820 que una corriente eléctrica es capaz de desviar la aguja de una brújula.

Tales de Mileto (aprox. 624-546 a.C.). Créditos: Wikipedia.

Los polos magnéticos y la brújula

La utilización de una aguja imantada como brújula en navegación se remonta a la Edad Media aunque el conocimiento de las propiedades de la brújula ya era conocido por los chinos varios siglos antes y llevado a occidente por los árabes. En China, la primera referencia al fenómeno del magnetismo se encuentra en un manuscrito del siglo IV a.C. que lleva por título Libro del amo del valle del diablo y en el que señala que “la magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por este”. La primera mención sobre la atracción de una aguja imantada aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 d.C.: “La magnetita atrae a la aguja”. El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética (o aguja de marear, como se llamaba en aquella época) y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Los chinos transmitieron sus conocimientos sobre la brújula a hindúes y árabes y fueron estos últimos los que la trajeron a Europa.

Shen Kua (1031-1095). Créditos: Wikipedia.

Alexander Neckam (1157-1217) fue el primer europeo en conseguir desarrollar la técnica de usar la brújula en navegación en 1187. Si una varilla imantada se suspende libremente en un punto de la superficie de la Tierra, la varilla se orienta en la dirección Norte-Sur. Este hecho permitió distinguir los extremos de la varilla o polos magnéticos norte (N) y sur (S) y concluir que la propia Tierra se comporta como un gran imán. Se observó, asimismo, que la fuerza entre polos del mismo nombre es repulsiva, mientras que la fuerza entre polos de distinto nombre es atractiva. A diferencia de lo que sucede con las cargas eléctricas los polos magnéticos siempre se presentan de dos en dos. No es posible tener un polo norte o un polo sur aislados y si se parte un imán para intentar separar sus polos, se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con una pareja de polos norte y sur de igual intensidad. De estos experimentos se puede concluir que no existen monopolos magnéticos libres o, al menos hasta el momento, no han sido encontrados.

En 1269, Pierre Pelèrin de Maricourt, estudioso francés del siglo XIII, ingeniero militar al servicio de Carlos de Anjou y compañero de San Luis en la primera cruzada. En sus estudios presenta la primera descripción detallada de la brújula como instrumento de navegación. Descubrió que si una aguja imantada se deja libremente en distintas posiciones sobre un imán natural esférico, se orienta a lo largo de líneas que, rodeando el imán, pasan por puntos situados en extremos opuestos a la esfera. Estos puntos fueron llamados polos del imán. También observó que los polos iguales de dos imanes se repelen entre sí y los polos distintos se atraen mutuamente. Durante el sitio de Lucerna en Italia por Carlos de Anjou en agosto de 1269, Maricourt escribe su carta sobre el magnetismo, la  Epistola ad Sigerum de Foucaucourt militem de magnete, conocida también como Epistola de magnete, que supone el primer tratado científico sobre las propiedades del los imanes.

Aguja rotatoria de una brújula en una copia de la ‘Epistola de magnete’ de Pierre de Maricourt (1269). Créditos: Wikipedia.

‘De Magnete’ y el magnetismo terrestre

William Gilbert (1544-1603), contemporáneo de Kepler y Galileo, llevó a cabo cuidadosos estudios de las interacciones magnéticas y publicó en 1600 sus resultados en un libro, “De magnete, magneticisque corporibus, et de magno magnete tellure” (Sobre los imanes, los cuerpos magnéticos y el gran imán terrestre), más conocido como De magnetela primera descripción exhaustiva del magnetismo así como la primera gran obra de la física experimental. En la primera frase del prólogo Gilbert ya deja clara cual es su forma de proceder:

“En el descubrimiento de cosas secretas y en la investigación de las causas ocultas, los experimentos seguros proporcionan y demuestran sólidos argumentos en comparación con probables conjeturas y las opiniones de los especuladores filosóficos de tipo común.”

Una parte importante de la ciencia europea tiene sus raíces en las teoría iniciales de Gilbert y su afición por los experimentos. Gilbert estudió medicina y llegó a ser un médico de prestigio y en el año 1600 fue nombrado médico personal de la reina Isabel I de Inglaterra, aunque no debió ser muy bueno en ese cometido pues la reina falleció casi inmediatamente. El único legado personal que dejó la reina antes de morir fue una suma de dinero para William Gilbert con la cual éste pudo continuar sus estudios sobre magnetismo. En sus estudios Gilbert concluyó que la Tierra puede considerarse como un imán gigante con sus polos situados cerca de los polos norte y sur geográficos. Este concepto sobrevivió a través de los siglos, y después de haber sido desarrollado matemáticamente por el gran matemático Alemán Carl Gauss, es hoy un concepto fundamental en la teoría del magnetismo terrestre. También comprobó que si se divide un imán en dos partes, se obtendrá la formación de dos nuevos polos, “es imposible obtener un polo magnético aislado”, escribió.

‘De magnete’ y William Gilbert (1544-1603). Créditos: Wikipedia.

El magnetismo era uno de los ejemplos preferidos de los magos para probar la existencia de cualidades ocultas. Gilbert llegó a comparar los efectos de los imanes con los del alma, mientras que para René Descartes (1596-1650), sus Principia philosophiae (Los principios de filosofía), señala que el magnetismo era un torrente de corpúsculos que salían del cuerpo magnético y que tenían forma de tornillos de rosca derecha o izquierda, como un sacacorchos, por lo que dependiendo de la forma harían que los objetos a los que se acercaran se movieran hacia el imán o se alejaran del mismo. De este modo, Descartes explicó el magnetismo recurriendo a un flujo de partículas que saldrían de un polo del imán y entrarían en el otro.

René Descartes (1596-1650). Créditos: Wikipedia.

En el siglo XVIII, por analogía con la electricidad, se supuso la existencia de dos fluidos magnéticos. Charles-Augustin Coulomb (1736-1806) 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 fuerza entre dos polos magnéticos varía de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los polos y de forma directa con la intensidad de los polos (medida por la fuerza que ejercen sobre un polo de valor determinado). 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.

Charles-Augustin Coulomb (1736-1806). Créditos: Wikipedia.

Gauss y los Observatorios Magnéticos

Una de las figuras claves en el desarrollo del magnetismo (y en el de otros muchos campos de la ciencia) es Carl Friedrich Gauss (1777-1855) que estableció el primer Observatorio Magnético en Gotinga e inició en él observaciones continuas sobre el magnetismo terrestre y desarrolló el primer magnetómetro. En 1832 publicó un artículo sobre la medición del campo magnético de la Tierra y describió un nuevo instrumento que consistía en un imán de barra permanente suspendido horizontalmente de una fibra de oro. La diferencia en las oscilaciones cuando la barra era magnetizada y cuando era desmagnetizada permitió a Gauss calcular un valor absoluto para la fuerza del campo magnético de la Tierra. La ley de Gauss del magnetismo, llamada así precisamente por Carl Gauss, es una de las ecuaciones fundamentales del campo electromagnético (ecuaciones de Maxwell) y una manera formal de afirmar que no existen polos magnéticos aislados (por ejemplo, un imán son polo norte o sur), es decir, monopolos magnéticos.

Wilhelm Eduard Weber (1804-1892), amigo y colaborador de Gauss, fue profesor en las Universidades de Leipzig y Gotinga, y sucedió a Gauss al frente del Observatorio Magnético de Gotinga. Weber propuso que las partículas de un cuerpo son intrínsecamente magnéticas, pero que sólo en ciertos materiales se mantienen todas ellas alineadas. Junto con su amigo Gauss inventó en 1833 un nuevo tipo de telégrafo conocido como telégrafo de Gauss-Weber.

Estatua de Weber y Gauss (sentado) en Gotinga. Créditos: Wikipedia.

Uno de las contribuciones más importantes de Weber fue el  “Atlas Des Erdmagnetismus: Nach Den Elementen Der Theorie Entworfen” (Atlas de Geomagnetismo), confeccionado en colaboración con Gauss. Este Atlas está compuesto por una serie de mapas magnéticos de la Tierra que en su día suscitaron el interés de las principales potencias del momento lo que les llevó a fundar “observatorios magnéticos”. En el año 1864, y también en colaboración con Gauss, publica Medidas Proporcionales Electromagnéticas, texto que contiene un sistema de medidas absolutas para corrientes eléctricas y que sentó las bases de las medidas quede usan hoy en día. En 1856, junto con Rudolf Kohlrausch (1809-1858), ambos demostraron que el cociente de las unidades electrostáticas y las electromagnéticas daba lugar a un número que coincidía con el valor de la velocidad de la luz conocido por aquel entonces. Este hallazgo ayudó a Maxwell a conjeturar que la luz es una onda electromagnética. También, en un artículo publicado en 1856 por Kohlrausch y Weber, fueron los primeros en utilizar la letra “c” para designar a la velocidad de la luz.

BIBLIOGRAFÍA

Peter J. BOWLER e Iwan Rhys MORUS (2007), Panorama general de la ciencia moderna (Editorial Crítica, Barcelona).

Clifford A. PICKOVER, El Libro de la Física (Ilus Books, S.L. Madrid, 2011)

George GAMOW, Biografía de la Física (Alianza Editorial. Madrid, 1980).

Javier ORDÓÑEZ, Víctor NAVARRO y José Manuel SÁNCHEZ RON, Historia de la ciencia (Espasa-Calpe. Madrid, 2007).

Mª Carmen PÉREZ DE LANDAZÁBAL y Paloma VARELA NIETO, Orígenes del electromagnetismo. Oersted y Ampère (Nívola libros y ediciones. Madrid, 2003).

Agustín UDÍAS VALLINA, Historia de la Física. De Arquímedes a Einstein (Síntesis. Madrid, 2004).

Laura MORRÓN RUIZ DE GORDEJUELA, “William Gilbert, un hombre con magnetismo”, NAUKAS, 27 de mayo de 2014.

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

Magnetismo, Wikipedia (consultado 28/04/2017).

Peter Peregrinus de Maricourt, Wikipedia (consultado 28/04/2017).

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Wilhelm Eduard Weber, Wikipedia (consultado 28/04/2017).

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Electricidad: Los orígenes

Primeros descubrimientos

El fenómeno de la electricidad era conocido desde la antigua Grecia y su nombre mismo es de origen griego. Electricidad proviene de la palabra griega electrón, es decir, “ámbar”, ya que era conocida la propiedad del ámbar de generar electricidad estática al ser frotado y atraer pequeños trocitos de tela o papel y el concepto de fuerza eléctrica tuvo su origen en experimentos muy sencillos como la frotación de dos cuerpos entre sí. Cuando se frota una varilla de vidrio o de ámbar con un trapo o una piel, aquéllas atraen pequeños trocitos de papel. Si se frota una barra de ámbar con un trozo de piel y se suspende de un hilo y se le aproxima una segunda barra de ámbar, frotada también con una piel, se observa que ambas barras se repelen. Lo mismo sucede si las dos barras son de vidrio pero frotadas con un trozo de seda. Sin embargo, si se aproxima una barra de ámbar frotada con una piel a una barra de vidrio frotada con un paño de seda, ambas suspendidas de sendos hilos, se observa que las barras se atraen entre sí. Esto permitió concluir que existían dos tipos de electricidad, la relacionada con el vidrio y la relacionada con el ámbar, de modo que los cuerpos con electricidades del mismo tipo se repelen mientras que con distinto tipo se atraen.

El fluido eléctrico

Los avances que se realizaron en la comprensión de los fenómenos relacionados con la electricidad desde la época de los griegos hasta los comienzos del siglo XIX no fueron muchos. Stephen Gray (1670-1736), tintorero de profesión, experimentador aficionado y colaborador de la Royal Society, descubrió que la electricidad se podía transmitir por un hilo metálico (a una distancia de unos 200 metros) y distinguió entre conductores y aislantes. Como en el caso del calor, la electricidad se concebía como un fluido que podía pasar de unos cuerpos a otros y, de hecho, aún hoy se habla de “fluido eléctrico”.

Experimento de Stephen Gray sobre la conducción de la electricidad.

Charles F. Dufay (1698-1739), químico y administrador del Jardín del Rey, comprendió las distintas propiedades de la electricidad de distinto signo y supuso que existían dos clases de electricidad: la producida frotando sustancias vítreas como el cristal o la mica, y la producida por el ámbar frotado, el lacre, la vulcanita y otras sustancias resinosas. Asignó a estas dos clases de electricidad unos fluidos eléctricos, uno denominado “vítreo” y el otro conocido como “resinoso”. Se suponía que los cuerpos eléctricamente neutros contenían cantidades equilibradas de ambos fluidos eléctricos, mientras que los cuerpos cargados eléctricamente tenían un exceso de electricidad resinosa o vítrea. En 1734 Dufay estableció que “la característica de ambas electricidades es que un cuerpo cargado con electricidad vítrea repele a todos los demás cargados con la misma electricidad y, por el contrario, atrae a los que poseen electricidad resinosa”.

Charles F. Dufay (1698-1739).

La botella de Leyden

Por aquella época la electricidad se almacenaba en un dispositivo denominado botella de Leyden desarrollada por Pieter van Musschenbroek (1692-1761), profesor de matemáticas de la ciudad de Leyden (Holanda), a partir de un diseño realizado por Ewald Jurgen von Kleist (1700-1748) en 1745 formado por una botella de cristal con agua sellada con un corcho a través del cual se introducía un clavo hasta tocar el agua. Para cargar eléctricamente la botella se acercaba la cabeza del clavo a la máquina de fricción. Cuando la botella estaba cargada, si se acercaba a la cabeza del clavo un cuerpo no electrificado saltaba una fuerte chispa entre ambos. Musschenbroek recubrió el interior y el exterior de la botella hasta la mitad con panes de plata, de este modo el cristal de la botella hace el papel del aislante o dieléctrico del condensador. Si el pan exterior está conectado a tierra y el interior con un cuerpo electrizado, o viceversa, la electricidad (sea vítrea o resinosa) trata de escapar al suelo pero es detenida por la capa de cristal. Este dispositivo permitía acumular grandes cantidades de electricidad y se podían extraer chispas impresionantes conectando el interior y el exterior de la botella con un alambre. La primitiva botella de Leyden se ha convertido hoy en varios tipos de condensadores.

Botella de Leyden.

Benjamin Franklin (1706-1790), que comenzó a interesarse por la física a la edad de cuarenta años, concluyó que sólo existe un tipo de fluido eléctrico (la electricidad vítrea), en vez de dos como se admitía hasta entonces, y dos tipos de estados de electrización, una como la del vidrio y otra como la del ámbar, y llamó a la primera positiva y a la segunda negativa. De este modo, si un cuerpo tiene exceso de fluido eléctrico aparece con electricidad positiva (vítrea), y si tiene defecto la tiene negativa (resinosa). Cuando dos cuerpos, uno de los cuales tiene un exceso y el otro una deficiencia de fluido eléctrico, se juntan, la corriente eléctrica debe fluir desde el primer cuerpo, donde está en exceso, al segundo, donde falta. En 1754 identificó el rayo como una descarga eléctrica después de enviar cometas a las nubes tormentosas para recoger electricidad de ellas y desde entonces se le conoce como el padre del pararrayos. La cuerda húmeda que sostenía la cometa servía como un perfecto conductor de la electricidad y con ella podían cargarse botellas de Leyden y obtener después chispas de ellas. Sus experimentos con el pararrayos y sus ideas políticas, opuestas a las monarquías absolutas, motivaron que en un busto suyo se escribiera que había “arrancado el rayo del cielo y el cetro del tirano”.

Benjamin Franklin (1706-1790).

Henry Cavendish (1731-1810), hombre extremadamente rico y extremadamente tímido y un personaje ciertamente solitario, fue uno de los primeros en utilizar el concepto de carga eléctrica. Hizo muchos experimentos y descubrimientos entre 1760 y 1800 como la medida de la capacidad de un condensador o el concepto de resistencia y desde luego fue uno de los científicos experimentales más grandes que han existido jamás. Sin embargo, sólo publicó dos artículos sobre electricidad y dejó veinte paquetes de manuscritos que quedaron en manos de sus parientes y no fueron conocidos hasta que, más de medio siglo después de la muerte de Cavendish, James Clerk Maxwell (1831-1879), por entonces director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, los puso en orden y los publicó en 1879.

Henry Cavendish (1731-1810).

La ley de Coulomb, el potencial y las máquinas electrostáticas

La ley que rige las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléctricas fue descubierta y formulada en 1785 por Charles Augustin Coulomb (1736-1806), ingeniero militar francés que trabajó para Napoleón. 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. 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.

Charles Augustin Coulomb (1736-1806) y esquema de su balanza de torsión.

Siméon Denis Poisson (1781-1840), alumno de la Escuela Politécnica de París donde tuvo de profesores a Laplace y Lagrange y donde él mismo fue más tarde profesor, fue el primero en aplicar a la electricidad las ideas de Pierre Simon de Laplace (1749-1827) sobre el potencial gravitatorio. Introdujo el concepto de “potencial eléctrico” y en 1811 lo aplicó a la distribución de electricidad sobre una superficie en su obra “Memoria sobre la distribución de la electricidad sobre la superficie de los cuerpos conductores”. Poisson siguió pensando en términos de dos fluidos eléctricos aunque realmente estaba más interesado en la formalización matemática de las fuerzas entre cuerpos electrificados que la explicación física de los dos fluidos.

A pesar de los avances realizados en la comprensión de los fenómenos eléctricos, durante todo el siglo XVIII la única fuente de electricidad eran los generadores electrostáticos de rotación, tales como las construidas por Otto von Guericke (1602-1686), que producían electricidad estática por fricción y sólo eran capaces de suministrar descargas transitorias, lo que dificultaba el avance del estudio de la electricidad. Por esta razón, los primeros generadores electrostáticos son llamados máquinas de fricción al emplear la fricción como base en el proceso de generación. Era necesario, sin embargo, descubrir la forma de obtener un suministro estable y continuo de electricidad, es decir, de producir corriente eléctrica.

El galvanismo y la pila eléctrica

El precursor del descubrimiento de la corriente eléctrica continua fue el médico italiano Luigi Galvani (1737-1798) que estudió el efecto de la electricidad sobre los animales, siendo famosos sus experimentos con ancas de ranas realizados con máquinas eléctricas y botellas de Leyden. Galvani realizó un experimento, fechado el 20 de septiembre de 1786 en el diario de su laboratorio, en el cual empleaba una horquilla con un diente de cobre y otro de hierro con los cuales tocaba el nervio y el músculo del anca de una rana, la cual se contraía rápidamente a cada toque.

Experiencias de Galvani con ancas de rana.

Sin embargo, fue el también italiano Alessandro Volta (1745-1827) quien interpretó que los dos metales juntos (hierro y cobre) de los experimentos de Galvani producían la corriente eléctrica después de sumergirlos en una solución salina y las ancas de rana sólo reaccionaban ante ella. Volta llamó “galvanismo” a este fenómeno y hacia 1800 fue capaz de producir una corriente eléctrica con una pila de discos de estaño o zinc y cobre o plata alternados y separados por otros de cartón impregnados de una solución de sal. De esta pila de disco es de donde proviene el nombre de “pila” voltaica que se ha generalizado para designar a las baterías eléctricas de este tipo. Napoleón se interesó mucho por los descubrimientos de Volta y mandó construir una gran pila voltaica en la Escuela Politécnica de París.

Alessandro G. Volta (1745-1827).

Humphry Davy (1778-1829), científico de la Royal Institution de Londres, explicó en 1807 que el proceso generador de la electricidad lo constituyen los cambios químicos en la pila. Davy utilizó la pila de Volta para separar metales introduciendo los electrodos en disoluciones de sales, iniciando el proceso de electrolisis. Como anécdota señalar que ante la pregunta de cuál había sido su mayor descubrimiento, las respuesta de Davy fue “mi mayor descubrimiento ha sido Michael Faraday”. Precisamente Michael Faraday (1791-1867), trabajando con Davy, descubrió las leyes de la electrólisis.

Circuitos eléctricos

Georg Simon Ohm (1878-1854) aplicó al fenómeno de la electricidad por un alambre algunos descubrimientos hechos por Fourier sobre la propagación del calor, mediante una analogía entre la corriente eléctrica y la transmisión del calor. Obtuvo la relación entre diferencia de potencial, intensidad de corriente y resistencia conocida como ley de Ohm. Publicó sus resultados en un artículo titulado “el circuito galvánico investigado matemáticamente” y publicado en 1827. Sin embargo, su trabajo tuvo una mala acogida y hubo que esperar para que fuera reconocido hasta 1845, año en el que Gustav Kirchhoff (1824-1887), siendo estudiante en Könisberg, formuló las dos leyes de los circuitos que llevan su nombre: la ley de los nudos, relacionada con la conservación de la carga eléctrica, y la ley de las mallas, relacionada con la conservación de la energía.

Georg Simon Ohm (1878-1854).

BIBLIOGRAFÍA

Peter J. BOWLER e Iwan Rhys MORUS (2007), Panorama general de la ciencia moderna (Editorial Crítica, Barcelona).

José Antonio DÍAZ-HELLÍN (2001), El gran cambio de la Física. Faraday (Nívola libros y ediciones, Madrid).

George GAMOW (1980), Biografía de la Física (Alianza Editorial, Madrid).

Gerald HOLTON y Stephen G. BRUSH (1988), Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas (Editorial Reverté, Barcelona).

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Mª Carmen PÉREZ DE LANDAZÁBAL y Paloma VARELA NIETO (2003), Orígenes del electromagnetismo. Oersted y Ampère (Nívola libros y ediciones, Madrid).

Agustín UDÍAS VALLINA (2004), Historia de la Física. De Arquímedes a Einstein (Editorial Síntesis, Madrid).

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

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Tema 7. Ondas electromagnéticas

Las leyes de Faraday y de Ampère-Maxwell indican la posibilidad de transmitir una señal de un lugar a otro mediante un campo electromagnético dependiente del tiempo. A finales del siglo XIX Hertz (1857-1894) demostró experimentalmente que un campo magnético variable con el tiempo se propaga en el vacío con una velocidad igual a la de la luz. Antes de que Hertz realizará sus experimentos Maxwell ya había predicho teóricamente la existencia de las ondas electromagnéticas. La importancia técnica de las ondas electromagnéticas sobre todo en el campo de las telecomunicaciones es de todos conocida. Se repasan inicialmente las ecuaciones de Maxwell y se estudian las ondas electromagnéticas planas. Las ecuaciones de Maxwell para el campo electromagnético en el vacío (es decir, en una región sin cargas libres ni corrientes) admiten como solución especial un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí y que se propagan en una dirección perpendicular a ambos. A continuación se estudia del vector de Poynting, la densidad de energía, la intensidad y la presión de radiación de las ondas electromagnéticas planas. Tras discutir el fenómeno de la dispersión de ondas electromagnéticas se presenta el espectro de la radiación electromagnética indicando algunas de sus aplicaciones.

Espectro electromagnético

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Tema 6. Movimiento ondulatorio

El estudio del movimiento oscilatorio sirve de punto de partida para abordar el estudio de las ondas en este tema. El movimiento ondulatorio aparece en casi todas las ramas de la Física y a nosotros nos servirá para posteriormente estudiar los temas dedicados a las ondas electromagnéticas, las ondas luminosas, la interferencia y la difracción. Todos estamos familiarizados con las ondas en el agua y también ondas sonoras, lo mismo que ondas de luz, ondas de radio y otras ondas electromagnéticas. La dificultad inherente al concepto de onda hace que, para introducirlas, sea preciso utilizar ondas tangibles como las de la superficie de un líquido, las de un muelle o las de una cuerda tensa, es decir, ondas mecánicas, a pesar de que las ondas que estudiaremos en esta asignatura no son ondas mecánicas (como sucede en la asignatura Acústica, también de primer curso), sino ondas electromagnéticas. Se comienza mostrando qué es una onda y dejando claro que una onda transporta momento lineal y energía, pero no materia, y se distingue entre ondas longitudinales y transversales.

Analizando la propagación de una perturbación en una dirección, considerando que no se deforma y que su velocidad de propagación es constante, se obtiene la forma general de la función de onda que corresponde a una onda viajera así como la ecuación de onda, cuya solución es precisamente la función de onda. En esta ecuación diferencial aparece la velocidad de propagación de la onda y, de hecho, del análisis de esta ecuación diferencial para cada caso es posible identificar la velocidad de propagación. También se estudia el caso particular de ondas armónicas así como las ondas en dos y tres dimensiones, y se analizan también cuestiones relativas a la intensidad y la absorción de energía por el medio y se finaliza con un análisis de la velocidad de fase y la velocidad de grupo.

Puedes visualizar un vídeo en el que se estudian las ondas estacionarias en una cuerda de la colección de “Experiencias de Física” de la Universidad de Alicante.

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