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Esta predicción puede ser correcta. Pero Feynman también sabía que Maxwell no descubrió todas las leyes de la electrodinámica a la vez, por lo que si tuviera que elegir una fecha representativa, probablemente elegiría el 27 de octubre de 1864. Maxwell explicó su artículo "La teoría dinámica del campo electromagnético" a los miembros de la Royal Society ese día. Un año después, Maxwell publicó formalmente su nueva teoría radical. Toda la teoría era todavía muy extensa en ese momento, pero más tarde sus seguidores la refinaron en cuatro famosas ecuaciones. En cualquier caso, tiene sentido llamar a estas ecuaciones ecuaciones de Maxwell. Por eso hoy celebramos su 150 cumpleaños.
Antes de 1820, los científicos creían que la electricidad y el magnetismo eran dos fenómenos completamente diferentes. Más tarde, Hans Christian Oersted informó de un resultado sorprendente: cuando colocó una brújula magnetizada cerca de un cable con corriente, la brújula se movía en un ángulo perpendicular al cable. Los científicos de todo el mundo se sorprendieron e inmediatamente comenzaron a estudiar la relación entre la electricidad y el magnetismo. Uno de ellos fue Michael Faraday.
James Clerk Maxwell fue la figura más influyente de la física del siglo XIX.
Faraday era hijo de un herrero de Londres y fue autodidacta. A la edad de 29 años trabajó para Humphrey Davy de la Royal Institution. Como químico analítico, era conocido por su ingenio, sensibilidad y confiabilidad. Sólo cuando todo lo demás estuvo hecho, comenzó a experimentar con la electricidad y el magnetismo. No entendía matemáticas, por lo que era, al menos superficialmente, deficiente en comparación con sus contemporáneos mejor educados. Pero, por otro lado, esta carencia se ha convertido en su ventaja y puede pensar con más libertad que los demás. Hizo muchas preguntas que otros no habían considerado, diseñó experimentos en los que otros no habían pensado y vio oportunidades que otros habían perdido.
Su contemporáneo André-Marie Ampel repitió los experimentos de Auster con una velocidad asombrosa. En unos pocos meses se desarrolló toda una teoría matemática. Dijo que cualquier circuito eléctrico crea una fuerza magnética que lo atraviesa. La teoría de Ampère, como antes la de Coulomb, se basó en la teoría de la gravitación universal de Newton. Coulomb creía que la energía eléctrica lineal y la fuerza magnética se producían inmediatamente entre cargas puntuales y polos magnéticos. Estas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia. Ampere calculó la fuerza magnética producida por un cable que transporta corriente tratando el cable que transporta corriente como segmentos de corriente infinitesimales conectados en serie, y tratando cada segmento de corriente infinitesimal como un punto. Para calcular la fuerza magnética producida por un cable que transporta corriente, simplemente sume matemáticamente los efectos de todos los segmentos de corriente.
En opinión de Faraday, era un error decir que la brújula en el experimento de Oersted estaba impulsada por un conjunto de fuerzas gravitacionales lineales y la fuerza repulsiva entre ésta y el cable. Pensó que eran los cables energizados los que creaban una fuerza circular en el espacio circundante. Probó esta idea con un experimento ingenioso y sencillo. Faraday fijó un imán verticalmente en el centro de un pequeño recipiente y vertió mercurio en el recipiente hasta que sólo la parte superior del imán quedó expuesta. Luego metió un alambre en el mercurio. Cuando aplica electricidad, los cables y el mercurio forman parte del circuito. La punta del alambre en contacto con el mercurio gira rápidamente alrededor del imán. Construyó el primer motor eléctrico del mundo.
Ampere había demostrado cómo producir magnetismo a partir de electricidad, por lo que ciertamente era posible producir electricidad a partir de magnetismo. Sin embargo, los científicos lo intentaron durante diez años y fracasaron. Luego, en 1831, Faraday descubrió por qué este objetivo era inalcanzable: para generar una corriente eléctrica en un conductor, es necesario cambiar el estado del campo magnético del espacio que rodea al conductor. Todo lo que tienes que hacer es mover un imán alrededor del circuito (o viceversa) y el circuito tendrá corriente. Pero, ¿cuál es exactamente el estado del campo magnético en el espacio? Faraday recordó la distribución de limaduras de hierro alrededor del imán sobre el papel blanco. Estaba convencido de que el imán no era simplemente un trozo de hierro con características interesantes, sino que era el centro de la distribución espacial de toda la curva del campo magnético y que las líneas del campo magnético realmente existían. Y el fenómeno no es sólo ferromagnético: existen líneas de fuerza magnéticas similares alrededor de circuitos conductores.
Faraday llegó a más conclusiones. A través de pruebas, concluyó que cada objeto cargado eléctricamente es la fuente de una línea eléctrica que se curva en el espacio. A diferencia de las líneas de campo magnético circulares continuas (que no terminan en el imán, sino que lo atraviesan), las líneas de campo magnético siempre van desde un objeto con carga positiva en un lugar hasta un objeto con carga negativa en otro lugar. Entonces, cada carga positiva se equilibra con una carga negativa en otra parte. Al mismo tiempo, observó que ni el efecto magnético ni el efecto eléctrico eran instantáneos, y ambos tardaban un tiempo en surtir efecto. Según tiene entendido, este es el tiempo que tarda el sistema en establecer estas líneas de campo eléctrico y magnético.
El científico británico Mike Faraday (retrato) ayudó a Maxwell a desarrollar la teoría unificada del electromagnetismo.
Faraday y otros científicos pensaban de manera muy diferente. En general, los científicos todavía creen que la electricidad y el magnetismo interactúan con objetos físicos dentro de una cierta distancia y que el papel del espacio es negativo. El astrónomo real Sir George Beadle Airy habló en nombre de muchos cuando describió las líneas de fuerza electromagnéticas de Faraday como "vagas y variables". Esto es comprensible. Su teoría habitual de la acción a distancia tenía fórmulas claras, pero la teoría de Faraday no proporcionaba fórmulas. Aunque respetaban a Faraday como un experimentador extraordinario, la mayoría de los científicos creían que no entendía matemáticas y, por lo tanto, carecía de una base teórica.
Faraday entendía sus opiniones, por lo que fue muy cauto a la hora de publicar su teoría de las líneas de fuerza electromagnéticas. Sólo tuvo una aventura. Corría el año 1846 y uno de sus colegas, Charles Wheatstone, quiso dar una conferencia sobre su invento en la Royal Academy, pero se acobardó. Entonces Faraday decidió dar su propia conferencia. Antes de que se acabara el tiempo asignado, comenzó a hablar fuera del anuncio. Bajó la guardia y expresó sus pensamientos más privados. Contó a su audiencia acerca de la teoría electromagnética de la luz con una previsión asombrosa. Especuló que todo el espacio estaba lleno de líneas eléctricas y líneas de campo magnético. Las vibraciones transversales de estos cables, cuando se perturban, envían ondas de energía a velocidades rápidas pero finitas a lo largo de la dirección de los cables. Dijo que la luz probablemente era el reflejo de vibraciones luminosas.
Ahora sabemos que estaba muy cerca de la verdad. Pero a los colegas de Faraday las vibraciones de la luz les parecían tan absurdas como un mito. Tanto es así que los partidarios de Faraday se sintieron avergonzados y el propio Faraday lamentó haber relajado su defensa ideológica. Dejó muy atrás a sus contemporáneos y tuvieron que pasar cuarenta años antes de que alguien revelara la verdadera grandeza de Faraday. Los pensamientos de esta persona son muy consistentes y complementarios a las habilidades de Faraday. Este hombre es James Clerk Maxwell.
La carrera de Maxwell fue sorprendentemente corta (murió a los 48 años). Hizo importantes descubrimientos en todas las ramas de la física en las que trabajó. Pero su mayor trabajo fue sobre campos eléctricos y magnéticos, al igual que Faraday. Maxwell nació en una familia noble escocesa. Fue a la mejor escuela secundaria de Edimburgo y luego a las universidades de Edimburgo y Cambridge. Terminó segundo en el examen de Matemáticas con Honores de Cambridge y recibió una licenciatura. Posteriormente, comenzó a leer los experimentos eléctricos de Faraday. Maxwell se sintió repentinamente atraído por la franqueza de Faraday: el gran hombre hizo públicos sus éxitos y fracasos, expresó sus ideas maduras y toscas. Siguiendo leyendo, Maxwell vio el verdadero poder de esta obra: la idea de dar un gran salto antes de intentar comprender. Según Maxwell, el concepto de línea tiene significado en el espacio. Aunque Faraday lo expresó con palabras, esencialmente se puede expresar en matemáticas. Comenzó a utilizar el poder de las matemáticas para difundir las ideas de Faraday. En nueve años superó tres etapas sorprendentes y lo consiguió.
Maxwell era muy bueno encontrando similitudes en diferentes áreas de la naturaleza. En 1856, comenzó a utilizar un fluido uniforme virtual incompresible para comparar líneas de fuerza eléctrica y líneas de campo magnético: la velocidad y dirección del fluido en una región espacial representaban la densidad y dirección de las líneas de campo magnético. De este modo, demostró que las fuerzas electrostáticas y magnéticas podían derivarse de la teoría tradicional de la interacción a distancias. Este es un logro notable. Pero Maxwell no sabía cómo lidiar con las cambiantes líneas de fuerza en ese momento. Como de costumbre, se fue a hacer otro trabajo, pero estos pensamientos se estaban gestando en su cabeza.
Seis años después, tenía un nuevo modelo.
Imaginó que el espacio estaba lleno de pequeñas bolas que podían girar y separarse por partículas más pequeñas. Esas pequeñas partículas son como rodamientos de bolas de acero. Maxwell creía que estas bolas eran pequeñas, tenían una masa limitada y cierta elasticidad. De este modo, las líneas eléctricas y las líneas de campo magnético se pueden comparar con sistemas mecánicos. Entonces, cualquier cambio en una bola provocará cambios en las otras bolas. Este excelente modelo derivó todas las famosas ecuaciones electromagnéticas y predijo que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas está determinada únicamente por las propiedades básicas del electromagnetismo. Esta velocidad es sólo 1,5 diferente de la velocidad experimental de la luz. Es un resultado sorprendente, pero los científicos no dicen nada al respecto. Creen que cualquier subcampo de la física tiene como objetivo comprender las verdaderas leyes de la naturaleza. Creían que el modelo de Maxwell no era original y que los intentos de utilizarlo para explicar el electromagnetismo y la luz eran defectuosos. Todo el mundo espera que el próximo paso de Maxwell sea perfeccionar el modelo. Pero no lo hizo. Dejó los modelos a un lado y construyó la teoría desde cero utilizando únicamente principios dinámicos.
Dos años más tarde, los resultados de la investigación se publicaron en el artículo "Theory of Electromagnetic Field Dynamics". En este modelo, el medio ubicuo reemplaza las partículas giratorias del modelo anterior. El medio tiene inercia y elasticidad, pero no dio más detalles sobre sus propiedades mecánicas. Como un truco de magia, utilizó el método de Joseph Louis Lagrange de tratar el sistema dinámico como una "caja negra": siempre que describiera algunas características comunes del sistema, podía crear un sistema dinámico sin conocer el mecanismo específico. aporte. De esta forma tenía las ecuaciones del campo electromagnético, un total de 20 ecuaciones. El 18 de octubre de 1864, dijo en su ponencia ante la Royal Society que el público no tenía idea de qué hacer con él. Ya es bastante malo que una teoría se base en un modelo extraño; una teoría que no se basa en ningún modelo es simplemente incomprensible.
Hasta la muerte de Maxwell en 1879, unos años después, nadie podía entender realmente su teoría. Era como si estuviera expuesta en una caja de cristal, ampliamente admirada pero nadie podía acercarse a ella. Más tarde, el operador de telégrafos autodidacta Oliver Heaviside hizo más accesible esta teoría. En 1885, resumió esta teoría en las cuatro ecuaciones de Maxwell que conocemos ahora:
Aquí e y h son los vectores de las fuerzas eléctricas y magnéticas en cualquier punto del espacio, y ε y μ son las fuerzas eléctricas y magnéticas. fuerzas magnéticas en cualquier punto del espacio y las constantes fundamentales del magnetismo, ρ es la densidad de carga y j es el vector de densidad de corriente. Las dos primeras ecuaciones expresan sucintamente la ley del cuadrado inverso de la electricidad y el magnetismo. La tercera y cuarta ecuaciones definen la relación entre electricidad y magnetismo, indicando que las ondas electromagnéticas existen y se propagan a una velocidad de 1/√(με).
Heaviside utilizó el análisis vectorial para simplificar enormemente la expresión de ecuaciones. Los vectores tridimensionales están representados por una letra, detrás de escena el potencial de empuje y el potencial del vector magnético. En 1888, Heinrich Hertz descubrió las ondas electromagnéticas, lo que promovió enormemente el interés de la gente por la teoría electromagnética. La gente recurrió a la versión refinada de Havisham en lugar de la versión original de Maxwell.
Para contar esta historia completamente, necesitamos sumar tres puntos. En primer lugar, Maxwell podría haber simplificado y comprimido fácilmente la teoría, pero creía que era mejor mantenerla algo abierta. Muchos años después, su sabiduría surgió: Richard Feynman y otros desarrollaron la electrodinámica cuántica, que explotaba la energía potencial original rechazada por Haweiser. El segundo punto es que Maxwell nombró los símbolos de las operaciones, como divergencia y curvatura. En tercer lugar, Maxwell utilizó vectores en sus artículos sobre electricidad y magnetismo, pero trató las expresiones vectoriales como opciones adicionales. Sus vectores se derivaron de los complejos cuaterniones de William Ron Hamilton. La mayoría de la gente se mostraba reacia a utilizar un sistema vectorial tan complejo, y no fue hasta que Hevesey introdujo un sistema mucho más simple que empezaron a aceptarlo.
Considere este último punto: aunque Maxwell nunca lo persiguió deliberadamente, su sistema de ecuaciones reveló que la velocidad de la luz es 1/√(με), independiente de las velocidades relativas del observador y la fuente de luz. Esto lleva a la teoría especial de la relatividad de Einstein, E = mc. Entonces, quizás la fórmula más famosa del mundo sea E = m/με. Sólo así se podrán reflejar las aportaciones conjuntas de Einstein y Maxwell.
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Fuente|Red de radiofrecuencia de microondas
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