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LA INDUCCIÓN MAGNÉTICA
Cuando movemos un imán permanente por el interior de una bobina solenoide formada por un
enrollado de alambre de cobre con núcleo de aire, el campo magnético del imán provoca en las espiras
del alambre la aparición de una fuerza electromotriz (FEM) o flujo de corriente de electrones. Este
fenómeno se conoce como “inducción magnética”. La existencia de ese flujo de electrones o corriente
eléctrica circulando por las espiras del alambre se puede comprobar instalando un galvanómetro (G) en
el circuito de la bobina solenoide, tal como se muestra a continuación.
Cuando movemos un imán permanente por el interior de las espiras de alambre de cobre de una
bobina.solenoide, se induce una fuerza electromotriz (FEM) o flujo de corriente eléctrica producida por
el campo.magnético que movemos manualmente. Por medio de un instrumento denominado
galvanómetro (G).conectado al circuito de la bobina solenoide, se puede comprobar la existencia de
esa fuerza.electromotriz o corriente eléctrica circulando por las espiras del alambre de cobre. El
galvanómetro.constituye un instrumento destinado a medir corrientes eléctricas de muy poca tensión e
intensidad.
En la ilustración de la izquierda se puede apreciar que al introducir un imán permanente por el interior
de la bobina solenoide (A), con el polo norte (N) hacia abajo, la aguja del galvanómetro (G) se desvía
hacía la derecha. Pero si invertimos la polaridad del imán e introducimos su polo sur dentro de las
espiras de la bobina, tal como se puede observar en la parte derecha de la misma ilustración, veremos
que la aguja se desvía hacia el lado contrario, debido a que el sentido del movimiento del flujo de
electrones por el alambre de cobre cambia al invertirse la polaridad del imán.
Si dejamos de mover el imán no se producirá inducción magnética alguna y la aguja del galvanómetro
se detiene en “0”, indicando que tampoco hay flujo de corriente. Eso demuestra que para que exista
inducción magnética y se genere una fuerza electromotriz (FEM) o corriente eléctrica en el enrollado de
una bobina, no sólo se precisa la existencia de un campo magnético, sino que éste se encuentre en
movimiento, para lo cual será necesario que el imán se desplace continuamente por el interior del
enrollado de la bobina. Si a continuación sustituimos el galvanómetro en el circuito de la bobina (A) e
instalamos en su lugar otra bobina solenoide (B) y movemos de nuevo el imán por el interior de (A), se
creará un campo “electromagnético” en (B), provocado por la corriente eléctrica que fluye ahora por las
espiras de esa segunda bobina.
La generación de la corriente eléctrica o fuerza electromotriz que se produce.por “inducción magnética”
cuando movemos un imán por el interior de la.bobina solenoide (A), provoca la circulación de corriente
eléctrica por la.bobina (B) y la aparición a su alrededor de un “campo electromagnético”.durante todo el
tiempo que mantengamos moviendo el imán por el interior de.la bobina (A).
LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
Cuando movemos un imán permanente por el interior de
las espiras de una bobina solenoide (A), formada por
espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una
fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente
eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida
por la “inducción magnética” del imán en movimiento.
Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una
segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente
al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un
“campo electromagnético”, capaz de inducir, a su vez,
corriente eléctrica en una tercera bobina.
Por ejemplo, si colocamos una tercera bobina solenoide (C) junto a la bobina (B), sin que exista entre
ambas ningún tipo de conexión ni física, ni eléctrica y conectemos al circuito de esta última un
galvanómetro (G), observaremos que cuando movemos el imán por el interior de (A), la aguja del
galvanómetro se moverá indicando que por las espiras
de (C), fluye corriente eléctrica provocada, en este caso,
por la “inducción electromagnética” que produce la
bobina (B). Es decir, que el “campo magnético” del imán
en movimiento produce “inducción magnética” en el
enrollado de la bobina (B), mientras que el “campo
electromagnético” que crea la corriente eléctrica que fluye
por el enrollado de esa segunda bobina produce “inducción
electromagnética” en una tercera bobina que se coloque a
su lado.
El campo magnético del imán en movimiento dentro de la bobina solenoide (A), provoca que,
por.“inducción magnética”, se genere una corriente eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) en esa
bobina. Si.instalamos al circuito de (A) una segunda bobina (B), la corriente eléctrica que comenzará a
circular por.sus espiras, creará un “campo electromagnético” a su alrededor, capaz de inducir, a su vez,
pero ahora.por “inducción electromagnética”, una corriente eléctrica o fuerza electromotriz en otra
bobina (C). La.existencia de la corriente eléctrica que circulará por esa tercera bobina se podrá
comprobar con la ayuda.de un galvanómetro (G) conectado al circuito de esa última bobina.
Conectemos ahora una pila al circuito de una bobina solenoide (S1) y un galvanómetro al circuito de
una segunda bobina solenoide (S2). El circuito que forman la pila y la bobina solenoide S1 se encuentra
cerrado por medio de un interruptor, por lo que la corriente que suministra la pila, al fluir por las espiras
del alambre de cobre de la bobina, crea un campo magnético constante fijo a su alrededor, que no
induce corriente alguna en la bobina S2, tal como se puede
observar en la aguja del galvanómetro, que se mantiene en “0”
Pero si ahora moviéramos la bobina S1 hacia arriba y hacia
abajo, manteniendo fija en su sitio a la bobinaS2, el campo
electromagnético de la bobina S1, ahora en movimiento,
inducirá una corriente eléctrica en la bobina S2, cuyo flujo o
existencia registrará la aguja del galvanómetro.
También, si en lugar de mover la bobina S1 abrimos y cerramos
ininterrumpidamente el interruptor del circuito de la pila, la fuerza
contraelectromotriz que se crea cada vez que se abre el circuito
interrumpiendo la formación del campo electromagnético, inducirá
también una corriente eléctrica en la bobina S2, que registrará el
movimiento de la aguja del galvanómetro.
Sin embargo, como se comprenderá para provocar la inducción magnética o la electromagnética no
resulta nada práctico mantener un imán en movimiento por dentro
de una bobina de forma manual, ni mover una bobina de igual
forma, ni tampoco abrir y cerrar manualmente un interruptor para
hacer que se induzca corriente eléctrica en otra bobina. En la
práctica, la solución tecnológica más utilizada es conectar una de
las bobinas a una fuente de corriente alterna, para que el cambio
constante de polaridad, propio de este tipo de corriente, provoque
la formación de un campo electromagnético variable capaz de
inducir por sí mismo corriente eléctrica, igualmente alterna, en otra
bobina colocada a su lado.
La corriente eléctrica alterna circulando por una bobina (S1) crea a su alrededor un
campo.electromagnético variable, capaz de inducir por sí mismo corriente alterna en otra
bobina (S2) colocada a.su lado.
Normalmente la bobina S1 se denomina “enrollado primario”, mientras que la bobina S2 recibe el
nombre de “enrollado secundario” y ambas constituyen la base del funcionamiento de los
transformadores eléctricos. En ocasiones se pueden encontrar ambos enrollados colocados uno encima
de otro formando una bobina de un solo cuerpo. Por otra parte, si en lugar tener la bobina el interior
hueco (núcleo de aire) se enrolla sobre un núcleo de hierro, las líneas de fuerza electromagnéticas se
intensifican, convirtiéndose en u electroimán, capaz de atraer cuerpos metálicos. El fenómeno de la
inducción electromagnética fue descubierto en 1831 por el físico inglés Michael Faraday (Newington,
Inglaterra, 1791 – Londres, 1867).
QUÉ ES LA FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM)
Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o
dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de
potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de
bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.
A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se
establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la
batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o
resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un
flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la
fuente de FEM o batería.
Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energía eléctrica, entre los que podemos citar:
Pilas o baterías. Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan energía eléctrica
por medios químicos. Las más comunes y corrientes son las de carbón-zinc y las alcalinas, que cuando
se agotan no admiten recarga. Las hay también de níquel-cadmio (NiCd), de níquel e hidruro metálico
(Ni-MH) y de ión de litio (Li-ion), recargables. En los automóviles se utilizan baterías de plomo-ácido,
que emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito ácido sulfúrico mezclado con agua
destilada.
Máquinas electromagnéticas. Generan energía eléctrica utilizando medios magnéticos y mecánicos. Es el
caso de las dinamos y generadores pequeños utilizados en vehículos automotores, plantas eléctricas
portátiles y otros usos diversos, así como los de gran tamaño empleados en las centrales hidráulicas, térmicas
y atómicas, que suministran energía eléctrica a industrias y ciudades.
NTRO.LA INDUCCIÓN ELECTROMA ...
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos
variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este fenómeno introdujo una
cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. Maxwell consiguió reunir en una sola teoría
los conocimientos básicos sobre la electricidad y el magnetismo. Su teoría electromagnética
predijo, antes de ser observadas experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas.
Hertz comprobó su existencia e inició para la humanidad la era de las telecomunicaciones.
El descubrimiento, debido a Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético
estimuló la imaginación de los físicos de la época y multiplicó el número de experimentos en busca de
relaciones nuevas entre la electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea
inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos y otros
menos conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que también la naturaleza apostaba
por tan atractiva idea. Pero fue Faraday el primero en precisar en qué condiciones podía ser observado
semejante fenómeno. A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Faraday las
llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a
partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.
La inducción electromagnética constituye una pieza destacada en ese sistema de relaciones mutuas
entre electricidad y magnetismo que se conoce con el nombre de electromagnetismo. Pero, además, se
han desarrollado un sin número de aplicaciones prácticas de este fenómeno físico. El transformador que
se emplea para conectar una calculadora a la red, la dinamo de una bicicleta o el alternador de una gran
central hidroeléctrica son sólo algunos ejemplos que muestran la deuda que la sociedad actual tiene
contraída con ese modesto encuadernador convertido, más tarde, en físico experimental que fue Michael
Faraday.
Las experiencias de Faraday
Las experiencias que llevaron a Faraday al descubrimiento de la inducción electromagnética pueden ser
agrupadas en dos categorías: experiencias con corrientes y experiencias con imanes. En primer lugar
preparó dos solenoides, uno arrollado sobre el otro, pero aislados eléctricamente entre sí. Uno de ellos lo
conectó a una pila y el otro a un galvanómetro y observó cómo cuando accionaba el interruptor del primer
circuito la aguja del galvanómetro del segundo circuito se desplazaba, volviendo a cero tras unos
instantes. Sólo al abrir y al cerrar el interruptor el galvanómetro detectaba el paso de una corriente que
desaparecía con el tiempo. Además, la aguja se desplazaba en sentidos opuestos en uno y otro caso.
En el segundo grupo de experiencias Faraday utilizó un imán recto y una bobina conectada a un
galvanómetro. Al introducir bruscamente el imán en la bobina observó una desviación en la aguja,
desviación que desaparecía si el imán permanecía inmóvil en el interior de la bobina. Cuando el imán era
retirado la aguja del galvanómetro se desplazaba de nuevo, pero esta vez en sentido contrario. Cuando
repetía todo el proceso completo la aguja oscilaba de uno a otro lado y su desplazamiento era tanto
mayor cuanto más rápido era el movimiento del imán entrando y saliendo en el interior de la bobina. Lo
mismo sucedía cuando mantenía quieto el imán y movía la bobina sobre él.
La representación del campo magnético en forma de líneas de fuerza permitió a Faraday encontrar una
explicación intuitiva para este tipo de fenómenos. Para que se produjera una corriente inducida en la
bobina era necesario que las líneas de fuerza producidas por el imán fueran cortadas por el hilo
conductor de la bobina como consecuencia del movimiento de uno u otro cuerpo. En el primer grupo de
experiencias, las líneas de fuerza, al aparecer y desaparecer junto con la corriente debida a la pila,
producían el mismo tipo de efectos.
Las experiencias anteriores a las de Faraday, al no tener en cuenta los aspectos dinámicos, o de cambio
con el tiempo, de esta clase de fenómenos, no pudieron detectar este tipo de corrientes que aparecen en
un circuito eléctrico sin que exista dentro del propio circuito ninguna pila que las genere.
LA NOCIÓN DE FLUJO MAGNÉTICO
Flujo magnético
La representación de la influencia magnética de un imán o de una corriente eléctrica en el espacio que
les rodea mediante líneas de fuerza fue ideada por Faraday y aplicada en la interpretación de la mayor
parte de sus experimentos sobre electromagnetismo. Mediante este tipo de imágenes Faraday
compensaba su escasa preparación matemática, apoyándose así su enorme habilidad gráfica y su no
inferior intuición científica. La noción de flujo magnético recoge esa tradición iniciada por Faraday de
representar los campos mediante líneas de fuerza, pero añade, además, un significado matemático.
Cuando se observa, con la ayuda de limaduras de hierro, el campo magnético creado por un imán recto,
se aprecia que, en los polos, las líneas de fuerza están más próximas y que se separan al alejarse de
ellos. Dado que la intensidad del campo magnético B disminuye con la distancia a los polos, parece
razonable relacionar ambos hechos y establecer por convenio una proporcionalidad directa entre la
intensidad del campo B y la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan una superficie de referencia
unidad. Cuanto más apretadas están las líneas en una región, tanto más intenso es el campo en dicha
región.
El número de líneas de fuerza del campo B que atraviesa una superficie unidad depende de cómo esté
orientada tal superficie con respectó a la dirección de aquéllas. Así, para un conjunto de líneas de fuerza
dado, el número de puntos de intersección o de corte con la superficie unidad será máximo para una
orientación perpendicular y nulo para una orientación paralela. El número de líneas de fuerza del
campo B que atraviesa perpendicularmente una superficie constituye entonces una forma de expresar el
valor de la intensidad de dicho campo.
Se define el flujo del campo magnético B a través de una superficie, y se representa por la letra griega ð,
como el número total de líneas de fuerza que atraviesan tal superficie. En términos matemáticos, para un
campo magnético constante y una superficie plana de área S, el flujo magnético se expresa en la forma:
ɸ = B · S · cos ω
siendo ω el ángulo que forman las líneas de fuerza (el vector B) con la perpendicular a la superficie.
Dicha ecuación recoge, mediante el cos ω , el hecho de que el flujo varíe con la orientación de la
superficie respecto del campo B y también que su valor dependa del área S de la superficie atravesada.
Para ω=0 (intersección perpendicular) el flujo es máximo e igual a B · S; para ω= 90º (intersección
paralela) el flujo es nulo
La idea de flujo se corresponde entonces con la de «cantidad» de campo magnético que atraviesa una
superficie determinada. En el Sistema Internacional se expresa en wéber (Wb). Un wéber es el flujo
magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz
de 1 volt si se anula dicho flujo en 1 segundo por crecimiento uniforme.
La ley de Faraday-Henry
Independientemente de Faraday, Joseph Henry, en los Estados Unidos, había observado que un campo
magnético variable produce en un circuito próximo una corriente eléctrica. Los resultados concordantes
de las experiencias de ambos físicos pueden resumirse en un enunciado que se conoce como ley de
Faraday-Henry: La fuerza electromotriz inducida en un circuito es proporcional a la rapidez con la
que varía el flujo magnético que lo atraviesa.
O en forma matemática:
siendo ἐ la fuerza electromotriz inducida y
la variación de flujo magnético que se produce en el
intervalo de tiempo . De acuerdo con esta ecuación, la magnitud de f.e.m. inducida coincide con lo que
varía el flujo magnético por unidad de tiempo.
La presencia de la fuerza electromotriz ἐ en la ley de Faraday-Henry en lugar de la intensidad de
corriente (ambas son proporcionales entre sí), resalta una característica de la inducción, a saber, su
capacidad para sustituir a un generador, es decir, para producir los mismos efectos que éste en un
circuito eléctrico. Por su parte, el signo negativo recoge el hecho, obser,vado experimentalmente por
Faraday y Henry, de que aumentos (
> 0) y disminuciones (
< 0) de flujo magnético producen
corrientes inducidas de sentidos opuestos.
Si no hay variación con el tiempo del flujo magnético que atraviesa un circuito, el fenómeno de la
inducción electromagnética no se presenta. Tal circunstancia explica los fracasos de aquellos físicos
contemporáneos de Faraday que pretendieron conseguir corrientes inducidas en situaciones estáticas, o
de reposo, del circuito respecto del imán o viceversa.
Cuando la ley de Faraday-Henry se aplica a una bobina formada por N espiras iguales toma la forma
para una soloa espira en la bobina.
El sentido de las corrientes inducidas
Aunque la ley de Faraday-Henry, a través de su signo negativo, establece una diferencia entre las
corrientes inducidas por un aumento del flujo magnético y las que resultan de una disminución de dicha
magnitud, no explica este fenómeno. Lenz (1904-1965), un físico alemán que investigó el
electromagnetismo en Rusia al mismo tiempo que Faraday y Henry, propuso la siguiente explicación del
sentido de circulación de las corrientes inducidas que se conoce como ley de Lenz:
Las corrientes que se inducen en un circuito se producen en un sentido tal que con sus efectos
magnéticos tienden a oponerse a la causa que las originó.
Así, cuando el polo norte de un imán se aproxima a una espira, la corriente inducida circulará en un
sentido tal que la cara enfrentada al polo norte del imán sea también Norte, con lo que ejercerá una
acción magnética repulsiva sobre el imán, la cual es preciso vencer para que se siga manteniendo el
fenómeno de la inducción. Inversamente, si el polo norte del imán se aleja de la espira, la corriente
inducida ha de ser tal que genere un polo Sur que se oponga a la separación de ambos. Sólo
manteniendo el movimiento relativo entre espira e imán persistirán las corrientes inducidas, de modo que
si se detiene el proceso de acercamiento o de separación cesarían aquéllas y, por tanto, la fuerza
magnética entre el imán y la espira desaparecería.
La ley de Lenz, que explica el sentido de las corrientes inducidas, puede ser a su vez explicada por un
principio más general, el principio de la conservación de la energía. La producción de una corriente
eléctrica requiere un consumo de energía y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación
supone la realización de un trabajo. En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo
realizado en contra de las fuerzas magnéticas que aparecen entre espira e imán el que suministra la
energía necesaria para mantener la corriente inducida. Si no hay desplazamiento, el trabajo es nulo, no
se transfiere energía al sistema y las corrientes inducidas no pueden aparecer. Análogamente, si éstas
no se opusieran a la acción magnética del imán, no habría trabajo exterior, ni por tanto cesión de energía
al sistema.
LEY DE FARADAY- HENRY
Aplicación de la ley de Faraday-Henry y del concepto de flujo magnético
Una espira circular de 20 cm de diámetro gira en un campo magnético uniforme de 5 T de intensidad a
razón de 120 vueltas por minuto. Determinar: a) El flujo magnético que atraviesa la espira cuando su
plano es perpendicular al campo y cuando forma un ángulo de 30º con la dirección del campo magnético.
b) El valor de la f.e.m. media inducida en la espira cuando pasa de la primera a la segunda posición.
a) La expresión del flujo que atraviesa una espira circular en un campo magnético uniforme viene dada
por.
siendo B la intensidad del campo magnético, S el área limitada por la espira, R su radio y el ángulo que
forma la perpendicular al plano de la espira con la dirección del campo. En la primera posición el
ángulo 1 = 0º y por lo tanto:
En la segunda posición el ángulo 2 = 90º - 30º = 60º y entonces:
b) De acuerdo con la ley de Faraday-Henry, la f.e.m. media inducida en una espira en un intervalo de
tiempo ðt viene dada por:
siendo ðt el intervalo de tiempo que transcurre entre una y otra posición.
Dado que el movimiento de rotación es uniforme, se cumple la relación:
que permite el cálculo de ðt.
resulta:
Sustituyendo el valor de
y de ðt en la ley de Faraday-Henry resulta finalmente:
CORRIENTES INDUCIDAS EN UNA ...
Producción de una corriente alterna
La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el tiempo. Ello es
debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus dos polos eléctricos, convirtiendo
el positivo en negativo y viceversa, muchas veces por segundo.
La ley de Faraday-Henry establece que se induce una fuerza electromotriz (f.e.m.) ð en un circuito
eléctrico siempre que varíe el flujo magnético ð que lo atraviesa. Pero de acuerdo con la definición de
flujo magnético (ecuación 12.1), éste puede variar porque varíe el área Slimitada por el conductor, porque
varíe la intensidad del campo magnético B o porque varíe la orientación entre ambos dada por el
ángulo
En las primeras experiencias de Faraday las corrientes inducidas se conseguían variando el campo
magnético B; no obstante, es posible provocar el fenómeno de la inducción sin desplazar el imán ni
modificar la corriente que pasa por la bobina, haciendo girar ésta en torno a un eje dentro del campo
magnético debido a un imán. En tal caso el flujo magnético varía porque varía el ángulo
. Utilizando el tipo de razonamiento de Faraday, podría decirse que la bobina al rotar corta las líneas de
fuerza del campo magnético del imán y ello da lugar a la corriente inducida.
En una bobina de una sola espira la fuerza electromotriz
bobina desde la posición paralela ( = 90º) a la posición perpendicular ( = 0º) puede calcularse a partir de
la ley de Faraday-Henry, en la forma:
Como el flujo ð inicial es cero (cos 90º = 0) y el final es B · S (cos 0º = 1), la variación
o diferencia
entre ambos es igual al producto B · S. Considerando el instante inicial igual a cero, resulta ðt = t · 0 = t,
siendo t el tiempo correspondiente al instante final después de un cuarto de vuelta. De este modo se
obtiene el resultado anterior.
Si se hace rotar la espira uniformemente, ese movimiento de rotación periódico da lugar a una variación
también periódica del flujo magnético o, en otros términos, la cantidad de líneas de fuerza que es cortada
por la espira en cada segundo toma valores iguales a intervalos iguales de tiempo. La f.e.m. inducida en
la espira varía entonces periódicamente con la orientación y con el tiempo, pasando de ser positiva a ser
negativa, y viceversa, de una forma alternativa. Se ha generado una f.e.m. alterna cuya representación
gráfica, en función del tiempo, tiene la forma de una línea sinusoidal.
UNA VISIÓN DE CONJUNTO DEL ...
La síntesis de Maxwell
El experimento de Oersted (1820) había demostrado la existencia de efectos magnéticos debidos a
cargas en movimiento. Los descubrimientos de Faraday (1831) habían puesto de manifiesto que campos
magnéticos variables con el tiempo dan lugar a un movimiento de cargas eléctricas en los conductores.
Además, la explicación de Faraday de estos fenómenos llamados de inducción había introducido por
primera vez en la historia de la física la noción de campo magnético representado por un conjunto de
líneas de fuerza. Medio siglo antes, Charles Coulomb (1785) había descrito en forma de ley el modo en
que las cargas eléctricas se atraen entre sí. Estos cuatro elementos fundamentales sirvieron de base a
Maxwell para iniciar la síntesis de los fenómenos eléctricos y de los fenómenos magnéticos entonces
conocidos y su explicación dentro de una amplia teoría conocida como teoría del electromagnetismo.
Apoyado en una enorme habilidad matemática, Maxwell empezó dando forma de ecuaciones a las
observaciones de Faraday y a su noción de campo magnético. Las fuerzas entre cargas en reposo se
beneficiarían pronto de una representación semejante en forma de campos eléctricos o electrostáticos.
Este proceso de elaboración teórica le permitió finalmente describir lo esencial de los fenómenos
electromagnéticos en cuatro ecuaciones, que se denominan ecuaciones de Maxwell. La primera describe
cómo es el campo eléctrico debido a cargas en reposo; la segunda traduce en forma matemática la
imposibilidad de separar los polos magnéticos de un imán; la tercera expresa en términos de campos
magnéticos y corrientes eléctricas el descubrimiento de Oersted y la cuarta recoge la aportación de
Faraday. La virtud de tales ecuaciones es que en ellas aparecen a primera vista los campos
eléctricos E y magnético B y su forma simple y rica a la vez permite relacionarlas entre sí para obtener
nuevos resultados y predecir nuevas consecuencias.
Además de resumir en un solo cuerpo de conocimientos la electricidad y el magnetismo, la teoría de
Maxwell abrió nuevos caminos al conocimiento de la naturaleza y a sus aplicaciones. Las ondas
electromagnéticas, que son la base de las actuales telecomunicaciones, como la radio o la televisión,
constituyeron la predicción más interesante de esta síntesis de Maxwell.
Las ondas electromagnéticas
De las ecuaciones de Maxwell se deduce que el campo magnético y el campo eléctrico pueden estar
interactuando permanentemente si uno de ellos varía con el tiempo. Así, el movimiento acelerado de un
sistema de cargas produce un campo magnético variable, el cual a su vez genera campos eléctricos.
Pero si éstos se producen tuvieron que partir de cero; tal variación del campo eléctrico produce a su vez
un campo magnético y así repetidamente. Esta sucesión oscilante de campos eléctricos y magnéticos
viajando por el espacio se denomina onda electromagnética.
A partir de sus ecuaciones, Maxwell anticipó que las ondas electromagnéticas deberían propagarse en el
vacío a una velocidad igual a la velocidad de la luz. Las predicciones de Maxwell fueron confirmadas
experimentalmente por Hertz, quien generó y detectó este tipo de ondas, observando que su
comportamiento era idéntico al de las ondas luminosas de la Óptica.
Desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, pasando por las ondas luminosas, una amplia gama
de ondas electromagnéticas constituyen el llamado espectro electromagnético hoy conocido. Todas ellas
tienen la misma naturaleza y sólo se diferencian en su frecuencia, es decir, en el número de oscilaciones
que se producen en cada segundo en estos campos viajeros. La energía de las ondas electromagnéticas
es tanto mayor cuanto mayor es su frecuencia. La luz con sus colores constituye simplemente la porción
limitada del espectro electromagnético, al cual el ojo humano es sensible.
EL EXPERIMENTO DE HERTZ
El montaje experimental que permitió a Heinrich Hertz en 1888 producir y detectar ondas
electromagnéticas constaba de un circuito eléctrico, capaz de producir tensiones eléctricas oscilantes, y
de un detector. Dicho circuito, formado, en esencia, por un transformador y unas placas metálicas a
modo de condensadores, se conectaba a dos esferas metálicas pulimentadas separadas entre sí por una
pequeña región de aire. Cuando la tensión entre las dos esferas alcanzaba su valor máximo, el aire
intermedio se electrizaba y saltaba una chispa. Este proceso se repetía periódicamente generando, cada
vez, según la predicción de Maxwell, un conjunto de ondas electromagnéticas.
Para comprobar que, en efecto, un campo electromagnético viajero se estaba propagando por el espacio,
Hertz preparó un detector (o antena), conocido también como resonador, que consistía en un alambre
corto doblado en forma de circunferencia, pero con una pequeña abertura intermedia. Las ondas
electromagnéticas, si existían, serían detectadas porque la variación del campo magnético de la onda al
atravesar el resonador daría lugar a una fuerza electromotriz inducida que provocaría una chispa entre
sus extremos.
Con el fin de analizar el fenómeno más cómodamente, situó en su laboratorio una superficie reflectora
que le permitiría confinar las ondas producidas en el espacio comprendido entre el circuito emisor y la
placa. Así, y con la ayuda del resonador, fue capaz de descubrir las características de las ondas
generadas mediante su aparato emisor y de medir una longitud de onda de 66 cm. Las previsiones
teóricas de Maxwell fueron confirmadas y Hertz demostró experimentalmente que las ondas
electromagnéticas se reflejaban, se retractaban y sufrían interferencias al igual que las ondas luminosas.
En su honor recibieron el nombre de ondas hertzianas.