Ir al contenido

17 diciembre, 2017

Faraday y la teoría electromagnética de la luz

Michael Faraday (1791-1867) es probablemente más conocido por su descubrimiento de la inducción electromagnética, sus contribuciones a la ingeniería eléctrica y electroquímica o debido al hecho de que fue responsable de introducir el concepto de campo en la física para describir la interacción electromagnética. Pero tal vez no es tan conocido que él también hizo contribuciones fundamentales a la teoría electromagnética de la luz.

 

Michael Faraday

Michael Faraday (1791-1867) / Creditos: Wikipedia


 

En 1845, hace sólo 170 años, Faraday descubrió que un campo magnético influyó en la luz polarizada, un fenómeno conocido como efecto magneto-óptico o efecto Faraday. Para ser preciso, encontró que el plano de vibración de un rayo de luz linealmente polarizada incidente en un pedazo de vidrio rotaba cuando se aplicaba un campo magnético en la dirección de propagación del rayo. Esta fue una de las primeras indicaciones de que el electromagnetismo y la luz estaban relacionados. Al año siguiente, en mayo de 1846, Faraday publicó el artículo Pensamientos sobre las vibraciones de Rayo, una publicación profética en la que especulaba que la luz podría ser una vibración de las líneas eléctricas y magnéticas de fuerza.

 

El caso de Faraday no es común en la historia de la física: aunque su formación era muy básica, las leyes de la electricidad y el magnetismo se deben mucho más a los descubrimientos experimentales de Faraday que a cualquier otro científico. Descubrió la inducción electromagnética, que llevó a la invención de la dinamo, el precursor del generador eléctrico. Explicó la electrólisis en términos de fuerzas eléctricas e introdujo conceptos como el campo y las líneas de fuerza, que no sólo eran fundamentales para comprender las interacciones eléctricas y magnéticas, sino que también formaron la base de nuevos avances en la física.

 

Michael Faraday nació en el sur de Londres en una familia humilde. La única educación formal básica que recibió fue en lectura, escritura y aritmética cuando era niño. Abandonó la escuela a los trece años y comenzó a trabajar en una librería. Su pasión por la ciencia fue despertada por la descripción de la electricidad que leyó en una copia de la Enciclopedia Británica que ataba, tras lo cual comenzó a experimentar en un laboratorio improvisado. Faraday fue contratado en 1813 como ayudante de laboratorio de Humphry Davy en la Royal Institution de Londres, donde fue elegido miembro en 1824 y trabajó hasta su muerte en 1867, primero como ayudante de Davy, luego como su colaborador, y finalmente, tras la muerte de Davy, como su sucesor. Faraday causó tal impresión en Davy que cuando se le preguntó sobre su descubrimiento más grande, Davy respondió:”Mi mayor descubrimiento fue Michael Faraday”. En 1833 se convirtió en el primer Profesor de Química Fulleriano en la Real Institución. Faraday también es reconocido como un gran popularizador de la ciencia. En 1826 Faraday estableció los discursos vespertinos del viernes en la Royal Institution, que son un canal de comunicación entre científicos y laicos. Al año siguiente lanzó las conferencias navideñas para jóvenes -ahora emitidas en la televisión nacional todos los años-, una serie cuyo objetivo es presentar la ciencia al público en general. El propio Faraday dio muchas de estas conferencias. Ambos continúan hasta el día de hoy.

 

Michael Faraday da una conferencia navideña en la Real Institución en 1856

Michael Faraday da una conferencia navideña en la Real Institución en 1856 / Creditos: Wikipedia


 

Faraday hizo su primer descubrimiento del electromagnetismo en 1821. Repitió el experimento de Oersted colocando un pequeño imán alrededor de un cable portador de corriente y verificó que la fuerza ejercida por la corriente sobre el imán era circular. Como explicó años más tarde, el alambre estaba rodeado por una serie infinita de líneas concéntricas circulares de fuerza, que él denominó el campo magnético de la corriente. Tomó como punto de partida el trabajo de Oersted y Ampère sobre las propiedades magnéticas de las corrientes eléctricas y en 1831 consiguió una corriente eléctrica a partir de un campo magnético cambiante, fenómeno conocido como inducción electromagnética. Descubrió que cuando una corriente eléctrica pasaba a través de una bobina, otra corriente muy corta se generaba en una bobina cercana. Este descubrimiento marcó un hito decisivo en el progreso no sólo de la ciencia sino también de la sociedad, y se utiliza hoy en día para generar electricidad a gran escala en las centrales eléctricas. Este fenómeno revela algo nuevo sobre los campos eléctricos y magnéticos. A diferencia de los campos electrostáticos generados por las cargas eléctricas en reposo, cuya circulación a lo largo de una trayectoria cerrada es cero (un campo conservador), la circulación de los campos eléctricos creados por los campos magnéticos se realiza a lo largo de una trayectoria cerrada distinta de cero. Esta circulación, que corresponde a la fuerza electromotriz inducida, es igual a la velocidad de cambio del flujo magnético que pasa a través de una superficie cuyo límite es un bucle de alambre (ley de inducción de Faraday). Faraday inventó el primer motor eléctrico, el primer transformador eléctrico, el primer generador eléctrico y la primera dinamo, por lo que Faraday puede ser llamado, sin duda, el padre de la ingeniería eléctrica.

 

Faraday abandonó la teoría de los fluidos para explicar la electricidad y el magnetismo e introdujo los conceptos de campo y líneas de campo, alejándose de la explicación mecanicista de fenómenos naturales como las acciones a distancia de Newton. La introducción del concepto de campo en la física por parte de Faraday es quizás su contribución más importante y fue descrita por Einstein como el gran cambio en la física porque proporcionaba electricidad, magnetismo y óptica con un marco común de teorías físicas. Sin embargo, las líneas de fuerza de Faraday no fueron aceptadas hasta varios años después, cuando James Clerk Maxwell entró en escena.

 

Como se señaló al principio de este artículo, otro y quizás menos conocido efecto descubierto por Faraday fue la influencia de un campo magnético sobre la luz polarizada, un fenómeno conocido como el efecto Faraday o efecto magneto-óptico. La mente inquisitiva de Faraday no se contentaba con descubrir simplemente la relación entre electricidad y magnetismo. También quería determinar si los campos magnéticos tenían un efecto sobre los fenómenos ópticos. Creía en la unidad de todas las fuerzas de la naturaleza, y en particular de la luz, la electricidad y el magnetismo. El 13 de septiembre de 1845 encontró que el plano de polarización de la luz linealmente polarizada gira cuando esta luz viaja a través de un material al cual se le aplica un fuerte campo magnético en la dirección de propagación de la luz. Faraday escribió en el párrafo 7504 de su diario:

 

“Hoy en día se trabajaba con líneas de fuerza magnética, pasándolas a través de diferentes cuerpos (transparentes en diferentes direcciones) y al mismo tiempo pasando un rayo de luz polarizado a través de ellos (…) se producía un efecto sobre el rayo polarizado, y así se demostraba que la fuerza magnética y la luz tenían relación entre sí “.

 

“Este fue ciertamente el primer indicio claro de que la fuerza magnética y la luz se relacionaban entre sí y también mostró que la luz está relacionada con la electricidad y el magnetismo. En relación con este fenómeno, Faraday también escribió en el mismo párrafo:”

 

“Este hecho probará con toda probabilidad excesivamente fértil y de gran valor en la investigación de ambas condiciones de fuerza natural “.

 

No estaba equivocado. Este efecto es una de las piedras angulares de la teoría electromagnética de la luz.

 

Rotación de polarización por efecto Faraday / Creditos: Adaptación de Wikipedia

Rotación de polarización por efecto Faraday / Creditos: Adaptación de Wikipedia


 

En el discurso vespertino del viernes por la noche de una institución real pronunciado en abril de 1846, Faraday especuló que la luz podría ser alguna forma de perturbación propagándose a lo largo de las líneas de campo. La verdad es que este viernes en particular fue Charles Wheatstone quien estaba programado para dar una charla sobre su cronoscopio. Sin embargo, en el último minuto, Wheatstone tuvo un ataque de miedo escénico y Faraday pronunció la charla de Wheatstone. Desde que terminó de antemano, llenó los minutos restantes revelando sus pensamientos sobre la naturaleza de la luz. El discurso de Faraday fue publicado el mismo año en la Revista Filosófica bajo el título Pensamientos sobre las vibraciones de Rayo. Faraday incluso se atrevió a cuestionar la existencia del éter luminífero -una herejía científica en ese momento, que supuestamente era el medio para la propagación de la luz como tan elegantemente había descrito Fresnel en su teoría de ondas de luz. Propuso que la luz no podía ser el resultado de vibraciones de éter, sino de vibraciones de las líneas físicas de fuerza. Faraday trató de dejar fuera el éter, pero guardó las vibraciones. En un tono casi apologético, Faraday termina su trabajo diciendo:

 

“Pienso que es probable que haya cometido muchos errores en las páginas precedentes, ya que incluso para mí mismo, mis ideas sobre este punto sólo aparecen como la sombra de una especulación “.

 

Sin embargo, esta idea de Faraday fue recibida con considerable escepticismo y rechazada por todos hasta que el artículo de Maxwell titulado A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field fue publicado en 1865. En este artículo, Maxwell no sólo describe su teoría electromagnética seminal de la luz -uno de los hitos conmemorados en este Año Internacional de la Luz 2015-, sino que también atribuye las ideas que eventualmente formaron la base de su teoría a los pensamientos de Faraday sobre las vibraciones de los rayos. En la página 466 de su artículo, y con la modestia que siempre caracterizó a Maxwell, se refiere al artículo de Faraday de 1846 como sigue:

 

“La concepción de la propagación de las perturbaciones magnéticas transversales, excluyendo a las normales, es claramente expuesta por el Profesor Faraday en sus’ Pensamientos sobre las vibraciones de Rayo’. La teoría electromagnética de la luz, tal como él[Faraday], es la misma en sustancia que la que he comenzado a desarrollar en este trabajo, excepto que en 1846 no había datos para calcular la velocidad de propagación “.

 

Y en la página 461 de su trabajo de 1865 Maxwell también se refiere al efecto magneto-óptico, diciendo:

 

“Faraday descubrió que cuando un rayo polarizado plano atraviesa un medio diamagnético transparente en la dirección de las líneas de fuerza magnética producidas por los imanes o corrientes del entorno, el plano de polarización gira “.

 

En total, Michael Faraday es citado seis veces y mencionado tres veces en el artículo de Maxwell de 1865. Sin embargo, esto no es sorprendente considerando que una gran parte del trabajo de Maxwell se basa en el trabajo de Faraday y Maxwell modeló matemáticamente la mayoría de los descubrimientos de Faraday sobre el electromagnetismo en la teoría que conocemos hoy en día.

 

Las ondas electromagnéticas sobre cuya existencia especuló Faraday en 1846 con sus pensamientos sobre las vibraciones de los rayos, y que fueron pronosticadas matemáticamente por Maxwell en 1865, fueron finalmente producidas en un laboratorio por Hertz en 1888. El resto es historia. Está claro que Maxwell abrió la puerta a la física del siglo XX, pero no está menos claro que Faraday le dio a Maxwell algunas de las llaves que usó.

 

En 1676 Newton envió una carta a su rival Hooke en la que escribía:”Si he visto más allá, es poniéndome sobre los hombros de los gigantes” (*). Doscientos cincuenta años más tarde, durante una de las visitas de Einstein a Cambridge, Reino Unido, alguien comentó:”Has hecho grandes cosas, pero te mantienes en los hombros de Newton”. Einstein contestó:”No, me paro sobre los hombros de Maxwell”. Si alguien le hubiera dicho lo mismo a Maxwell, probablemente habría dicho que estaba sobre los hombros de Faraday.

 

(*) Aunque esta frase es interpretada por algunos autores como un comentario sarcástico dirigido a la apariencia jorobada de Hooke, hoy en día la frase se usa generalmente de manera positiva. Ahora, el comentario de Newton es una afirmación de cómo la ciencia es una serie de avances incrementales cuyo alcance se construye sobre los alcanzados anteriormente (ver, por ejemplo, el libro de Stephen Hawking titulado On the Shoulders of Giants).

 
Bibliografía

 
Augusto Beléndez
 
Catedrático titular de Física Aplicada de la Universidad de Alicante (España) y miembro de la Real Sociedad Española de Física.

Entradas relacionadas

¿Qué opinas?, deja tu comentario.

(required)
(required)

Nota: Se permite código HTML. Tu correo electrónico nunca será publicada.

Subscríbete para comentar