Maxwell y el electromagnetismo

Desde la antigüedad se conocen los fenómenos eléctricos, de hecho la palabra eléctrico, o electrón proceden del griego electron que significa ámbar, así como los rayos, sabían que ciertos minerales producían fenómenos eléctricos, en concreto fue Tales de Mileto el que observo que frotando una varilla de ámbar con la piel o un trozo de tela, se obtenían ciertas cargas que atraían pequeños objetos. Y también se descubrió que ciertos minerales como la magnetita se atraían entre sí, y a pequeños trozos de hierro. La palabra magneto que en español tiene su equivalente en imán, y magnetismo derivan de magnetita.

Sin embargo no tuvo desarrollo científico, o lo tuvo escaso hasta siglo XVI, con científicos como W. Gilbert (1544-1603) médico inglés descubrió la imantación, clasificó los materiales como conductores y aislantes (dieléctricos) e ideó el primer electroscopio. Concluyó que la tierra se comporta como un gigantesco imán. Otro personaje importante es P. Van Musschenbroek (1692- 1761) holandés, realizó varios experimentos el más famoso la Botella de Leiden, este experimento consistía en saber si el agua embotellada podía conservar cargas eléctricas. El experimento consiste en una botella parcialmente llena de agua, tapada la botella con un tapón de corcho, y en el interior de la botella un extremo de un cable sumergido en el agua, el cable se conectaba a una fuente de energía estática, la botella se cargaba.

Nollet (1700-1770) reemplazo el agua de la botella por láminas de estaño o cobre (que son mejores conductores).

Hasta esta época tan sólo se experimentaba con la electricidad, no fue hasta el siglo XVIII cuando estos experimentos empiezan a dar frutos. Con científicos como B. Franklin (1706-1790) científico estadounidense enuncio el principio de conservación de la electricidad e invento el pararrayos. A. Volta (1745-1827) italiano, desde el año 1881 la unidad de medida de la fuerza electromotriz lleva el nombre de Voltio en su honor, descubrió la corriente eléctrica continua a partir del invento que consistía en dos discos metálicos separados por un conductor húmedo, pero unidos por un circuito exterior. E inventor de la pila voltaica o eléctrica.

Otro C.A de Coulomb (1736-1806) francés, en su honor la carga eléctrica lleva su nombre que se representa por C. Fue el primero en establecer las leyes de la electrostática, en 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción y repulsión que ejercen entre sí dichas cargas eléctricas y estableció la función que liga la fuerza con la distancia, es decir, el principio que rige la interacción entre cargas eléctricas (si ambas son del mismo signo se atraen, mientras que si son del diferente signo se repelen), conocida como Ley de Coulmb.

Entrando ya en el siglo XIX nos encontramos con A-M. Ampère (1775-1836) francés, considerado uno de los descubridores del electromagnetismo, contribuyo de forma considerable al estudio de la corriente eléctrica, en su honor tiene una unidad de medida llamada amperio que mide la intensidad de la corriente eléctrica. Descubrió las leyes que hacen posible el desvío de una aguja magnética por una corriente eléctrica, las acciones mutuas entre corrientes, lo que hemos dicho antes dos del mismo signo se atraen mientras que dos de distinto signo se repelen.

H.C. Oersted (1777-1851) descubrió la desviación de una aguja imantada al ser colocada en dirección perpendicular a un hilo conductor conectado a una corriente eléctrica continua, junto con Ampère. Tiene también dedicada una unidad de medida Oersted que mide la reluctancia magnética. A partir de entonces se abrió el camino para estudiar el electromagnetismo, ya que evidenció que entre electricidad y magnetismo existe una relación bastante estrecha.

G. Ohm (1789-1854) alemán, estudio la relación entre la intensidad de una corriente eléctrica, su fuerza electromotriz, y la resistencia, enunciando una ley que lleva su nombre Ohm. También tiene otorgado una unidad de medida el Ohmnio que mide la resistencia eléctrica.

G.R. Krichhoff (1824-1887) prusiano, estudio en el campo de los circuitos eléctricos, responsable de dos conjuntos de leyes fundamentales en la teoría clásica de circuitos eléctricos. Ex: la primera ley de la electricidad de Krichhoff: (ley de nodos) la suma de las gallinas que entran a un nudo es igual a la suma de las gallinas que salen (todas las gallinas entrantes y salientes en un nudo suman 0).

El electromagnetismo desde Faraday hasta Maxwell

El trabajo se basa en la figura de Maxwell y sus logros en este campo concreto. Y procuraré no salirme del guión, pero de vez en cuando tendré la necesidad de hacer mención a figuras de la talla de M. Faraday (1791-1867) británico y W. Thomson (Lord Kelvin) (1824- 1907) británico.

Maxwell por así decirlo y sin quitarle el mérito que conlleva su trabajo, se dedico en principio a matematizar las ideas de Faraday y Thomson sobre el campo electromagnético.

En cuanto a las ideas de Faraday, éste una vez estudiado el descubrimiento de Oersted, (el desplazamiento de 180º de una aguja imantada puesta en paralelo a un hilo conductor conectado a un generador de corriente o un pila eléctrica, cuando la corriente pasaba por el hilo conductor), desde un punto metafísico newtoniano, es decir que sólo había interacción fenómenos eléctricos entre sí y fenómenos magnéticos entre sí, pero no entre ambos (además de estar en auge la teoría de acción a distancia a de fuerzas centrales o partículas cargadas, que después del descubrimiento de Oersted no podía sostenerse por ningún lado). Oersted demostró que no es así, por lo que Faraday, tuvo que repetir mucho de sus experimentos, lo que le llevo a Faraday a sugerir una teoría de campo, donde desaparecía la ya conocida distinción newtoniana de fuerza y materia. Y donde la fuerza era la única sustancia física (hipotéticamente hablando).

Las características de estas fuerzas eran según Faraday:

• Cada punto de fuerza actúa directamente sólo sobre el vecino (teoría de acción de partículas contiguas).

• La propagación de cualquier cambio de intensidad requiere un tiempo finito.

Todas las fuerzas son básicamente de la misma clase, no hay fuerzas eléctricas, magnéticas o gravitatorias, sino sólo variaciones de un solo tipo de fuerza.

Para Faraday todo lo que tuviera que ver con cuerpos sólidos, masas y campos eléctricos, que tanto furor habían causado en siglos anteriores, no eran más que apariencias, y toda realidad subyacente residía en el campo. Y su problema era encontrar el lazo de unión, el punto de conexión entre esas apariencias antes mencionadas y la supuesta realidad subyacente.

Asimismo descubrió la inducción electromagnética (producción de una corriente eléctrica a través de un campo magnético), su búsqueda se basaba en:

• Si una corriente eléctrica es capaz de producir fuerzas magnéticas (ex: Descubrimiento de Oersted) una fuerza magnética puede producir corriente eléctrica.

• Si una carga eléctrica induce en un conductor próximo una carga opuesta, la corriente eléctrica ha de inducir en un conductor paralelo otra corriente del mismo sentido. Esto es porque las cargas eléctricas y sus fenómenos tienen su propia ley, y las corrientes otras, (En cuanto a las cargas eléctricas si son del mismo sentido se atraen [+ y + = atracción] [- y – = atracción] y [+ y – = repulsión, y viceversa, con el mismo resultado]; mientras que las corrientes eléctricas paralelas en el mismo sentido con igual intensidad se repelen).

El modelo unificado en el que todas las fuerzas servían para explicar los mismos fenómenos el de atracción y repulsión a distancia.

En 1831, en el mismo año que nació nuestro protagonista (Maxwell), Faraday descubrió corrientes inducidas, para el descubrimiento hizo un invento que consistía en un hilo conductor A que estaba enrollado sobre un extremo de un aro de hierro (material conductor) y un hilo conductor B enrollado en el otro extremo de un aro de hierro, el hilo A estaba conectado a una pila o fuente de electricidad, y el hilo B estaba conectado a un voltímetro. Cada vez que por A pasaba una corriente eléctrica con distinta variación modificaba las líneas de fuerza magnética a través del anillo de hierro, y este cambio, a su vez servía de algún modo para inducir una corriente en el hilo B. Para explicar que pasaba en el aro de hierro introdujo el término "estado electro-tónico" (después veremos como influyo este término y lo que él representaba en la teoría de electromagnetismo de Maxwell), para Faraday éste era un estado de tensión, esto es que el cable tenía que cortar las líneas de fuerza magnéticas (se entiende) para producir inducción. (IMAGEN 1)

También realizó el experimento de Oersted de forma inversa, esto es, enrollo un cable de cobre (elemento conductor) sobre un cilindro de cartón, un extremo del cable estaba conectado a un galvanómetro, y acercaba un imán cilíndrico a la bobina (al cable de cobre enrollado en el cartón) , la aguja del galvanómetro se movía, cuando separaba el imán la aguja del galvanómetro se movía en sentido contrario, estaba produciendo electricidad mediante magnetismo, esto demostraba que en realidad ambos fenómenos están íntimamente relacionados.

Anteriormente ha salido a colación el término de líneas de fuerza, este término fue muy importante en la trayectoria científica de Faraday. Éste las utilizaba para estudiar fenómenos como el que acabamos de describir. Faraday tenía argumentos a favor del carácter físico de las líneas de fuerza, por ex: la línea de fuerza magnética curvadas que ponían de manifiesto las limaduras de hierro sobre un papel encima del imán de hierro. (IMAGEN 2)

También llevo a cabo experimentos para descubrir la velocidad de propagación del campo, no lo consiguió, pero si lo hizo Maxwel, (más adelante hablaremos de ello). Faraday propuso una teoría de campo distinta de la distribución espacial de líneas de fuerza por todo el campo, lo que propuso fue que el campo estaba compuesto por un éter interpuesto o por una sucesión plena de partículas contiguas. Si bien las líneas de fuerza eran importantes para Faraday, pronto abandonó esta teoría para pasar a la teoría de acción de partículas contiguas donde se puede expresar de una forma un tanto tosca, como: la acción de una fuerza eléctrica a través de partículas contiguas que llenaban todo el campo. Esto nos sugiere una vuelta a la teoría de filosofía newtoniana de acción a distancia de partículas cargadas, Faraday arguyó a su favor que la distancia entre partícula y partícula era insignificante, como para tenerla en cuenta.

Para ello creó un experimento que consistía en dos esferas de latón una dentro de otra, el espacio entre una y otra esfera se rellenaba de un dieléctrico (representado como un medio compuesto de un material aislante) y la esfera exterior salía un tallo con una esfera menor que estaba rodeada de un material aislante, electrificando este aparato Faraday midió las variaciones de la carga, con diferentes materiales aislantes introducidos entre esfera y esfera, llego a la conclusión de que la inducción era una acción de partículas contiguas del dieléctrico aislante la sustancia a cuyo a través actuaban las fuerzas eléctricas. Pero esta teoría tenía una laguna, cómo explicar la interacción de las fuerzas con las partículas polarizadas.

Para solucionarlo se introdujo en la teoría de la materia, y formuló su teoría sobre la materia, abandonando la teoría atómica en la que se decía que el átomo era indestructible e impenetrable. Dado que si se adhería a esta teoría no podía explicar su teoría de acción de partículas contiguas. Es decir, la teoría atómica al decir que los átomos son impenetrables admite que entre ellos tiene que haber espacio, pero Faraday debido a su influencia de la filosofía cartesiana, el espacio no podía comportarse como la materia. Debido a esto, decía que toda la materia tenía que ser una plenitud de capacidades que llena el espacio. Con esto superaba la laguna del espacio entre las partículas contiguas.

Hizo otros descubrimientos como por ex: el experimento de la rotación magneto-óptica (que tanto ayudo a Thomson, como veremos dentro de poco) colocó un cristal de silicato de plomo encima de los polos de un electroimán, cuando pasaba la luz por los polos a través del cristal, y establecía el campo magnético observo que el plano de polarización de la luz rotaba, esto es, cambiaba.

Y anunció la ley de la electrolisis: la disociación química es rigurosamente proporcional a la cantidad de corriente eléctrica que pasaba por la disolución. Pero una vez más no explicó el mecanismo de la interacción del enlace químico con la electricidad.

Una vez expuestas sucintamente las ideas de Faraday, en el primer trabajo de Maxwell sobre este tema, en 1855-6, < Sobre las líneas de fuerza de Faraday> Maxwell tradujo a las matemáticas muchas de las ideas descritas en los párrafos anteriores, no obstante Maxwell creía que el campo de Faraday, estaba constituido por un éter que obedecía a la mecánica newtoniana. Esto hizo que Maxwell desarrollara teorías para los diversos éteres que había propuesto Faraday para recordar:

Que el campo estaba constituido por una multitud ingente de líneas de fuerzas, tantas como puntos tenía el campo. El campo estaba compuesto por un éter interpuesto: ya sea fluido continuo, o partículas contiguas.

En cuanto a las líneas de fuerza, Maxwell, no creía que tuvieran trasunto real y físico, sin embargo las utilizó para construir un modelo geométrico para representar las fuerzas en el campo, a través de las líneas de fuerza, para saber la intensidad de estas fuerzas que interactuaban en el campo, se imaginaba un fluido incompresible (incomprensible porque lo concebía como una mera colección de propiedades imaginarias) este fluido pasaba por un tubo que era la línea de fuerza. Llamó a este modelo: Modelo de flujo de fluido eléctrico, en analogía con el modelo de fluido del calor. Aquí es donde entra en escena Thomson.

Thomson percibió una analogía matemática entre los fenómenos térmicos y los fenómenos eléctricos. Thomson quiso hacer una teoría del flujo eléctrico basado en la teoría del flujo de calor de Fourier. Pero no sólo percibió la analogía era matemática, sino que posiblemente era física, llegó a esta conclusión porque el calor se transmitía de partícula a partícula, y para entonces Faraday ya había elaborado su teoría de acción de partículas contiguas, que tomó prestada. Aún después de percibir la analogía por lo menos matemática, no se atrevió a formular una hipótesis física, no obstante Thomson percibió lagunas en la teoría de Faraday, por ex: no explicaba el mecanismo de interacción entre moléculas de partículas contiguas. Y que la matematización de la teoría de Faraday no cuadra con la realidad física. Desde este momento, Thomson se dedica a buscar de qué estaba compuesto el éter.

Thomson observó que el comportamiento de los imanes al paso de la luz se asemejaba a la rotación de los sólidos elásticos (aquel que es susceptible de cambiar de forma, por la impresión de una fuerza sobre él, sea cual sea ésta [no de cantidad sino de cualidad]). Pronto dejo esto de lado, pasando a desarrollar la teoría de líneas de fuerza. Concebía el espacio del campo como una materia plena. De nuevo está patente la filosofía cartesiana, con la doctrina de la plenitud universal, esta materia sería un continuo que llenara el espacio del campo, y que matemáticamente permitiera expresar las líneas de fuerza. Thomson fue importante en la teoría de Maxwell porque intentó explicar el mecanismo de propagación de fuerzas, e intento dar una teoría mecánica del éter.

Esta teoría explicaba que el movimiento magneto-óptico descubierto por Faraday tenía su trasunto o podía explicarse como un movimiento de vórtice del éter (esto le serviría a Maxwell para elaborar gran parte de su teoría del electromagnetismo). Pero sin embargo no explica la estructura del éter, tan sólo menciona que puede estar constituido por un fluido que llena los espacios de las moléculas de cuerpos grandes. O puede ser que esté compuesto por moléculas discretas, o por una materia continua que se vea aparentemente como moléculas discretas por la vibración de ésta (supongo que se refería por ex: tienes un altavoz de gran potencia, sobre éste pones una plancha de metacrilato y encima de la plancha un líquido más denso que el agua, para que se quede sobre la plancha más compacto, y conectas el altavoz a una fuente de electricidad y un reproductor de música, a un volumen considerable, el líquido por la vibración de las ondas que el altavoz produce a la hora de emitir música, se va desintegrando en pequeñas gotas y así sucesivamente).

Era partidario de establecer que el éter estaba constituido por un fluido continuo, no obstante no tenía ninguna esperanza que esto se pudiera dar así en la realidad. La solución a su problema vino de la mano de Helmohltz (1821-1894, alemán, profesor de científicos como Hertz, o Plank) decía que los filamentos de los vórtices no eran susceptibles de ser destruidos ni disipados (nos hace recordar un poco a la teoría de conservación de la energía en la materia), el camino estaba allanado para Thomson y su teoría de los movimientos de los vórtices de éter. Tan sólo faltaba una teoría del mecanismo del éter.

El problema que quizá tenía Maxwell era dar con un modelo de campo electromagnético que contuviera la elasticidad y la masa para poder determinar la velocidad finita de la acción de propagación de fuerzas, y que casara con los fenómenos de electricidad y magnetismo que se conocían hasta entonces.

Para ello ideó un modelo, que él no paraba de decir hasta la saciedad, que no era un modelo definitivo y tampoco una hipótesis física, sino un modelo heurístico e ilustrativo que servía para explicar que quizá el campo funcionara de esa manera, pero ni mucho menos afirmar que físicamente funcionara así. El modelo se componía de una serie de moléculas de vórtices que llenan el campo electromagnético y el espacio entre estas moléculas estaba constituido por pequeñas partículas esféricas que funcionaban a modo de ruedas de engranaje. Estas partículas giran hacia un sentido y se transmiten el movimiento a su vecina, así cada una sucesivamente. Pero no sólo esto, sino que transmiten el movimiento a las moléculas de los vórtices de éter, y hacen que éstos se me muevan en sentido contrario a como se mueven las partículas. Maxwell suponía que las moléculas de los vórtices tenían permeabilidad magnética con lo que permitía que la corriente eléctrica que pasaba a través de las partículas. Maxwell conseguía con este modelo ilustrativo unir los fenómenos eléctricos y magnéticos. (IMAGEN 3). Como vemos los remolinos de éter de Thomson fueron muy importantes en la teoría maxwelliana. Pero como Maxwell dijo y se cansó de repetir no es un modelo físico factible de ser real. No obstante este modelo le permitió unir como hemos dicho los fenómenos eléctricos y magnéticos y a partir de él elaborar sus conocidísimas ecuaciones maxwelliana. Maxwell dedujo sus ecuaciones en etapas:

• La ecuación de los remolinos para explicar los fenómenos puramente magnéticos.

• La de las partículas esféricas para explicar las relaciones entre el paso de la corriente eléctrica y magnetismo.

• La de la elasticidad de las partículas para explicar los fenómenos de la carga eléctrica.

A continuación pasó a medir la velocidad finita de las ondas transversales en el mecanismo y llegó a la conclusión que eran similares a la velocidad de las ondas de luz, este hallazgo le sirvió para unir al electromagnetismo el fenómeno óptico.

No obstante como sabía que su modelo era poco satisfactorio en cuanto a evidencia física se refiere, se dedico a liberar sus ecuaciones y su teoría del electromagnetismo del modelo mecánico.

En su obra < A dynamical theory of electromagnetic field> 1865 utilizó las formulas de la mecánica analítica basándose en las ecuaciones de Lagrange relativas a los movimientos de un "sistema con ligaduras" para establecer las ecuaciones del campo y deducir de ellas las consecuencias relativas a la teoría de la luz. A partir de toda energía de tipo mecánica, consideró como potencial la energía de los fenómenos electrostáticos y como cinética la de las modificaciones magnéticas y las corrientes.

A partir de las ecuaciones dedujo otras propiedades de las ondas electromagnéticas, como pueden ser:

• Estableció la relación entre conductividad y transparencia. Esto es cuanto más conductor es un material, más absorbe la luz y así explica que los conductores sean opacos y los medios transparentes buenos aislantes.

• Calculó la energía de los componentes eléctricos y magnéticos de las ondas electromagnéticas, y descubrió que la mitad de esta energía era eléctrica y la otra mitad magnética.

• En el caso de un rayo de luz polarizado en un plano, la onda eléctrica, se propaga junto a la magnética dispuestas perpendicularmente entre sí. Señalo también que la resultante de la tensión electromagnética sobre un cuerpo irradiado con luz es una presión.

Después de analizar la aportación de Maxwell en el ámbito del electromagnetismo, vamos a ver que influencia causo su teoría, lo veremos por países:

En Alemania.

Hertz (1857-1894) en 1888 suministró una de las demostraciones de corrección más transcendentales de la teoria electromagnética de Maxwell: la existencia de la radiación electromagnética. Muchos científicos de la época de Maxwell, se quejaban de que sus obras no eran fáciles de comprender, entre ellos Hertz que para paliar esto, siguió a Helmholtz sobre todo para los experimentos.

Helmholtz era partidario de la teoría de la acción a distancia de partículas cargadas. Hertz terminó elaborando una formulación que contenía, como casos especiales, a otras teorías de acción a distancia, y como caso límite la teoría de Maxwell. No obstante muchos aprendieron a comprender la teoria de Maxwell a través de las formulaciones de Helmholtz.

Hertz entendía la teoría de Maxwell de la siguiente forma: "La teoría de Maxwell es el sistema de ecuaciones de Maxwell. Yo consideraría que toda teoría que conduce al mismo sistema de ecuaciones y que, por consiguiente comprenda los mismos posibles fenómenos, es una forma o caso especial de la teoría de Maxwell". (p. 66 o.c. Parte Sánchez Ron, notas 53 y 54).

En Francia.

Poincaré (1854-1912) compartió opinión con Hertz acerca de la dificultad de la teoría de Maxwell.

Duhem (1861-1916) decía de Maxwell: " la electrodinámica de Maxwell procede siguiendo el método de la electrostática […] bajo la influencia de una hipótesis que permanece en su espíritu vagas e imprecisas, Maxwell esboza una teoría que nunca completa; de la que ni siquiera se preocupa por eliminar contradicciones; después, la modifica sin cesar, la impone cambios esenciales que no indican a sus lectores; y este realiza esfuerzos vanos por fijar el pensamiento huidizo e intangible del autor; en el momento en que piensa que lo ha logrado, ve desvanecerse incluso las partes de la doctrina que tratan de los fenómenos mejor conocidos.

Este método extraño y desconcertante es, sin embargo, el que conduce a Maxwell a la teoría electromagnética de la luz" (p. 67, o.c, parte de Sánchez Ron, nota 56)

La forma de pensar de Maxwell

Es curioso que Maxwell para la realización de todo su trabajo realizase analogías físicas, aunque no era el único, su amigo W. Thomson (Lord Kelvin) también utilizo analogías como por ejemplo de analogía matemática entre el calor y la electricidad. Lo curioso en Maxwell es que es capaz de proponer imágenes y sistemas geométricos, que aunque parecieran inverosímiles, le permitía elaborar sistemas matemáticos que podían aplicarse para la resolución de problemas.

Un ejemplo de esto que acabamos de decir, no es otro que la propuesta de cómo sería el éter (los vórtices rodeados de una capa de partículas que estas giran en un sentido, y dado el rozamiento hacen girar a los vórtices en sentido contrario al del giro de éstas) este ejemplo le sirvió para elaborar sus ecuaciones.

Esta forma de pensar se debe a la filosofía escocesa del sentido común, los filósofos escoceses, entre ellos Hamilton (profesor de Maxwell en la Universidad de Edimburgo) insistían en el pensamiento abstraccionista del conocimiento que implicaba el uso de la comparación.

Este método de comparación que propugnaba la filosofía escocesa, permitía relacionar varios sucesos o fenómenos independientes entre sí, como es el calor y la electricidad o el magnetismo con la óptica (recordemos que hasta Faraday no se descubre que la óptica está relacionada con el magnetismo, y hasta entonces se consideraban totalmente independientes). Y también contribuyó a resaltar la unificación de estos fenómenos.

No obstante el pensamiento analógico fue muy importante en el S.XIX en el desarrollo del electromagnetismo, en el S. XVIII ya se tenía una teoría de la electricidad basada en modelo de la teoría newtoniana de la gravedad. Esto es la universalidad de la atracción que los cuerpos ejercen mutuamente a través del espacio de manera instantánea, sin necesidad de ningún medio de propagación y siguiendo la ley: inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. (Ley Coulomb)

Esta teoría de acción inmediata a distancia de partículas cargadas, no agradaba a los que pensaban con la filosofía cartesiana, pero en aquella época Newton era un grande y tenía mucho peso.

En 1822 Fourier estableció su teoría analítica del calor, en donde viene a decir, de forma somera: que el flujo de calor es proporcional al grado de temperatura. También establecía la distinción entre el modelo físico real, y su representación matemática. Esto sirvió de apoyo a Ohm como fuente de analogía, el cual estableció comparaciones útiles entre la temperatura y el potencial eléctrico y el flujo de calor y la electricidad.

También la utilizó Thomson, pero la teoría de Fourier tenía el problema que en cuanto a analogías físicas era difícil, porque mientras que el flujo de calor se propagaba por un medio continuo de partículas contiguas, las fuerzas eléctricas y magnéticas se propagaban mediante vacío.

Sin embargo la teoría ondulatoria de Fresnel citada por Maxwell en su artículo establecía que incluso en el vacío existía un medio homogéneo capaz de entrar en un estado de vibración y transmitir las perturbaciones de las ondas luminosas, a este medio le llamo éter óptico. He aquí la analogía física. Faraday y Thomson sobre todo, establecen que el campo a través del cual se propagan los fenómenos eléctricos y magnéticos, es un medio ya éste compuesto de fluido continuo, o de partículas contiguas, al que llamaron éter. Faraday prefirió quedarse con que estaba compuesto de partículas contiguas, Thomson vio que la elección de Faraday para él no tenía posibilidad física y se quedo con la alternativa del fluido, y sus remolinos. Pero se puede claramente que en cuanto a analogía matemática prefirieron la teoría analítica del calor de Fourier, y para la analogía física prefirieron la teoría ondulatoria de Fresnel.

Incluso en el modelo que propone Maxwell podemos ver reminiscencias de la teoría ondulatoria de Huygens, donde decía que el medio estaba compuesto por partículas esféricas rígidas y elásticas capaces de transmitir perturbaciones. Como hemos visto, la capa de partículas que rodean los vórtices, son también esféricas, elásticas y capaces de transmitir perturbaciones como lo es la corriente eléctrica.

Y mientras que para Fresnel las ondas de la luz se propagaban de forma transversal por el medio o éter óptico, para Maxwell las ondas electromagnéticas (que el previó pero que luego fueron demostradas por Hertz) también se propagaban de forma transversal por el éter electromagnético.

Maxwell para representar las ideas de Faraday, introdujo una analogía hidrodinámica, la carga eléctrica positiva se consideraba como una fuente de chorro continuo de una cantidad de fluido (el que recorre por dentro la líneas de fuerza, fluido que es incomprensible y que ni siquiera es hipotético) que depende de su intensidad. La carga eléctrica negativa es como un pozo que absorbe la misma cantidad de fluido que desprende la carga positiva.

Está claro que el método de la comparación y la analogía le sirve cuanto menos para tener una visión geométrica del problema que se le planteaba y poderlo traducir a las matemáticas y así poder resolverlo, mediante esta forma de proceder consiguió grandes cosas para la ciencia, entre ellas sus conocidísimas ecuaciones.

JAMES CLERK MAXWELL VIDA Y OBRA (NO SÓLO EN EL CAMPO ELECTROMAGNETISMO).

(Nota: las referencias al libro de Maxwell y el electromagnetismo, la fecha que pone es la del 2006, siendo publicado el libro en el 2007 por el Instituto de España, se pone 2006 porque el libro es producto de unas conferencias de los autores sobre Maxwell, y las realizaron en el 2006 porque era el 175 aniversario del nacimiento de Maxwell y el 150 aniversario de su primer trabajo sobre las ecuaciones del campo electromagnético)

Nació en 1831, en 1842 fue mandado a Edimburgo Academia durante 5 años, allí conocería a Tait (1831-1901) físico y catedrático de Filosofía Natural en la Universidad de Edimburgo. También conocería Lewis Campbell (1830-1908) que hizo estudios clásicos, y fue biógrafo de Maxwell. Y por último a William Thomson (1824-1907) científico y catedrático en Glasgow.

Maxwell mantuvo una estrecha relación de amistad con Tait y Thomson. Tanto que a la hora de mandarse correspondencia entre ellos Thomson firmaba con una sola T, Tait firmaba con una T´ y Maxwell firmaba con dp/dt, en unos de los libros de Tait una expresión de la segunda ley de la termodinámica es dp/dt que corresponden a las iniciales de J.C.Maxwell.

A los 15 años elaboro su 1º artículo científico sobre la geometría de las curvas cónicas. Su estilo de trabajo y estudio era esencialmente geométrico.

En 1847 empezó a estudiar en la Universidad de Edimburgo, realizó tres cursos, pero no se licenció en nada, con el propósito de entrar en Cambridge (la cual no admitía alumnos licenciados en otras universidades). En la U. Edimburgo trabajo sin ayuda en los laboratorios de filosofía natural (física) y química. En estos tres años leyó y estudió:

• Teoría del Calor de Fourier (que luego le serviría de mucho).

• Geometría descriptiva de Monge.

• Óptica de Newton.

• Principio de la mecánica de Taylor.

En este tiempo publicó 2 trabajos más: uno matemático llamado "On the theory of rolling curve" (1849) y otro llamado "On the equilibrium of elastic solid" (1850). En 1850 se traslada a Cambridge admitido en uno de los colegios más prestigioso TRINITY donde estudio Newton.

Esta universidad era famosa por el tipo de exámenes llamados MATHEMATICAL TRIPOS, con preguntas de matemáticas y física teórica. Era una prueba fortísima que a Maxwell le hizo estar enfermo durante un mes. Constaba de dos partes:

1º prueba: duraba 4 días, después durante 10 días se corregían los exámenes, lo que obtenían los mejores resultados pasaban a la 2º prueba.

2º prueba: duraba 5 días, y tenía más dificultad que la 1º. El que tuviera la mejor calificación en esta prueba obtenía el grado de SENIOR WRANGLER, el que hubiera obtenido la 2º mejor nota el de SECOND WRANGLER…y así sucesivamente.

Maxwell lo hizo en 1854 obteniendo SECOND WRANGLER, y la verdad por lo que dicen sus biógrafos tampoco le importaban mucho los tripos. Porque durante los dos primeros años en Cambridge se dedicó más a la literatura y filosofía que a preparar el Tripos. Tan sólo cuando ya le quedaba un año para los exámenes fue cuando se lo tomó en serio pero sin descuidar al mismo tiempo su vida social.

En esta misma universidad obtuvo el premio Adams (en honor al astrónomo Adams (1819-1892) por predecir la existencia de Neptuno. El premio consistía en que un comité seleccionaba un tema de física, en 1856, seleccionaron el movimiento de los anillos de saturno. Determinar la naturaleza de los anillos. Maxwell indicó en su trabajo que:

" un anillo sólido uniforme no puede girar en torno a un cuerpo central de forma permanente ya que el desplazamiento más pequeño del centro del anillo con respecto al centro del planeta producirá un movimiento que nunca podría ser comprobado y el anillo caería sobre el planeta… No he descubierto en los trabajos de Laplace o en los matemáticos más recientes, ninguna investigación del movimiento de un anillo que no sea uniforme o sólido. De manera que en el actual estado de la ciencia mecánica no sabemos si un anillo sólido irregular, o un fluido o no sólido, puede girar de manera permanente en torno a un cuerpo central; […]." (pp. 46 de la obra Maxwell y el electromagnetismo, parte de Sánchez Ron, incluida nota 11, donde refiere la procedencia del texto que hemos trascrito literalmente: J.C.Maxwell "On the stability of the Motion of Saturn´s Rings (Macmillan, Cambridge 1859…pp 288-376).

Concluyendo Maxwell: "los anillos deben consistir en partículas desconectadas (sólidas o líquidas) pero tienen que ser independientes. En consecuencia el sistema completo de anillos debe estar formado bien por una serie de muchos anillos concéntricos, cada uno de los cuales moviéndose con su propia velocidad, y poseyendo su propio sistema de ondas, o por una multitud no ordenada de partículas que orbitan el planeta, no distribuidas a lo largo de anillos y que colisionan entre sí continuamente" (pp. 47 parte Sánchez Ron, o.c, 2006; nota 13 de ésta: J.C.Maxwell, On the stability of the Motion of Saturn´s Rings, 1859, p 372)

El premio se lo dieron en 1857, lo compartió con Routh, en 1859 publicaron su trabajo. En 1895 Keeler (1857-1900) llegaría a la misma conclusión que llego Maxwell.

En 1855 Mawell fue nombrado FELLOW de Trinity, este nombramiento le dio la posibilidad de seguir en Cambridge no con demasiadas obligaciones. En 1856 logró la Cátedra de filosofía natural del Marischall College en Aberdeem donde permaneció hasta 1860, 4 años.

En 1855 fue publicada una carta de Maxwell dirigida a G. Wilson (1818-1859) donde Maxwell aceptaba la teoría de los Colores de Young expuesta en 1807. Para Maxwell esta teoria constaba: "Cuando un rayo de luz llega al ojo humano, se producen ciertas sensaciones, a partir de las cuales el poseedor de ese órgano juzga el color y la intensidad de la luz. Ahora bien, aunque todo el mundo experimenta estas sensaciones y aunque constituyen el fundamento de todos los fenómenos de la visión, debido a su absoluta simplicidad es imposible analizarlas y nunca podrán convertirse en objeto de pensamiento. Si intentamos descubrirlas, debemos hacerlo mediante medios artificiales, y nuestro razonamiento debe ser guiado por alguna teoría.

La forma más general en que se puede formular la teoría actual es esta:

Existen ciertas sensaciones, finitas en número, pero infinitamente variables en grado, que pueden ser excitadas por los diferentes tipos de luz. La sensación compuesta resultante de todas esas sensaciones es el objeto de la conciencia, es un simple acto de visión." (p. 49 oct parte Sánchez Ron, 2006, ver nota 16 también).

Maxwell continúa diciendo: "La teoría que yo adopto supone la existencia de tres sensaciones elementales, de cuya combinación se producen todas las sensaciones de color. Se verá que no es necesario especificar ningún color dado como típico de estas sensaciones. Young las ha llamado rojo, verde y violeta, pero se podrían haber escogido otros tres colores, siempre que el blanco resulte de su combinación en proporciones convenientes". (p. 50 o.c parte Sánchez Ron, 2006).

A Maxwell también le interesaba lo que luego pasaría a llamarse Daltonismo, comenzó a investigar en 1849, bajo la tutela de Forbes, sobre esto presentó un artículo titulado Experimentos sobre el color, según son percibidos por el ojo, con comentarios acerca de la ceguera al color.

En 1854 construyó un oftalmoscopio, la evidencia de ello fue la carta a W. Thomson en 1855 mencionando a Helmholtz (1821-1894), había sido el inventor del Oftalmoscopio.

En 1860 abandona Aberdeem ya que refundieron las cátedras de filosofía natural en una, que fue destinada a D. Thomson que ocupaba la del King´s College, en este mismo años, Forbes, maestro de Maxwell, abandonó su cátedra de Filosofía Natural, en Edimburgo, Maxwell y Tait se presentaron, siendo Tait quien la obtuvo.

No obstante, pronto quedaría vacante una cátedra en King´s College de Londres. Maxwell la obtuvo, y la ocupo durante 5 años. Tiempo bastante provechoso para él:

• se ocupo de la física de líneas de fuerza (1861).

• sobre la teoría dinámica del electromagnetismo (1865).

• sobre la viscosidad de los gases (1866)

En 1861 es elegido como FELLOW de la Royal Society, en 1862-3 formó un grupo junto

Con F. Jenkin y B. Stewart que supervisó para la British Association for the Advancement of Science, la determinación experimental de la resistencia eléctrica en unidades absolutas utilizando el método diseñado por W. Thomson.

En 1865 renunció voluntariamente a su cátedra y se trasladó a Escocia y allí escribió su Tratado sobre electricidad y magnetismo. En 1871 Maxwell fue designado para ocupar la cátedra de Filosofía experimental en la U. Cambridge, antes que a Maxwell se la ofrecieron a w. Thomson y a Helmholtz y ambos la rechazaron. La nueva cátedra requería que se enseñara e ilustrara en las leyes del calor (Fourier) electricidad y magnetismo, y avanzar y promover el estudio. Para esto le dotaron de un laboratorio que se construyó gracias a la generosidad de W. Cavendish (7º Duque de Devonshire) el laboratorio se finalizó en 1873. En este laboratorio J.J Thomson identificó el Electrón como la 1ª partícula elemental conocida en 1932, Watson y Crick descubrieron la estructura del ADN. El laboratorio no abrió sus puertas hasta 1874.

Se le encomendó la edición de los trabajos del Duque de Devonshire Cavendish (1731-1810), se interesó por un trabajo especialmente en el que Cavendish había sido su propio galvanómetro. Y había determinado la intensidad de la corriente por el impacto que le produjo cuando pasó a través de su cuerpo.

Con los trabajos publicados por Maxwell de Cavendish, se demostró que Cavendish se adelantó a Faraday en el descubrimiento de la propiedad conocida en la actualidad como Capacidad inductiva especial y midió sus valores. Había descubierto también Capacidad Electroestática anticipando la Ley de Ohm y realizando experimentos que demostraban que la Fuerza que ejerce una carga puntual de electricidad varía inversamente al cuadrado de la distancia a ese punto.

Maxwell también investigo sobre la Relatividad. Diciendo: "La posición es, evidentemente, algo relativo, ya que no podemos describir la posición de un cuerpo en términos que no expresen una relación. El lenguaje ordinario sobre el movimiento y el reposo NO excluyen completamente la idea de que puedan ser medidos absolutamente, pero esto se debe a que en nuestro lenguaje habitual suponemos tácitamente que la Tierra está en reposo." Añadía: "Puede que nuestra idea primitiva haya sido que saber absolutamente dónde estamos, y en qué dirección nos movemos, constituyen elementos esenciales de nuestro conocimiento como consciente."

Pero esta idea, aunque indudablemente sostenida desde la antigüedad, ha sido eliminada gradualmente de las mentes de los estudiosos de la física" (pp.56-57.o.c. Parte Sánchez Ron, 2006. Incluida Nota 36).

Murió en 1879, de cáncer como su madre, en su finca heredada de Escocia.

Otros campos de la ciencia

FÍSICA ESTADÍSTICA.