1864 i, juntes, descriuen el comportament dels camps elèctric i magnètic i les seves interaccions amb la matèria. Actualment, aquestes equacions són conegudes de manera col·lectiva sota el nom d’“equacions de Maxwell”. Com el geni que era, va mostrar que les equacions també prediuen l’existència d’ones de camps elèctrics i magnètics que oscil·len i viatgen pel buit a una velocitat que podria ser coneguda mitjançant experiments senzills. Maxwell, fent servir les dades disponibles llavors, va obtenir una velocitat de 310.740.000 m/s va concloure que: 11i “La concordança dels resultats sembla revelar que la llum i el magnetisme són afeccions de la mateixa substància i que la llum és una pertorbació electromagnètica propagada a través del camp d'acord amb les lleis electromagnètiques.” Més endavant, es va demostrar que la teoria de Maxwell era totalment correcta. La seva connexió quantitativa entre llum i electromagnetisme es considera un dels grans triomfs de la física del segle XIX. En aquells temps, Maxwell pensava que la propagació de la llum requeria un medi pel qual poder viatjar les ones, anomenat “èter lumínic”. Demostrar l’existència de tal medi es va anar dificultant gradualment, ja que no es conciliava amb experiments com el de Michelson-Morley12. I no només això, també requeria un sistema de referència absolut en el qual les equacions eren Metres / segon (unitats del Sistema Internacional) 11 12 de l’èter lumínic que se suposava que omplia el buit i que era el suport per a la propagació de les ones electromagnètiques. Fig. 11: Una fotografia del jove Maxwell a la universitat.
vàlides, ja que aquestes canviaven de forma per a un observador en moviment. Tot això va motivar Albert Einstein a enunciar la teoria de la relativitat especial13 i, en el procés, va prescindir de la necessitat d’un èter lumínic. Però les brillants aportacions d’Einstein a la física són motiu suficient per a elaborar un altre treball de recerca. Tampoc es pot parlar de Maxwell sense esmentar a Heinrich Hertz. Va ser un físic alemany del segle XIX descobridor de l’efecte fotoelèctric i de la propagació de les ones electromagnètiques i de com produir-les i detectar-les. El 1886, durant la seva estada com a professor a Karlsruhe, Alemanya, va realitzar els experiments que el van portar al descobriment del que en un futur es denominarien “ones hertzianes”. En un dels seus experiments va utilitzar un filferro enrotllat en espiral, que feia de ressonador o emissor, connectat a un circuit oscil·lant, que estava compost d'una bobina d'inducció i una ampolla de Leiden14. Les oscil·lacions produïdes per aquest dispositiu, que eren ones electromagnètiques, eren detectades per un altre filferro amb la mateixa disposició, que feia de detector, que en els seus extrems tenia connectades dues petites esferes molt pròximes, separades només per l'aire. Cada vegada que es produïa una oscil·lació en l'emissor, entre les esferes del detector saltava una espurna. Aquest experiment va suposar l’evidència de l’existència d’ones electromagnètiques i va ser la demostració pràctica de les equacions de Maxwell, que fins la data ningú havia aconseguit fer. 13 gravitacionals. 14 per fora amb paper d’estany. Fig. 12: Representació gràfica dels elements de l’experiment d’Hertz.
Hertz també va descobrir l’efecte fotoelèctric que, explicat de manera senzilla, podria definir-se com la capacitat que té la llum per alliberar electrons d’una superfície metàl·lica. Tot i que Hertz va descriure aquest fenòmen, va ser Einstein qui en va fer l’explicació teòrica. Després d’aquesta troballa va continuar amb els seus estudis sobre les ones electromagnètiques, mesurant la seva longitud i velocitat, comprovant que aquestes podien ser sotmeses a reflexió15 i refracció16 i que al mateix temps podien travessar certs materials, com per exemple materials conductors de l’electricitat. Aquestes aportacions d’Hertz van ser seguides per desenvolupaments pràctics com la ràdio o la televisió, que a la seva vegada van ser millorats pels descobriments de Thomas Edison. Edison va ser un inventor i home de negocis dels Estats Units, conegut com “El mag de Menlo Park17”. Gràcies a ell va existir el gran “boom” en els sistemes de comunicació moderns (telefonía, radars, fonògraf, etc.) del segle XIX. Com podeu observar, la història de l’electromagnetisme no ha deixat d’avançar des de l’experiment d’Oersted i, de fet, continua avançant cada dia i és imprescindible per a la nostra vida quotidiana. 15 diferents de manera que el front d’ona (conjunt de punts als quals arriba la pertorbació) retorna cap al medi en el qual s’havia originat. 16 part de la seva energia es transmet al segon medi, canviant-ne la direcció. Menlo Park és el nom d’una urbanització en la qual Edison va situar-hi un gran laboratori. 17 Fig. 13: Una tel·levisió del segle XIX.
7. L’APORTACIÓ D’OERSTED A L’ELECTROMAGNETISME 7.1. LA VIDA DE HANS CHRISTIAN OERSTED Hans Christian Oersted va nèixer el 14 d’Agost del 1777 a l’illa de Langeland, Dinamarca. Des de molt jove va interessar-se per la química, la història natural i la literatura. El seu pare era farmacèutic així que, sota la seva influència, Oersted va començar els estudis de farmàcia l’any 1797. Tres anys després es va llicenciar en medicina. Tot i això, la seva passió per la química i les forces electromagnètiques, unida a un interès cada vegada més gran per la filosofia de la natura, van desencadenar els seus a descobriments i aportacions l’electromagnetisme. El 1820, la Royal Society li atorgà la medalla Copley18 i la unitat d’inducció de camp magnètic de l’antic sistema d’unitats, l’oersted, es va anomenar així en honor a les seves contribucions a la ciència. Com a químic, cal destacar el descobriment de la piperina19 l’any 1819 i també el seu aïllament i producció d’alumini per primera vegada a la història l’any 1825. Oersted va morir a Copenhaguen el 9 de març de 1851. Al seu enterrament van assistir 200.00 persones i la població danesa va sentir molt la seva pèrdua ja que gràcies a les seves aportacions a la ciència, va contribuït a transmetre una imatge activa científicament de Dinamarca. És el major reconeixement al treball científic en qualsevol dels seus camps. 18 del grup de la piperidina, obtingut del pebre. 19Alcaloide Fig. 14: Retrat de Hans Christian Oersted. Fig. 15: Fotografia del monument a Oersted situat a Oersted Park, Dinamarca.
7.2. L’ACCIDENT D’OERSTED L’experiment d’Oersted, com ja he explicat prèviament, va ser un accident, ja que ell no pretenia el resultat que va obtenir. Si poguéssim retrocedir en el temps i viatjar a aquell context històric, veuríem els investigadors manipulant tant la brúixola com els conductors innumerables vegades per intentar descobrir alguna relació entre magnetisme i electricitat. Els fenòmens de l’electricitat estàtica tenien una clara relació amb els fenòmens magnètics als ulls dels científics, però no s’havia pogut trobar una interacció entre ambdues energies, és a dir, que l’electricitat produís magnetisme o el magnetisme electricitat. La transmissió per conductors era un punt en comú entre les dues electricitats que coneixem, l’estàtica20 i la dinàmica21, però s’havien de trobar fenòmens amb l’esperança de que fossin nexes d’unió entre magnetisme i electricitat. Quan Oersted va observar el moviment d’una brúixola al circular un corrent per un conductor pròxim a ella, no li va ser fàcil interpretar-ho. ¿Podia ser aquest moviment per la mateixa electricitat i no pel magnetisme?, ja que l’electricitat també pot moure una brúixola quan ho fa en forma de càrrega estàtica, com per exemple: una barra metàl·lica fregada sobre roba. La resposta va venir donada per la observació, ja que la brúixola es mou diferent davant un camp d’electricitat estàtica, que davant d’un camp magnètic. 20 conductora de l’electricitat (com per exemple un aïllant). 21 moviment. Fig. 17: Línies mostrant el camp magnètic d’un imant de barra. Fig. 16: En aquesta imatge es poden observar els elements de l’experiment d’Oersted.
Quan li aproximem una barra electrizada, aquesta l’atrau sense diferenciar els seus pols magnètics. En canvi, quan l’aproximem a un corrent elèctric, aquest atrau la brúixola orientant-la en el sentit invers de les seves respectives polaritats (és a dir, formant un angle de 90º amb el conductor) i si invertim el sentit del corrent, l’agulla immantada gira 180º, oferint l’altre pol. Això té lloc ja que es sumen el camp magnètic de la terra (que és el que fa que una brúixola sempre senyali cap al nord) i el que es genera en el conductor que li acostem. Oersted va demostrar que una càrrega elèctrica en moviment (un corrent elèctric) crea un camp magnètic, ja que al acostar la brújula a un fil metàl·lic pel qual passa corrent elèctric, aquesta es comporta igual que si estigués sent acostada a un imant. Com a conclusió podem dir que la brújola s’orienta per la influència d’un camp magnètic que es crea al voltant del cable i el seu sentit. Així va quedar clara, per primera vegada, la relació entre magnetisme i electricitat. “La concordança d’aquesta llei amb la naturalesa serà vista més clarament amb la repetició d’experiments que amb una llarga explicació” Hans Christian Oersted
8. L’APORTACIÓ DE FARADAY A L’ELECTOMAGNETISME 8.1. QUI VA SER MICHAEL FARADAY? Michael Faraday va nèixer a Newington Butts, Anglaterra, el 22 de setembre de 1791. La seva família era humil: tenia tres germans i només va poder accedir als ensenyaments bàsics, per això va ser més aviat autodidacte. Amb catorze anys va entrar com a aprenent de llibreter i enquadernador a la llibreria local i, durant els set anys que hi va romandre, va llegir moltíssims llibres que el van servir per amarar-se de coneixements. També va desenvolupar un ferotge interès per la ciència, especialment per l’electricitat. Concretament, una de les seves principals inspiracions va ser el llibre Converses sobre Química, de Jane Marcet22. Després d’anys d’aprenentatge a través de conferències d’eminents químics anglesos (com per exemple Humphry Davy23) i d’introduïr-se en els cercles dels científics britànics més importants del moment, Faraday va ser nomenat assistent químic de la Royal Insitution24 l’any 1813. Més tard, el 1821, es va casar amb Sarah Barnard, una dona que va conèixer quan assistia als oficis de l’església sandemaniana, i no van tenir cap fill. Michael Faraday va morir a Hampton Court, situat a Anglaterra, el 25 d’agost de 1867, després d’una vida plena d’èxits científics i de reconeixement. Va ser una existosa escriptora britànica de llibres d’introducció a la ciència del segle XVIII. 22 Físic i químic de la Royal Society del segle XVIII. 23 24 científiques situada a Londres. Fig. 18: Retrat de Michael Faraday. Fig. 19: Estàtua de Michael Faraday situada a Savoy Place, Londres.
8.2. LA INDUCCIÓ ELECTROMAGNÈTICA DE FARADAY Com ja hem vist prèviament, Faraday va fer el seu descobriment com a conseqüència del fenòmen trobat per Oersted. Va intentar esbrinar si a través d’un camp magnètic es podia crear un corrent elèctric. La inducció electromagnètica és el fenomen que origina la producció d’una força electromotriu (o voltatge) en un medi o cos que estigui exposat a un camp magnètic variable25, o bé en un medi mòbil respecte a un camp magnètic estàtic26. Quan dit cos o medi és conductor, es produeix un corrent induït. L’experiment de Michael Faraday va consistir en acostar un imant a una espira conductora27 que no estava connectada a cap font d’alimentació elèctrica i va utilitzar un galvanòmetre28 que marcava el pas de corrent mentre l’imant estigués en moviment. El sentit del corrent al acostar l’imant és oposat al que té quan aquest s’allunya. Si canviem els papers i deixem fix l’imant i movem l’espira, el resultat és exactament el mateix. És a dir, apareix una corrent induïda mentre hi hagi un moviment relatiu entre l’espira i l’imant. Amb Oersted vam veure que un corrent elèctric genera un camp magnètic, però què és un camp magnètic exactament? És un fenòmen físic generat per l’existència de càrregues elèctriques en moviment (com els corrents elèctrics), o bé per la presència d’imants. Per representar gràficament un camp magnètic, s’utilitzen les anomenades “línies de camp”. La demostració de que aquestes línies existeixen es pot fer 25 És a dir, un camp amb càrregues mòbils que no segueixen un moviment rectilini uniforme, sinó que els seus moviments són aleatoris. 26 corrent elèctric continu. Un fil conductor de l’electricitat tancat sobre ell mateix. 27 És un aparell que serveix per detectar i mesurar corrents elèctrics. 28 Fig. 20: Imatge de les llimadures de ferro col·locades formant les línies de camp al voltant d’un imant.
d’una manera molt simple: es col·loquen llimadures de ferro al voltant d’un imant i immediatament s’observa com queden atretes al voltant d’aquest i es recol·loquen formant les línies de camp. Una vegada introduïts aquests conceptes, ens podem endinsar més i explicar què és el flux magnètic. El flux magnètic és la quantitat de línies de camp que travessen una determinada superfície. Naturalment, s’ha de tenir en compte la posició relativa del camp magnètic respecte a la superfície. Per tant, considerant que el flux magnètic es representa amb la lletra grega F (phi), la intensitat del camp magnètic amb la lletra B i la superfície amb la lletra S, obtenim l’expressió matemàtica següent: F = B · S · cosa On a és l’angle complementari del que formen la superfície i el camp magnètic. Per exemple, si el camp magnètic i la superfície formen un angle de 30º, a seria 60º. El flux magnètic, al Sistema Internacional d’Unitats, es mesura en weber (o el que és el mateix, en tesla per metre quadrat, o en volt per segon). I per què donar tanta importància al flux magnétic? Doncs perquè és l’estrella del “show“ en la inducció electromagnètica, ja que per obtenir un corrent elèctric induït s’ha de fer variar aquest flux. Fig. 21: Flux magnètic a través d’una superfície.
Aquesta variació es pot fer canviant la intensitat del camp magnètic (1), alterant la superfície (2) o fent girar la superfície respecte el camp, és a dir, alterant l’angle entre la superfície i el camp magnètic (3). 1. En el cas de tenir un imant, per modificar la intensitat del camp magnètic haurem d’acostar o allunyar l’imant de la superfície. Però si tenim un corrent elèctric, haurem de fer variacions en la intensitat d’aquest per poder alterar el flux. Com es pot observar en la imatge, el moviment de l’imant és suficient per fer variar el flux magnètic i crear un corrent induït a l’espira conductora. També cal veure que el sentit en el que es mou l’imant afecta al sentit en el que es mou el corrent, i aquest moviment relatiu entre l’imant i el corrent ve regit per la regla de la mà dreta de Fleming29. Si allunyem l’imant, la intensitat del camp magnètic que hi ha al voltant d’aquest disminueix. Per tant, el sistema (l’espira conductora) en el qual s’ha creat el corrent induït genera un camp magnètic que compensa aquesta disminució. Com a conclusió, el corrent induït té un sentit antihorari. En canvi, si el que fem és acostar l’imant, la intensitat del camp magnètic augmenta i aleshores a través del sistema es genera un corrent induït de sentit horari. 29 segle XIX pel físic de Gran Bretanya John Ambrose Fleming. S’utilitza de dues maneres a la pràctica: per a adreces i moviments vectorials lineals, i per a moviments i adreces rotacionals. Fig. 22: Il·lustració del moviment d’un imant a través d’una espira.
2. Si el que volem alterar és la superfície, ho hem de fer augmentant-la o disminuint-la per a que sigui més gran o més petita. Suposem que el camp magnètic B és constant i perpendicular al pla determinat per les guies (AD, AB i BC) i la bareta (CD). Al moure’s la bareta, la dimensió x del rectangle augmenta o disminueix, fent variar la superfície amb el temps i, per tant, el flux magnètic. Si la bareta es mou cap a la dreta (a), augmenta l’àrea S, i el mateix succeeix amb el flux F. Per tant, el sentit del corrent induït és horari. Pel contrari, si la bareta es mou cap a l’esquerra (b), disminueix l’àrea S i el mateix passa amb el flux, aleshores el corrent induït és antihorari. a) b) Fig. 23: Representació gràfica del vector d’un camp magnètic. Fig. 24: Representació gràfica de l’augment del flux magnètic. Fig. 25: Representació gràfica de la disminució del flux magnètic.
3. Per últim, també podem fer variar el flux magnètic a través de la rotació fent girar la superfície respecte el camp, o el camp respecte la superfície. L’important és que hi hagi un canvi de posició relatiu, és a dir, un canvi en l’angle entre la superfície i el camp. La major part de l’energia utilitzada pel món contemporani es produeix mitjançant generadors de corrent altern, que utilitzen com a fonament aquest últim cas de variació de flux magnétic. L’exemple més simple d’aquest tipus de dispositius és una bobina en rotació dins d’un camp magnètic uniforme. Els extrems de l’espira es connecten a unes anelles lliscants que giren amb ella i que a la seva vegada fan contacte amb unes escombretes.
Si es fa girar l’espira al voltant del seu eix (línia puntejada en la figura de l’esquerra) canvia l’orientació relativa dels vectors superfície i camp magnètic, produint una variació del flux magnètic. Aleshores, aquest canvi de flux produeix una fem sinusoïdal. Aquesta fem sinusoïdal genera en el circuit exterior un corrent altern, ja que la intensitat canvia de sentit periòdicament al invertir-se la polaritat de la font gràcies al gir. Finalment obtenim la Llei de Faraday: “la força electromotriu (fem) induïda a una espira conductora a l’espai és igual a la taxa de canvi al llarg del temps del flux magnètic al llarg de l’espira, i de sentit oposat a la causa que la produeix”. Que s’expressa matemàticament amb la fòrmula següent: On e és la força electromotriu (fem) induïda i dFB/dt és la taxa de canvi al llarg del temps del flux magnètic F. Fig. 26: Esquema bàsic d'un alternador. Es presenta en un instant del moviment de rotació en que la superfície de l'espira és perpendicular al camp B.
La Llei de Faraday va ser l’última en incorporar-se a les equacions de Maxwell, unificant així totes les lleis de l’electromagnetisme. 8.3. LA LLEI DE LENZ El perquè del signe negatiu de la fórmula de la Llei de Faraday l’explica la Llei de Lenz. Heinrich Friedrich Emil Lenz va ser un físic nascut a Dorpat30 el
12 de febrer del 1804 i va morir a Roma, Itàlia, el 10 de febrer del
1865.
Va dedicar la major part de la seva vida a l’electromagnetisme i, a
més de la llei que pren el seu nom, també va descobrir la llei de
Faraday independentment l’any 1842.
La Llei de Lenz postula que les forces electromotrius induïdes són d’un sentit oposat a la variació del flux magnètic que les produeix. Es podria fer un símil amb el principi d’inèrcia de Newton, que diu que “tot cos lliure, sobre el qual no actua cap força, manté el seu estat de moviment, ja sigui en repòs, o ja sigui en moviment rectilini uniforme”. És a dir, un sistema tendeix a mantenir el seu estat. En el cas de la Llei de Lenz, es podria dir que el sistema reacciona en contra de la causa que el fa variar. “TOT AIXÒ ÉS UN SOMNI. Tot i així examina’l amb experiments. Res és tant meravellós com per ser veritat, si és coherent amb les lleis de la natura; i en coses com aquestes, experimentar és la millor prova de tal coherència.“ Michael Faraday En aquella època formava part de l’Imperi Rus, però avui en dia s’anomena Tartu i està dins d’Estònia. 30 Fig. 27: Retrat de Lenz.
9. L’APORTACIÓ D’AMPÈRE A L’ELECTROMAGNETISME 9.1. EL NEN PRODIGI André-Marie Ampère va nèixer a Lyon, França, el 22 de gener de 1775. Tot i no haver assistit mai a una escola, va rebre una esmerada educació per part del seu pare, que era comerciant però molt entès sobre literatura llatina i francesa i diferents branques de la ciència.
Ampère va resultar ser un nen prodigi que a l’edat de 12 anys ja posseïa sòlids coneixements sobre les matemàtiques bàsiques conegudes en l’època en la qual va viure, i va continuar aprenent fins dominar el càlcul diferencial31 i integral. La seva educació la va completar de manera autodidacta devorant amb la seva lectura els llibres de la biblioteca familiar. Després de la Revolució Francesa32, Ampère es va convertir en professor de ciències a Lyon i l’any 1808 va passar a exercir com a inspector general del sistema universitari a París. També va treballar com a professor de física i filosofia. El 1826 va ser nomenat catedràtic per la Université de France33, càrreg amb el que va continuar fins el dia de la seva mort, que va ser el 10 de juny de 1836 a Marsella, França. 31 seves variables canvien. 32 poder per la burgesia i el desplaçament de l’aristocràcia i el clergat. 33 l’educació. Fig. 28: Retrat d’André-Marie Ampère.
9.2. LA LLEI D’AMPÈRE A partir de l’experiència d’Oersted es postula experimentalment que “tot corrent elèctric genera un camp magnètic”. La Llei d’Ampère, descoberta l’any 1826, va servir per donar una formulació matemàtica al fenòmen d’Oersted. Amb aquesta llei es pot calcular el camp magnètic que genera un corrent elèctric per un conductor gràcies al càlcul diferencial de Leibnitz34 i diu que “la circulació del camp magnètic al llarg d’una línea tancada és equivalent a la suma algebraica de les intensitats dels corrents que travessen la superfície delimitada per la línia tancada, multiplicada per la permeabilitat del medi”. En concret per al buit: El camp magnètic generat depèn de: 1. La I (intensitat del corrent elèctric) 2. La forma geomètrica del conductor i la seva distribució en l’espai (dl ) 3. La permeabilitat magnètica35 del medi (µmedi) Per a que quedi més clara aquesta explicació, posaré dos exemples amb dos conductors diferents. a) Camp magnètic d’una bobina: Una bobina és un tipus de solenoide36 que està format per una sèrie d’espires iguals col·locades de manera paral·lela per les quals circula un corrent. 34 bibliotecari i filòleg alemany que va escriure en llatí, francès i alemany. 35 És la capacitat d’una substància o medi per a atraure i fer passar a través d’ella camps magnètics. 36 en el seu interior, i molt dèbil en el seu exterior.
El camp magnètic d’una bobina depèn de la intensitat del corrent que hi circula per ella, del número d’espires que té i de la llargada d’aquesta, ja que quant més llarga és la bobina, més uniforme és el camp. L’expressió matemàtica per calcular el camp magnètic que es crea al voltant de la bobina és la següent: On: 1. La intensitat del corrent que hi circula és i 2. El numero d’espires o voltes de la bobina és N 3. La llargada de la bobina és L 4. La permeabilitat magnètica del medi és m Existeix una relació N/L que es pot representar per un valor “n” que simplement és el número d’espires per unitat de longitud.Aleshores l’expressió canviaria lleugerament i quedaria així: B=m· n · i El sentit del camp magnètic que es crea al voltant de la bobina es pot determinar senzillament utilitzant la regla de la mà dreta: s’envolten els dits al voltant de la bobina en el sentit de la intensitat i llavors el dit polze ens indica el sentit del camp. Fig. 29: Camp magnètic creat al voltant d’una bobina.
b) Camp magnètic d’un conductor rectilini: Experimentalment, abans de la formulació de la Llei d’Ampère i després del resultat de l’experiència d’Oersted, es sabia que el camp magnètic produït per un corrent rectilini és perpendicular a dit corrent. Per tant, tenint en compte la geometria de la situació, era lògic plantejar que les línies de camp debien ser circumferències contingudes en plans perpendiculars al corrent i amb el centre al conductor. Aquesta hipòtesi pot ser comprovada senzillament col·locant una bruíxola en diverses posicions al voltant del corrent o espolvorejant en un pla perpendicular al corrent llimadures de ferro, que s’imanten i dibuixen les línies del camp magnètic. D’altra banda, la intensitat d’aquest camp magnètic generat pel fil conductor rectilini es va establir experimentalment per dos científics anomenats Jean Baptiste Biot (1774-1862) i Félix Savart (1791-1841), uns físics francesos que van deduir la fòrmula que tants altres científics havien buscat: Ampère, amb la seva llei general, va ser capaç de reproduir aquests resultats experimentals i els de tot tipus de conductors, d’aquí la seva importancia. Fig. 30: Camp creat per un fil conductor rectilini.
9.3. CORRENTS PARAL·LELS I ANTIPARAL·LELS Una altra aportació d’Ampère a l’electromagnetisme va ser l’explicació que va donar a les interaccions entre corrents paral·lels i antiparal·lels. Si tenim dos conductors rectilinis paral·lels pels quals circulen dos corrents elèctrics del mateix sentit, aquests s’atrauen. En canvi si tenim dos corrents antiparal·lels, els conductors es repelen. El mateix passa amb espires conductores: si el sentit dels corrents és el mateix aquestes s’atrauen, en canvi si els sentits dels corrents són contraris, es repelen “Creu en Déu, en la seva providència, en una vida futura, en la recompensa del bé, en el càstig del mal; en la sublimitat i la veritat de les doctrines de Crist, en una revelació d’aquesta doctrina per una inspiració divina especial per a la salvació de la raça humana.” André-MarieAmpère Fig. 31: Dos corrents paral·lels. Fig. 32: Dos corrents antiparal·els. Fig. 33:Atracció entre dues espires paral·leles.
10. L’APORTACIÓ D’HERTZ A L’ELECTROMAGNETISME 10.1. UNA VIDA DEDICADA A LA FÍSICA Heinrich Rudolf Hertz va nèixer a Hamburg,Alemanya, un 22 de febrer de 1857. Va pertànyer a una família d’origen jueu que s’havia convertit al cristianisme l’any 1838. El seu pare era conseller a la ciutat d’Hamburg. Des de ben petit va demostrar tenir unes capacitats poc comunes, ja que llegia els clàssics en versió original (Plató i tragedies gregues), també llegia àrab i era molt hàbil a les activitats pràctiques, com la fusteria.
Aquesta afició per les qüestions pràctiques va influir en la seva posterior desició d’estudiar enginyeria. Però la seva passió reconeguda per ell mateix era la física, així que finalment es va desplaçar fins a Berlín per estudiar-la. Hertz va obtenir el seu doctorat l’any 1880 amb només 23 anys i l’any 1883 va ser anomenat professor de física teòrica a la Universitat de Kiel37. Després d’una etapa de grans descobriments, com per exemple l’efecte fotoelèctric, la seva carrera va quedar truncada. Cap el 1889 va començar a tenir greus problemes de salut i tot i que al principi no van interferir en la seva feina, Heinrich Hertz va morir finalment a l’edat de 36 anys a Bonn,Alemanya. Les telecomunicacions deuen la seva existència a aquest científic i es per això que, com a homenatge, la comunitat científica va donar el seu nom a la unitat de freqüència: hertz (Hz). Kiel és una ciutat situada al nord d’Alemanya. 37 Fig. 34: Fotografia de Heinrich Rudolf Hertz. Fig. 35: Signatura de Heinrich Hertz.
10.2 LES ONES ELECTROMAGNÈTIQUES Prèviament he explicat que les equacions de Maxwell predien l’existència d’ones electromagnètiques. Això va ser difícil de demostrar ja que al principi es creia que tota ona necessitava un medi pel qual propagar-se (un èter), però Hertz va refutar la necessitat d’aquest èter i va reformular les equacions de Maxwell. Amb el seu experiment (explicat a l’apartat “La història de l’electromagnetisme”) no només va demostrar l’existència de les ones electromagnètiques, sinó que va demostrar també que aquestes poden viatjar a través de l’aire i del buit. Precisament les ones electromagnètiques són totes aquelles que no necessiten un medi material per a propagar-se i ho fan mitjançant una oscil·lació de camps magnètics i elèctrics. Com per exemple la llum visible, les ones de ràdio, de televisió, etc. Es propaguen pel buit a una velocitat constant de 300.000 km/s. Gràcies a això podem observar la llum emesa per una estrella llunyana que pot ser ja ha desaparegut. L’ESPECTRE ELECTROMAGNÈTIC L’espectre electromagnètic és el conjunt de totes les possibles manifestacions de les ones electromagnètiques. Abans d’explicar aquestes possibles manifestacions cal deixar clar què són la longitud d’ona, la freqüència i el període. La l’ongitud d’ona, representada amb la lletra grega ? (lambda), és la magnitud física que indica la distància entre el principi i el final d’una ona completa, també anomenat cicle. Fig. 36: Representació gràfica de la definició de
Aquest cicle va de dos punts l’estat de moviment dels quals és el mateix. És a dir, la seva posició respecte l’eix d’ordenades38 és la mateixa. La freqüència està molt relacionada amb aquesta longitud d’ona i és el nombre d’oscil·lacions completes que una ona realitza en una unitat de temps (normalment és un segon). El període és precisament l’invers de la freqüència, per tant és el temps necessari per a què l’ona realitzi una oscil·lació completa. Segons el Sistema Internacional d’unitats, la longitud d’ona es mesura en m (metres), la freqüència en Hz (hertz) i el període en s (segons). Les ones electromagnètiques es classifiquen en intervals segons la freqüència i la longitud d’ona, ja que depenent d’aquestes dues magnituds les ones tenen una manifestació diferent i emeten més o menys energia.Aquestes diferents manifestacions són les següents: 38 vertical. Fig. 37: Taula amb les manifestacions de l’espectre electromagnètic i les seves l’ongituds d’ona, freqüències i energies.
Acontinuació hi ha una breu explicació del més significatiu de cada ona i algunes curiositats. A. RAIGS GAMMA Els raigs gamma només es produeixen en les desintegracions39 radioactives de nuclis atòmics o en processos de molt altes energies, A causa de les altes com en el cas de la radiació de sincrotó40 41. energies que tenen, els raigs gamma constitueixen un tipus de radiació ionitzant capaç de penetrar en la matèria més produndament que les altres. Per aquest mateix motiu, poden causar danys al nucli de les cèl·lules, per la qual cosa s’utilitzen per eserilitzar equips mèdics i aliments. B. RAIGS X Els raigs X van ser descoberts accidentalment pel professor Wilhelm Conrad Röntgen42 mentre aquest feia experiments amb els tubs de Crookes43. Va observar uns raigs extranys que travessaven el paper i el metall, cosa que el va portar a investigar el fenòmen durant set setmanes. Després Röntgen va contactar amb els seus companys de tota Europa per a comunicar-los els detalls de la seva investigació, i també els va enviar una fotografia de la seva mà en la qual la pell casi 39 de raigs de partícules i, de vegades, acompanyats de raigs d’ones electromagnètiques. Aquest procés té lloc per tal d’assolir uns nuclis més estables i de menor massa, ja que en la desintegració perden part d’ella. 40 que les partícules girin, i el camp elèctric, que les accelera, estan sincronitzats de manera precisa amb el feix de partícules en moviment. 41 carregades, com ara electrons, que es mouen a gran velocitat (a una fracció apreciable de la velocitat de la llum) en un camp magnètic. Com més ràpid es mouen els electrons, més curta és la longitud d’ona de la radiació i, per tant, més alta és la freqüència. 42 Premi Nobel de Física l’any 1901. El tub de Crookes és un con de vidre amb 1 ànode (pol positiu) i 2 càtodes (pols negatius). 43 Fig. 38: Imatge d’un flux de raigs gamma. Fig. 39:Aquesta és la radiografia de la mà de la dona de Rötgen.
no es veia, deixant observar els ossos i el que semblava ser l’ombra d’un anell. I així apareix la primera radiografia de la història, i amb ella neix un nova branca de la medicina: la radiologia. C. ULTRAVIOLATS Els raigs ultraviolats són una de les tres radiacions que emet el sol. Com es pot observar a la graella anterior, de raigs ultraviolats n’hi ha de dos tipus. Els d’ona llarga no són perillosos i s’utilitzen per observar la fluorescència en els minerals. També tenen efectes positius per als humans quan entren en contacte amb la nostra pell, com per exemple benestar psicològic, ens bronzejen i ens aporten vitamina D. Els d’ona curta són molt energètics i perillosos i s’utilitzen per esterilitzar, per exemple, material quirúrgic. Els efectes que aquests exerceixen sobre els humans són negatius: disminueixen les defenses cutànies, amb una llarga exposició poden generar dany genètic i fer-nos més propensos a mutacions, inflamen la pell i provoquen un envelliment cutani precoç per l’aparició d’arrugues i taques. D. LLUM O ESPECTRE VISIBLE Moltes vegades el concepte “llum" es confón amb el concepte “llum visible”, ja que llum és sinònim d’espectre i llum visible és només la regió de l’espectre electromagnètic que l’ull humà és capaç de percebre. Gràcies a la sensació de color, l’ull arriba a distingir les diferents parts de l’espectre visible, és a dir, els diferents colors. Fig. 40 Fig. 41: En aquesta imatge es pot observar l’extensió de l’espectre visible.
E. RAIGS INFRAROIGS Els raigs infraroigs van ser descoberts per William Herschel44 l’any 1800. Són caracteritzats com a portadors de calor radiant. Són emesos, amb més o menys intensitat, per qualsevol objecte a temperatura superior al 0 absolut, és a dir, a 0 graus kelvins45. Aquesta propietat és aplicada a la fotografia per raigs infraroigs de manera que permet fotografiar objectes en abscència total de llum. També s’utilitza per a sistemes de guia i detecció, sobretot en ginys militars, i en teràpia física i anàlisi de molècules. F. MICROONES Tothom sap què és un forn microones però pocs saben com realment funciona. De fet, a la meva enquesta, només una persona va respondre bé a la pregunta “Quin fonament científic utilitza un microones?”. Doncs bé, un forn microones utilitza un magnetró, que no és més que un dispositiu que transforma l’energia elèctrica a energia electromagnètica en forma de microones a una freqüència d’aproximadament 2,45 GHz. Les microones fan vibrar o rotar les molècules d’aigua dels aliments que introduïm al forn microones i aquesta vibració fa que augmenti la temperatura d’aquests aliments. Degut al fet que la materia està feta fonamentalment d’aigua, es pot cuinar fàcilment d’aquesta manera i també es poden escalfar moltes altres coses que no siguin necessàriament aliments, però que continguin aigua. Les microones també s’utilitzen en radiodifusió, ja que aquestes passen fàcilment a través de l’atmosfera amb menys dificultad que altres longituds d’ona més altes. Cal destacar també la 44 haver descobert el planeta Urà, l’any 1781. °K (kelvins) = °C (centígraus) + 273 45 Fig. 42: Imatge d’un forn microones.
| Página siguiente |