Els descobriments històrics de l’electromagnetisme

Paloma Laguarta !1 Els descobriments històrics de l’electromagnetisme

ELS DESCOBRIMENTS HISTÒRICS DE L’ELECTROMAGNETISME

Paloma Laguarta Tutor: Jordi Trubat 2n de Batxillerat 17/10/2016 Curs 2016/2017 Ins Vilamajor

EL CIENTÍFIC QUE PORTEM DINS Des dels inicis de la ciència, aquesta sempre ha tingut dues cares com si fós una moneda: la teoria i la pràctica. Quan vaig començar aquest treball i vaig fer les primeres recerques, em vaig adonar que la història de la ciència és un constant relleu entre diferents científics i les seves aportacions. Alguns d’ells han aportat conceptes que no havien pogut demostrar per falta de recursos o potser d’imaginació, i d’altres han demostrat teories que portaven anys sense ser resoltes. El que vull dir és que cada aportació a la ciència, per petita que sigui, sempre acaba passant per les dues cares de la moneda. Actualment hi ha moltíssims conceptes que estan tan interioritzats en la societat i en les nostres ments, que no som capaços d’imaginar el món sense ells. Com per exemple el fet de saber que la matèria està constituïda per àtoms, o que la Terra gira al voltant del Sol. Pero aquestes idees tan obvies avui en dia, van ser totalment desconegudes durant moltíssim temps. Els hi debem el nostre present als científics que van fer possibles tots aquests descobriments. Però hi ha un altre factor que a vegades queda oblidat, i aquest és l’atzar. Quantes teories han resultat ser fruit de casualitats? La d’Oersted sense anar més lluny, o la poma que li va caure al cap a Newton. Per això és un error pensar que les grans teories de la física s’allunyen del nostre dia a dia i de la nostra realitat. De fet, estan tan presents, que sense les accions quotidianes, com per exemple seure sota un arbre a descansar, potser no s’haguessin plantejat mai algunes de les lleis més importants que actualment sabem que regeixen l’univers en el que vivim. L’objectiu de la ciència, i en concret de la física, és explicar tot allò que ens envolta de la manera més clara i precisa possible. Però no sempre és fàcil. Una de les coses que he volgut mostrar amb el meu treball de recerca és que la feina de tota una vida d’un científic pot acabar sent una petita part de la feina de tota una vida d’un altre. El que vull dir amb això és que una vida dedicada a la ciència mai és una vida malbaratada.

Tots sabem que hi ha científics més famosos que altres: tothom coneix Einstein o Stephen Hawking. Però hi ha milers de genis les aprotacions dels quals han estatt crucials per a la història de la ciència que passen totalment desapercebudes per als ulls de la societat d’avui en dia, ja que aquesta viu immersa en una incultura científica que sembla incurable. Per això et demano a tu, que estàs llegint això ara mateix, que no et quedis a la superfície de les coses. Si et fas preguntes sobre el que t’envolta no les deixis estar, investiga i busca una resposta. I després quan et trobis amb un amic explica-li amb tanta passió que li transmetis el teu interès, i qui sap si després ell quan arribi a casa també investigarà sobre un altre tema i la cadena cada vegada es farà més llarga. Tots tenim un científic dins nostre que està desitjant sortir. Deixem-lo lliure. “L’important en la ciència no es tant obtenir nous fets com descobrir noves formes de pensar sobre ells” William Lawrence Bragg, físic britànic nascut l’any 1890 i guardonat amb el Premi Nobel de Física l’any 1915.

1. ABSTRACT My name is Paloma Laguarta and I am a 2nd of Batxillerat student from Sant Pere de Vilamajor. This is my research project, in which I talk about the historical discoveries of electromagnetism and the scientists who discovered them. I chose this subject because I have always been curious about the phenomena of electromagnetism that I see in my daily basis, so it was easy for me to decide that I wanted the electromagnetism to be the theme of my research project. I have received a lot of help, not only from my teachers but also from my family and friends, to get through this journey successfully. With this project, my goals are to get across the main principles of the electromagnetism, to show the scientists who postulated them, to recreate the experiments that prove their theories right and, in conclusion, to help in the scientific dissemination, which I think is really necessary in our society nowadays.

2. AGRAÏMENTS Des que vaig començar el batxillerat, el treball de recerca ha estat un tema de conversa recurrent amb la gent del meu voltant. Tothom et diu que t’hi posis d’hora, que no ho deixis pel final, que escullis un bon tema, que siguis original… Però realment no et dones compte de la importància del treball fins que falten poques setmanes per a que el lliuris. He passat molts nervis i moments d’estrès per culpa de que sóc bastant perfeccionista, i vull agrari a la meva família i amics la calma i el suport que m’han donat quan les he necessitat. També vull agrair la feina feta pel meu tutor, en Jordi Trubat, per haver-me orientat i ajudat en tot aquest projecte. Però sobretot vull agrair-li les seves aportacions a les dues persones que més m’han ajudat amb aquest treball i de manera totalment desinteressada: l’Albert Navarro i la meva mare, l’Esther González. L’Albert és el meu professor de Tecnologia Industrial des de 1r de Batxillerat i ha estat una ajuda imprescindible per a la part pràctica d’aquest treball. M’ha proporcionat moltes idees i sobre tot materials que sense ell no hagués pogut aconseguir. La meva mare és llicenciada en física teòrica i m’ha ajudat moltíssim a entendre els conceptes més difícils dels quals parlo en aquest treball, m’ha donat moltes idees, m’ha ajudat quan estava una mica perduda, s’ha ocupat de proporcionar-me molts materials i sempre he estat allà quan li he demanat. Atots vosaltres, moltíssimes gràcies!Aquest treball també és vostre.

3. INTRODUCCIÓ Com van afectar els descobriments històrics de l’electromagnetisme a la nostra societat? Aquesta és la pregunta que em vaig fer després de repassar els aparells que utilitzava durant un dia normal i corrent de la meva vida: M’aixeco pel matí i el primer que faig és esmorzar, així que m’escalfo la llet al microones. Després, mentre espero a que s’escalfi, encenc la televisió amb el comandament a distància per mirar les notícies. A la vegada, encenc el meu telèfon mòbil i em connecto a la xarxa Wi-Fi de casa meva per utilitzar l’internet. Abans de marxar cap a l’institut, apago la tel·levisió i quan ja estic al cotxe engego la radio per escoltar música. Quan estic a l’institut utilitzem també la xarxa Wi-Fi amb les pissarres digitals i encenem els fluorescents per veure millor. Després torno a casa i utilitzo un imant de les meves claus per desactivar l’alarma, i un cop desactivada, al llarg de la tarda, faig servir altre cop la tel·levisió, el microones, la xarxa Wi-Fi, etc. Abans d’anar a dormir, poso el meu telèfon mòbil a carregar i al dia següent es repeteix aquesta rutina. Igual que jo, la majoria de les persones que viuen en una societat semblant a la nostra també utilitzen aquests tipus d’aparells en el seu dia a dia. I què tenen tots aquests aparells en comú? Utilitzen fonaments electromagnètics pel seu funcionament. Quan em vaig adonar que tots aquests artil·lugis tan necessaris en la nostra rutina funcionaven amb el mateix fonament científic, se’m va acudir investigar quin va ser l’origen del que ara anomenem electromagnetisme i ens ofereix poder gaudir de totes aquestes facilitats i recursos. En la meva primera recerca, que va ser l’any passat i per mera casualitat, vaig veure que hi havia moltíssima informació i alguns científics molt importants que van contribuir

al descobriment de l’electromagnetisme. Vaig fer la reflexió de que tot i que la tecnologia va avançant cada vegada més, l’interés per conèixer els seus orígens i fonaments científics es manté casi nul. La majoria de la gent (inclosa jo mateixa al principi) no sap res dels científics que van descobrir els fenòmens electromagnètics tot i que gràcies a les seves troballes el nostre dia a dia és més fàcil i dinàmic per les millores que aquestes troballes van suposar. Per demostrar que, en general, la gent no té cap cultura científica sobre l’electromagnetisme, vaig realitzar una enquesta en la qual van participar joves d’entre 15 i 18 anys, adults d’entre 35 i 55 anys i gent de la tercera edat. La vaig realitzar fent servir una aplicació basada en web 2.0, que és “Googleforms”. (L’enquesta la podeu trobar alsAnnexos del treball, a l’apartat 17). D’aquesta enquesta vaig treure la conclusió de que no només hi ha incultura per part de la societat, sinó que és una incultura cega. Per dir això em baso en que més de la majoria de la gent que va respondre aquesta enquesta creu que sap què és l’electromagnetisme, però molt menys de la meitat realment saben què és. També, per si fós poc, un 18,2% són ignorants en quant a la seva utilitat, quan el fan servir cada dia. Aquí va ser quan se’m va acudir fer servir el meu treball de recerca com un treball de divulgació científica per contribuir amb el meu granet de sorra a crear una societat més informada des del punt de vista científic. Per tant, el meu objectiu amb aquest treball no és només mostrar com la societat es va veure afectada per aquests descobriments històrics de l’electromagnetisme i explicar els seus fonaments i inicis, sinó també donar a conèixer la feina dels científics gràcies als quals avui podem disfrutar de tantes comoditats tecnològiques. En aquest treball he volgut recollir les aportacions més significatives al camp de l’electromagnetisme que han tingut lloc al llarg de la història. Per fer-ho, he basat el marc teòric en les explicacions dels fenómens i principis de l’electromagnetisme (incloent, per suposat, les biografies dels científics que els van descobrir i postular). Per altra banda, el marc pràctic d’aquest treball està centrat en reproduïr els experiments gràcies als quals o bé es van descobrir o bé es van demostrar, els fenómens dels quals parlo.

Finalment, el mètode científic ha sestat el meu referent per a dur a terme la part pràctica del treball de manera rigorosa i treure les conclusions de cada experiment realitzat.

4. OBJECTIUS DEL TREBALL Els objectius del meu treball de recerca són: 1. Explicar els descobriments històrics de l’electromagnetisme. 2. Donar a conèixer els científics que els van fer. 3. Explicar l’evolució de l’electromagnetisme al llarg de la història. 4. Reproduïr els experiments que van contribuïr a fer els descobriments per a mostrar les dues parts de la ciència: la teoria i la pràctica. 5. En conjunt, utilitzar el meu treball com a medi de divulgació científica per a contribuïr a la creació d’una societat més informada científicament.

ARC TEÒRIC

5. AMB L’ELECTRÓ COMENÇÀ TOT: L’EXPERIMENT DE MILLIKAN La base de l’electricitat i, per tant, de l’electromagnetisme, és l’electró. Amb símbol e—, és una partícula subatòmica que té una càrrega elèctrica elemental negativa. Però, què és una càrrega elèctrica? La càrrega elèctrica, normalment representada com Q i mesurada en coulombs (C), és una propietat fonamental que està associada a les partícules subatòmiques1 i segueix la llei de conservació2. La matèria carregada elèctricament és influenciada pels camps electromagnètics3 i, a la seva vegada, també en produeix. La interacció entre un camp electromagnètic i una càrrega en 1 Acostumen a formar part dels àtoms i són protons, neutrons i electrons. 2 mesura que el sistema evoluciona en el temps. És un camp que es produeix per la presència d’objectes carregats de manera elèctrica. 3 Fig. 1: En aquesta fotografia podem observar un àtom amb el nucli i els electrons il·luminats.

moviment és l’origen de l’anomenada força electromagnètica, que és una de les quatre forces fonamentals de la natura4. Actualment podem anar a qualsevol navegador d’internet i buscar quant val la càrrega d’un electró, però alguna vegada us heu preguntat com es calcula? O quan es va calcular per primera vegada i com? Doncs jo us ho explicaré. Robert Andrews Millikan va ser un físic nord-americà d’origen escocés que va estudiar a la Universitat de Columbia. Va ser professor de física a la Universitat de Chicago durant 25 anys, i president del Laboratori Norman Bridge a l’Institut Tecnològic de Califòrnia durant 30 anys. L’any 1907 va iniciar una sèrie d’investigacions destinades a mesurar la càrrega d’un electró. Al principi va estudiar l’efecte dels camps elèctric i gravitatori sobre una gota d’aigua. Els resultats suggerien que la càrrega elèctrica de les gotes era deguda a una càrrega elèctrica elemental, però l’experiment amb les gotes d’aigua no era prou precís per a ser concloent, ja que aquestes s’evaporaven amb massa rapidesa. Més tard, va subsituir les gotes d’aigua per gotes d’oli, deduint de les seves observacions el primer valor precís de la constant elèctrica elemental. Millikan va utilitzar un aparell que constava de dues làmines metàl·liques paral·leles. A través d’un petit orifici de la làmina superior, va deixar caure les gotes d’oli que havien sigut carregades per fricció amb un polvoritzador5. Un feix de llum horitzontal il·luminava les gotes, les quals eren observades per Millikan a través d’un microscopi, l’eix del qual formava un angle recte 4 relacionen entre si. Aquestes forces són: la força nuclear feble, la força nuclear forta, la força gravitatòria i la força electromagnètica. Estri que s’empra per obtenir una molt fina difusió d’un líquid a través d’una bomba manual. 5 Fig. 2: Imatge de RobertAndrews Millikan.

respecte al feix. Al observar les gotes d’aquesta manera es podia determinar la velocitat de caiguda de cadascuna d’elles. Mesurant la intensitat del camp elèctric necessari per a contrarrestar la força de la gravetat, calculant el pes d’una gota i coneixent la massa de totes les gotes, Millikan va observar que els valors de les càrregues elèctriques d’aquestes eren sempre múltiples enters d’una quantitat fixa, que és la càrrega elemental de la qual hem parlat abans. El valor que Millikan va obtenir va ser e = 1,5924(17)×10-19 C, que és només un 0,62% inferior al valor acceptat actualment, que és e = 1,602176565(35)×10-19 C. “Ni tan sols la pròpia naturalesa sap quin camí seguirà un electró”. Richard Phillips Feynman (1918 — 1988), físic nord-americà i Premi Nobel de Física l’any 1965. Fig. 3:Aquí tenim un dibuix explicatiu per fer-nos una idea gràfica de l’experiment de Millikan.

6. LA HISTÒRIA DE L’ELECTROMAGNETISME La història de l’electromagnetisme té els seus inicis a la Xina, a principis de l’any 2000 a.C., i també es remonta als antics grecs, que van observar els fenòmens elèctrics i magnètics cap a l’any 700 a.C. L’existència de la força magnètica es va descobrir al observar que els trossos de roca natural, anomenada “magnetita” (Fe3O4), atreien el ferro, i que al fregar àmbar, aquest s’electrificava i era capaç d’atraure trossos de palla o plomes. Durant molts anys, l’existència de l’electromagnetisme va relacionar-se sempre amb l’àmbar o el ferro, fins que el 1600 un metge i físic anglès, anomenat William Gilbert, va descobrir que l’electrificació no estava limitada al ambarí, sinó que era un fenòmen general. En el seu llibre “De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure”, Gilbert va descriure moltes de les seves experiències amb l’electricitat i el magnetisme i va concloure que la Terra era magnètica, i per això una brújula sempre senyala el nord. Aquesta va ser una gran troballa per a l’història de l’electromagnetisme i, per això, una unitat de força magnetomotriu s’anomena gilbert (Gi) en el seu honor. Dos segles més tard, el 1820, un professor de ciències poc conegut de la Universitat de Copenhague, Dinamarca, va realitzar un experiment que canviaria la història de l’electromagnetisme. Era Hans Christian Oersted. Va preparar a casa seva un experiment científic que anava destinat als seus amics i estudiants. Planejava demostrar l’escalfament d’un fil metàl·lic per mitjà d’un corrent elèctric i també altres fenómens relacionats amb el magnetisme, pels quals va disposar d’una agulla de compàs muntada sobre una peanya6de fusta. Base o suport per col·locar a sobre una escultura o un altre objecte, especialment una imatge religiosa. 6 Fig 4: Fotografia d’una magnetita.

Mentre duia a terme la seva demostració elèctrica, Oersted va notar, per a la seva sorpresa, que cada vegada que es connectava el corrent elèctric, es movia l’agulla del compàs. No va dir res i va finalitzar els experiments, però durant els mesos següents va treballar per intentar explicar el nou fenòmen que havia trobat. L’agulla no era atreta ni repelida, sinó que tendia a quedar-se en angle recte. El descobriment d’Oersted va ser el tret de sortida per a què altres físics de la seva època poguessin explicar aquest fenòmen de manera teòrica amb l’existència d’un camp magnètic (o imant) al voltant de tot conductor al ser travessat per un corrent elèctric. Fins aquell moment, el magnetisme i l’electricitat eren considerats com independents, però l’experiment d’Oersted va suposar la trobada d’una connexió entre aquests, amb un accident que pot considerar-se com el naixement de l’electromagnetisme. Uns anys més tard, el 1831, el físic anglès Michael Faraday es va fer una pregunta en conseqüència al fenòmen que havia descobert Oersted. La qüestió que va presentar era la següent: si amb el corrent elèctric es pot simular l’efecte d’un imant, funcionarà també al contrari? És a dir, es pot obtenir corrent elèctric a partir d’un imant? El seu experiment va demostrar que un imant crea un corrent elèctric en un cable sempre que o bé l’imant, o bé el cable, estiguin en moviment. Fig. 5: En aquesta imatge es pot observar el fenòmen que va descobrir Oersted.

André-Marie Ampére també és considerat un dels “pares” de l’electromagnetisme. És conegut per haver postulat la Llei d’Ampère i per haver descobert les accions mútues entre corrents elèctrics paral·lels7 i antiparal·lels8. Però tots aquests experiments i descobriments històrics de l’electromagnetisme no tindrien cap raó de ser sense el treball de James Clerk Maxwell, un matemàtic i físic teòric escocès del segle XIX que va dedicar la major part de la seva vida a estudiar i investigar l’electromagnetisme. La seva contribució més important a aquest camp va ser l’ampliació i la formulació matemàtica dels treballs anteriors sobre l’electricitat i el magnetisme d’Oersted, Faraday i Ampére. Aquesta formulació matemàtica la va basar en un conjunt interrelacionat Aquestes equacions van ser d’equacions diferencials9. el presentades per primera vegada a la Royal Society10 Dos corrents elèctrics són paral·lels si els seus fluxos elèctrics viatgen en la mateixa direcció i sentit. 7 8 sentit oposat. 9 desconegudes i les seves derivades. 10 considerada la societat científica més antiga encara existent. Fig. 8: Interacció entre corrents paral·lels i antiparal·lels expressada gràficament. Fig. 9: En aquesta imatge es poden observar els dos corrents paral·lels circulars. Fig. 10: Imatge de James Clerk Maxwell.