No soy físico teórico. Aclaro porque algunos me saltarán a la yugular. Pero lo que voy a describir coincide con la realidad, hasta donde tengo entendido. Y lo verifico a diario en mi trabajo. ¿Y para qué lo comento? Porque en mi proceso de aprendizaje me explicaron ciertos fenómenos de una forma que me costó entender. Y se hizo sentido común en mí recién años después de terminar mis estudios de técnico, y de haber dejado la facultad luego de estudiar ingeniería. En ambos ámbitos me enseñaron esto que les cuento. Pero reconozco que no lo entendí plenamente en esa etapa.
Michael Faraday descubrió cerca
de 1831 el efecto de un campo magnético variable cuando es abrazado por una
espira. Circula una corriente, si el camino está cerrado. Y esto es
consecuencia de una tensión inducida en esa espira, tensión que depende del
flujo abrazado y de su variación en el tiempo. Si no hay variación, no hay
tensión inducida. Y esta es la principal razón por la cual la tensión alterna
es la que se usa industrial y comercialmente y no la continua.Michael Faraday
Este fenómeno que observó
Faraday quedó plasmada en su ecuación
e = dΦ/dt
En una espira que abraza un
flujo magnético variable aparecerá inducido ese potencial e. Y si esa espira
está cerrada circulará una corriente producto de esa tensión inducida en la
espira, según la ley de Ohm -causa y efecto-. Ya antes de Faraday, el amigo
André Marie Ampere había descubierto que una corriente circulando por un
conductor produce un campo magnético a su alrededor. No exactamente así, pero
ya se conocía este fenómeno desde 1823. Ley de Ampere. Sigamos.
Si una espira cerrada que abraza
un campo magnético variable produce la circulación de una corriente, ¿qué
sentido tendrá esta corriente? Y aquí invito a pensar libremente.
Esa corriente va, a su vez,
inducir un campo magnético según Ampere. Supongamos que la dirección de ese
campo inducido por la corriente es tal que coincide en cada instante con la
dirección del campo magnético variable que indujo esa misma corriente. En ese
caso, el campo magnético se intensifica, se intensificará la corriente inducida
acorde a Faraday, esta mayor corriente inducirá mayor campo acorde a Ampere y
así indefinidamente. Este proceso de realimentación positiva contradice la
conservación de energía. Recordemos que un conductor real en forma de espira
tiene una resistencia R diferente de cero (conductor ideal) y por lo tanto al
circular corriente se disipa energía según la expresión I2R. Y esta
realimentación positiva significa una disipación cada vez mayor de energía,
ilimitada. Esta energía la debe proveer el campo magnético. Y éste tiene una
energía almacenada finita, limitada, que depende del espacio físico y de las
características del campo magnético. Algunas fórmulas sencillas que se pueden
aplicar para cuantificar esta energía son las siguientes:
w = ½ . B . H | W = ½ . L . I2
El primer valor w es energía por
unidad de volumen del campo magnético. En el segundo caso W es la energía total
vinculada al conjunto campo/espira donde L es la inductancia de ese combo.
Vemos que no hay energía
infinita por ningún lado. La única conclusión desde esta lógica es que la
corriente circulará en el sentido opuesto al que correspondería si fuese a
crear un campo magnético que se sume al original. En otras palabras: el sentido
de la corriente inducida en una espira cerrada que abraza un campo magnético
variable es tal que el campo magnético que esta corriente a su vez produce
estará en todo momento oponiéndose al campo original.
El fenómeno observado por
Faraday en 1931 fue analizado luego por Emil Lenz en 1834. Y Lenz llegó a la
conclusión que acabo de mencionar, y que pasó a conocerse como "Ley de
Lenz".Heinrich Lenz
En la práctica, esta definición
pasó a integrar la ecuación de Faraday como un signo menos (-) para graficar en
números que la tensión inducida en estas condiciones generará una corriente que
generará a su vez un campo magnético que se opondrá al campo que lo produce.
Por lo que hoy decimos que la Ley de Faraday de la inducción magnética se escribe:
e = - dΦ/dt.
Pero lo genial de todo este
asunto, y que me impresionó cuando finalmente lo descubrí, es que Maxwell,
gracias a su mejor manejo matemático y su disposición de buenos laboratorios
(Cavendish) logra deducir fórmulas más completas que representan el fenómeno en
toda su magnitud. De esas deducciones matemáticas logra extraer el valor de la
resistencia R de la célebre espira faradaiana y así descubre que esa tensión
inducida se produce independientemente de si hay o no una espira o material
alguno: se induce en el vacío. Y al inducirse en el vacío ese campo eléctrico,
lo que ocurre es lo siguiente: si introduzco un conductor en un campo
eléctrico, sus electrones libres circulan de tal forma de contrarrestar ese
campo en el cual el conductor está inmerso. Esto produce la compensación de ese
campo al interior del conductor. Y por eso decimos, al estudiar electrotecnia,
que en el interior de un conductor no puede existir un campo eléctrico. Porque
al ser conductor, el campo eléctrico provocará el movimiento de los electrones
de tal manera de anularlo. Al interior del conductor se genera un campo
eléctrico idéntico y contrario al existente y por esa razón ambos se anulan.
Pero lo que mido en los extremos de la espira, si está abierta, es un potencial
opuesto al generado por el campo magnético variable en el espacio.
Explicado esto muy
resumidamente, podemos volver a Faraday. Al él observar la tensión y corriente
inducida en una espira, no estaba viendo el fenómeno original, sino la reacción
que este fenómeno produce dentro de un conductor. En el conductor no "se
induce una tensión" sino que se induce un campo eléctrico en el espacio
circundante y es este campo eléctrico el que hace que los electrones del
conductor se acomoden de tal forma de provocar un potencia eléctrico en los
extremos de la espira -si estuviera abierta- o la circulación de una corriente
si estuviera cerrada.
Y por eso, la corriente que
circula en este caso, se opone a la causa que lo produce. Lo que dijo Lenz.James Clerk Maxwell
Pero volviendo a Maxwell. No habiendo
conductor, el campo eléctrico producto de la variación del campo magnético que
lo produce, no está en oposición al campo que lo genera, sino que está en
sintonía con él. Y ese campo eléctrico variable a su vez genera un campo
magnético variable y el proceso se puede propagar ad infinitum. ¿Pero de dónde
proviene la energía si la situación es la descrita ahora? De la fuente que está
creando en campo originario, ya sea eléctrico o magnético.
Con estas observaciones, Maxwell
pudo predecir matemáticamente que deben existir ondas electromagnéticas. Y
expresando las ecuaciones de onda correspondiente, partiendo de lo conocido de
campos eléctricos y magnéticos, trabajos de Coluomb y Faraday, dedujo que la
velocidad de propagación era la velocidad de la luz. Esto permitió, a su vez,
deducir que la luz misma era una onda electromagnética.
Y así como en los procesos
matemáticos logró eliminar la resistencia del conductor y determinar que el
campo eléctrico inducido se establecía en el vacío, sin necesidad de materia
alguna, al deducir la velocidad de propagación de las OEM, eliminó toda mención
a un punto de referencia. Esta velocidad no es respecto de algo específico o
marco de referencia alguna. Y ese detalle fue lo que inspiró a Albert Einstein,
décadas más tarde, a tomar la velocidad de la luz como lo absoluto en el
universo y por lo tanto dedujo que es el tiempo el que varía según cada
observador. Relatividad, que le dicen. Pero esto es tema para otro artículo.
