L.O.C.

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domingo, 20 de febrero de 2022

FARADAY, LENZ Y MAXWELL

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.

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