La Evolución del Electromagnetismo: De las Primeras Ideas a las Ecuaciones de Maxwell
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La Fascinante Historia del Electromagnetismo
El estudio de la relación entre electricidad y magnetismo ha sido un pilar fundamental en el desarrollo de la física moderna. Ya en 1760, el matemático nacido en Suiza Leonhard Euler sugirió que el mismo éter que propaga la luz era responsable de los fenómenos eléctricos. Sin embargo, en comparación con la mecánica y la óptica, la ciencia de la electricidad se desarrolló lentamente.
Primeros Avances y la Electrostática
El magnetismo fue la única ciencia que progresó en la Edad Media, tras la introducción en Occidente de la brújula magnética desde China. No obstante, el electromagnetismo desempeñó un papel menor en la revolución científica del siglo XVII. Fue, sin embargo, la única rama de la física en la que se realizaron progresos muy significativos durante el siglo XVIII. Hacia el final de ese siglo, las leyes de la electrostática —el comportamiento de las partículas cargadas en reposo— eran bien conocidas, y el escenario estaba listo para el desarrollo de la elaborada descripción matemática realizada por primera vez por el matemático francés Siméon-Denis Poisson. En aquel entonces, no existía una conexión aparente entre electricidad y magnetismo, excepto que los polos magnéticos, al igual que las cargas eléctricas, se atraen y repelen con una fuerza que sigue una ley de cuadrado inverso.
El Descubrimiento de la Conexión: Ørsted y Ampère
Tras los descubrimientos en electroquímica (los efectos químicos de la corriente eléctrica) por los investigadores italianos Luigi Galvani, un fisiólogo, y Alessandro Volta, un físico, el interés se centró en la corriente eléctrica. El físico danés Hans Christian Ørsted buscó una conexión entre las corrientes eléctricas y el magnetismo, y durante el invierno de 1819-20 observó el efecto de una corriente sobre una aguja magnética. Los miembros de la Academia Francesa se enteraron del descubrimiento de Ørsted en septiembre de 1820, y varios de ellos comenzaron a investigar más a fondo. De estos, el más completo tanto en el experimento como en la teoría fue el físico André-Marie Ampère, a quien se puede considerar el padre de la electrodinámica.
Las Leyes Fundamentales y la Síntesis de Maxwell
El conjunto de las leyes empíricas fundamentales de la electricidad y el magnetismo se completó con el descubrimiento de la inducción electromagnética por Faraday en 1831. En resumen, un cambio en el flujo magnético a través de un circuito conductor produce una corriente en el circuito. La observación de que la corriente inducida está en una dirección que se opone al cambio que la produce, ahora conocida como la Ley de Lenz, fue formulada por el físico de origen ruso Heinrich Friedrich Emil Lenz en 1834.
Cuando las leyes fueron puestas en forma matemática por Maxwell, la ley de inducción se generalizó para incluir la producción de campo eléctrico en el espacio, independientemente de la existencia de circuitos conductores, pero por lo demás no se modificó. Por otro lado, la Ley de Ampère, que describe el efecto magnético de una corriente, requirió enmiendas para ser consistente con la conservación de la carga (la carga total debe permanecer constante) en presencia de campos eléctricos cambiantes. Maxwell introdujo la idea de "corriente de desplazamiento" para hacer que el conjunto de ecuaciones fuera lógicamente consistente.
Como resultado, al combinar las ecuaciones, obtuvo una ecuación de onda, según la cual las perturbaciones transversales eléctricas y magnéticas se propagan con una velocidad que podría calcularse a partir de mediciones eléctricas. Estas medidas estaban disponibles para Maxwell, ya que los físicos alemanes Rudolph Hermann Arndt Kohlrausch y Wilhelm Eduard Weber las habían realizado en 1856, y su cálculo le dio el mismo resultado, dentro del margen de error, que la velocidad de la luz en el vacío. Fue la coincidencia de este valor con la velocidad de las ondas predichas por su teoría lo que convenció a Maxwell de la naturaleza electromagnética de la luz.