Bienvenido a PRACTICA CIENCIA. Este es un blog dedicado a la divulgación científica. Su principal característica es un enfoque basado en la experimentación como punto de partida y en presentar cada nueva entrada justo cuando las anteriores han fijado de manera sólida los conocimientos previos necesarios. Este blog hace uso sistemático de vídeos de youtube, ya que el autor considera que no hay nada como ver para creer y hoy en día hay excelente material didáctico en la red el cual puede ser legalmente utilizado ya que apuntamos directamente a la fuente y al autor del mismo. Así, este blog está cogiendo el formato de lo que podríamos denominar una "youtupedia": entradas apoyadas por vídeos donde hay multitud de enlaces que nos derivan a otras entradas y en el que además se intenta que haya siempre un hilo conductor. Todo ello amenizado por los propios comentarios del autor que son fruto de su experiencia en el campo, tras años de estudio y autoindagación.
En este vídeo vemos reproducido el principio de Faraday de inducción electromagnética con los elementos que lo hacen más didáctico. En el vídeo se aclara que no solamente Faraday, sino de forma prácticamente simultánea Henry, llegaron al mismo principio experimentalmente. Y además se presenta la ley matemática que enuncia tal principio: la ley de Faraday-Henry, por la que un campo magnético variable en el tiempo es capaz de inducir una fuerza electromotriz (asociada a la letra griega epsilon) en un circuito conductor, y ésta es igual a menos la variación del flujo magnético que atraviesa la superficie encerrada por dicho circuito. Apréciese cómo esta formulación supone una modificación en la ley de Gauss del magnetismo.
Tras haber estado experimentando con bobinas hilvanadas sobre un mismo núcleo de hierro de forma toroidal, en lo que fue el experimento histórico del fenómeno de la inducción electromagnética, se puso de manifiesto que lo que generaba la corriente inducida era la variación del campo magnético.
Así que durante el mismo año en que se produjo tal revelación, 1831, el propio Faraday buscó una disposición más sencilla que originara el mismo fenómeno y, a poder ser, de una forma más clara. Si lo que se trataba era de generar un campo magnético variable, era suficiente una bobina enrollada sobre un tubo cilíndrico y un imán de barra. La clave ahora estaría en el movimiento relativo del imán hacia la bobina.
En realidad sería suficiente un hilo conductor enrollado formando una espira para generar el fenómeno. Pero el hecho es que el efecto solamente sería apreciable si dispusiéramos de un imán en forma de herradura extraordinariamente potente y un amperímetro de gran sensibilidad (un microamperímetro). El autor de estas líneas tuvo ocasión de ver el fenómeno con tales elementos, los cuáles a día de hoy son difíciles de conseguir.
Al usar una bobina el efecto de la inducción se multiplica en proporción al número de espiras (en realidad, al cuadrado de las mismas, como se verá más adelante), por lo que, con un imán y un amperímetro común, el efecto es perceptible.
En este vídeo podemos ver una reproducción del experimento histórico de Faraday por el que se descubrió la inducción electromagnética pero utilizando materiales actuales: un par de bobinas independientes, una batería y un amperímetro analógico. En éste se puede apreciar muy claramente como la aguja del amperímetro se mueve por un instante hacia la derecha cuando se conecta la batería o hacia la izquierda si invertimos la polaridad de los cables conectados a la primera bobina (inductor).
Los vídeos que acompañan a esta entrada se corresponden con una serie documental británica sobre los seis grandes experimentos científicos que cambiaron la historia de la Humanidad. Los tres vídeos que aquí se enlazan son fragmentos del capítulo dedicado a los logros de Michael Faraday.
En el segundo vídeo se nos presenta cómo Michael Faraday conoció a su mentor, Hamphey Davy, el carácter de ambos y la infinita curiosidad e intuición del primero. En este vídeo podemos conocer el entorno de trabajo de Faraday, su laboratorio y el material con el que solía trabajar, así como la Royal Society, esa gran sala de conferencias que a modo de teatro utilizaban los científicos de la época, con Davy en la cabeza como presidente, para mostrar sus más recientes descubrimientos para el deleite de los asistentes.
Las principales tareas de Faraday en sus inicios como asistente personal de Davy se centraron más en el terreno de la Química. Pero a raíz del experimento de Oested, por el que se demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor, Faraday sintió un irrefrenable interés por ese campo, aprovechando las pocas ocasiones que tenía para investigar por su cuenta para desarrollar montajes experimentales en ese ámbito. Así nació el primer prototipo de motor eléctrico de la historia, cuyo principio de funcionamiento es minuciosamente expuesto en el vídeo.
Tras el descubrimiento de Oersted, la comunidad científica en pleno a lo largo de toda Europa se puso a investigar para buscar un mecanismo mediante el cual se pudiera favorecer el efecto contrario: la generación de corriente eléctrica a partir del magnetismo. A lo largo de más de diez años nadie consiguió dar una respuesta satisfactoria y no fueron pocos los intentos con todo tipo de disposiciones entre imanes, electroimanes y cables conductores. Pero todas las disposiciones pecaron de lo mismo: eran fijas. Es decir, intentando invertir el experimento de Oersted, y al igual que en el mismo, ninguno de los elementos en esos experimentos se movía.
Pero incluso así, Fadaray consiguió desarrollar un experimento en el que a pesar de que todos los elementos estaban fijos, se pudo demostrar por primera vez que sí era posible generar electricidad a partir de un campo magnético, dando además la clave para ello.
La clave del histórico experimento de Faraday, cómo se puede apreciar en el último de los vídeos, fue la utilización de dos bobinas de hilo conductor enrolladas sobre un mismo núcleo magnético toroidal. Faraday probablemente experimentó con otras disposiciones entre dos bobinas. Pero comprendió que si colocaba una dentro de la otra, por ejemplo, siempre se podría argüir que parte del campo magnético creado por una la primera circularía por su exterior y que si colocáramos una aguja magnética para medir el efecto de la corriente generada en la segunda, también se podría mover a causa directamente del campo magnético externo de la primera.
En cambio, si se utilizaba un núcleo toroidal, sabido era que esa disposición tenía la interesante particularidad de que todas las líneas de campo magnético circularían encerrándose exclusivamente por el interior de la/s bobina/s.
Entonces la primera bobina, a la que llamó A, la conectó a una poderosa batería eléctrica, y de la segunda bobina, a la que llamó B, sacó una extensión de cable eléctrico muy cerca del cuál colocó una aguja imantada que pendía de un hilo.
Lo que observó Faraday es que la aguja imantada se movía (apenas un poquito, pero se movía) justo cuando conectaba o cuando desconectaba la batería. En el vídeo podemos ver cómo se reproduce el experimento utilizando un galvanómetro didáctico para mayor claridad. Este experimento dio la clave que se andaba buscando. Lo que era capaz de generar una corriente eléctrica, no era el campo magnético en sí, sino la variación en el tiempo de dicho campo magnético.
El poder imaginativo de Michael Faraday le ayudó a "ver" lo que otros solamente podían comprender tras largos periodos de entrenamiento en la formulación e interpretación de las expresiones matemáticas que describen las leyes de la Física. Así, Faraday de forma intuitiva era capaz de visualizar las líneas de fuerza del campo magnético creado por un hilo conductor o un imán permanente.
Esta capacidad imaginativa le llevó a plantearse el experimento de Oersted desde otra perspectiva. En lugar de colocar la corriente eléctrica en el centro se planteó disponer un imán permanente. El cable conductor estaría a su alrededor, fijo por su extremos superior y libre por su extremo inferior. Todo ello se dispondría en un recipiente que se tendría que llenar parcialmente con mercurio. El mercurio es un elemento muy interesante, ya que es un buen conductor eléctrico, pero en condiciones normales de presión y temperatura se encuentra en estado líquido. Este hecho facilita dos cosas: cerrar el circuito eléctrico y la movilidad del extremo libre del conductor.
Para muchos considerado como el experimento del siglo, este ensayo sentó las bases del primer motor eléctrico sobre los que se ha desarrollado nuestra sociedad tecnológica.
Michael Faraday nació en Newington, al sur de Londres, el 22 de septiembre de 1971 en el seno de una familia pobre. Sus padres pertenecían a la iglesia de los sandemanianos, una secta protestante fundamentalista cuyas normas básicas de conducta se centraban en el amor y en el sentido de comunidad. Su padre trabajó como herrador de caballos. Su madre era de origen campesino.
Es notable el hecho de que dos de las más brillantes científicos que Inglaterra aportara al mundo, Newton y Faraday, fueran de origen tan humilde y salieran adelante tras pasar una infancia tan dura. Newton terminaría uniendo las leyes de la gravitación del cielo y de la tierra. Faraday terminaría uniendo las leyes de la electricidad con las del magnetismo.
A la edad de 13 años, en la ciudad de Londres, donde se habían mudado a vivir sus padres, Faraday realizó su primer trabajo como repartidor de periódicos, tras haber completado una educación de lo más corriente. Ese mismo año un librero lo contrató como mensajero y en poco tiempo ascendió a aprendiz de encuadernador, trabajo en el que demostró gran diligencia y en el que siguió progresando. Tras cinco años ya contaba con dos ayudantes. Esa ocupación fue fundamental para Faraday ya que le facilitó el acceso a los libros. De esa manera tuvo acceso a los principales tratados de la época sobre electricidad.
En 1810 Faraday encontró un grupo de jóvenes con un interés común por la ciencia. Solían reunirse los miércoles por la noche y debatían sobre diferentes temáticas: electricidad, hidrostática, óptica, química... Fue ahí donde Faraday puso por primera vez en operación la pila fotovoltaica. Fue en este ambiente donde Faraday recibió unos boletos para asistir a varias conferencias de Humphey Davy, el que por entonces era el presidente de la Royal Society. Faraday tomó detalladas notas de esas conferencia, las pasó a limpió y posteriormente las mandó junto a su candidatura para solicitar un puesto como asistente en la sociedad.
Humphey Davy era un notable químico, muy famoso y prestigioso en toda Inglaterra, gran conferenciante (la gente pagaba auténticas fortunas para asistir a sus charlas). Entre otros hallazgos Davy descubrió varios elementos químicos como el potasio, el sodio, el magnesio y el calcio. Estos descubrimientos fueron posibles gracias al recién invento de Alessandro Volta: la pila. Hasta entonces la mayoría de los elementos químicos que se habían descubierto se encontraban en la Naturaleza en forma de óxidos y la forma de aislarlos era por combustión con carbón. Pero el uso de la electricidad se demostró que podía aplicarse para disociar el agua en hidrógeno y oxígeno y asimismo algunos ácidos.
El hecho es que Davy aceptó a Faraday como ayudante de laboratorio y un poco chico para todo, asistente personal... Un par de años más tarde Faraday fue invitado por Davy para acompañarlo en un largo viaje por Europa. En ese periodo Francia estaba en guerra con Inglaterra, pero a pesar de ello recibieron la autorización de Napoleón para poder visitar el país. Eran tiempos convulsos. De hecho, Faraday había nacido en par de años después de la Revolución Francesa. En Francia ser reunieron con Ampère, gran científico teórico muy hábil con la formulación matemática, cuyo éxito y reconocimiento le llegó bien entrado en los cuarenta y gracias al patrocinio que su padre, un abogado, le dejó en herencia antes del ser mandado a la guillotina por los patriarcas de la Revolución. Llevaron a cabo experimentos en Ginebra con el pez torpedo eléctrico, del cual Cavendish, con botellas de Leiden, había constrído un modelo. Y en Florencia pudo ver cómo Davy llegó a quemar un diamante utilizando una lente que le había prestado el duque de Toscania. Así se demostró que el diamante era carbón puro. En Milán conoció al mismo Volta.
A su regreso a Londres Faraday realizó investigaciones en diferentes frentes, sobretodo en química y casi siempre a las órdenes de otros. Pero tras conocer el resultado del experimento de Oersted su interés por la electricidad y el magnetismo fue en aumento, y no desperdició las contadas ocasiones que tuvo para poder investigar en esos campos por su propia cuenta. En seguida sintió la intuición de que si la corriente eléctrica era capaz de crear un campo magnético, el efecto contrario debería de ser posible igualmente. Y no tardó en desarrollar el primer prototipo de motor eléctrico.
Por circunstancias que probablemente nunca se podrán esclarecer Davy fue desarrollando cierta animadversión hacia Faraday a medida que éste fue creciendo, y todo apunta a que fue el único que se opuso a su nombramiento como nuevo miembro de la Royal Society en el año 1823 (el voto era secreto, pero solamente hubo uno en contra). Así Davy pasó de ser su mentor a desarrollar cierta envidia según fue siendo destronado por su discípulo.
Los dos mayores logros de Michael Faraday fueron: el descubrimiento de la inducción electromagnética y los experimentos de electrólisis por los que estableció la carga eléctrica se encontraba de alguna forma en la materia misma. Estos sentaron las bases de nuestra actual sociedad tecnológica.
Intuitivo, entusiasta, práctico, respetuoso y muy trabajador, Faraday llegó a lo más alto del conocimiento científico de su época a base de empeño, ilusión y trabajo. Y a pesar de sus limitaciones para lidiar con las herramientas matemáticas y la formulación teórica, sus ansias de saber y su extraordinaria imaginación le permitieron "ver" en lo oculto la acción a distancia de fuerza que se contagiaban por el espacio sin necesidad de un punto de contacto.
La rueda de Barlow es un disco de cobre situado entre los polos de un imán. Su borde está en contacto con un pequeño depósito de mercurio. La rueda se conecta a una batería entre el eje de la misma y el depósito de mercurio y se observa que la ésta empieza a girar alcanzando una velocidad angular límite constante.
En este caso, el movimiento es debido al momento de la fuerza que ejerce el campo magnético sobre la corriente que circula entre el centro y el borde de un disco. Obsérvese como la corriente radial se dirige hace abajo, hacia el depósito de mercurio. El campo magnético creado por el imán permanente es perpendicular al plano de la rueda. Por lo tanto, según la Ley de Biot-Savart y aplicando la regla de la mano derecha, como resultado de la interacción del campo magnético con la corriente aparecerá una fuerza giratoria.
Este dispositivo, junto con el prototipo creado por Faraday, se considera el primer motor eléctrico de la historia.
