Estimado/a Ricardo:
Este año 2015 se celebra el 150 aniversario de las
ecuaciones de Maxwell y de la teoría electromagnética de la luz,
acontecimientos que se conmemoran en el «Año internacional de la luz y de las
tecnologías basadas en la luz», declarado como tal por la ONU.
El propio Einstein reconoció que su teoría especial de la
relatividad debía sus orígenes a las ecuaciones de Maxwell. En un artículo
publicado en 1931, con ocasión del centenario del nacimiento de Maxwell, afirmó
que «una época científica acabó y otra empezó con Maxwell» y que «el trabajo de
James Clerk Maxwell cambió el mundo para siempre» (Einstein, 1931).
Richard Feynman, premio Nobel de Física en 1965, señaló:
«con una perspectiva muy amplia de la historia de la humanidad contemplada,
pongamos por caso dentro de diez mil años, no cabe la menor duda de que se
considerará que el hecho más significativo del siglo xix es el
descubrimiento realizado por Maxwell de las leyes del electromagnetismo»
(Feynman et al., 1987).
ORÍGENES DEL ELECTROMAGNETISMO MODERNO
A comienzos del siglo xix, electricidad, magnetismo y
óptica eran tres disciplinas independientes. Sin embargo, la situación cambió
gracias a una invención y a dos descubrimientos. La invención fue la pila
eléctrica, una fuente de corriente eléctrica continua, fabricada por Alessandro
Volta hacia 1800.
Los dos descubrimientos fueron, por una parte, la
demostración de los efectos magnéticos producidos por corrientes eléctricas
realizada por Hans Christian Oersted y André-Marie Ampére en 1820; y por otra,
el descubrimiento de Michael Faraday en 1831 de la generación de corriente
eléctrica a partir de campos magnéticos: la inducción electromagnética.
Estas contribuciones pusieron los pilares del electromagnetismo moderno, que
culminó en el último tercio del siglo xix con la síntesis de Maxwell
de la electricidad, el magnetismo y la óptica. Dicha síntesis representa
probablemente la más profunda transformación de los fundamentos de la física
desde los tiempos de Newton y es uno de los mayores logros de la ciencia, al
unificar los fenómenos eléctricos y magnéticos y al permitir también desarrollar
la teoría de las ondas electromagnéticas, incluyendo la luz (Udías, 2004).
LAS ECUACIONES DE MAXWELL
En la sexta parte de su artículo de 1865, titulada «Teoría
electromagnética de la luz», Maxwell concluye: «difícilmente podemos evitar la
inferencia de que la luz no es otra cosa que ondulaciones transversales
del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos».
Maxwell demostró que las ecuaciones del campo electromagnético podían
combinarse para dar lugar a una ecuación de onda y propuso la existencia de las
ondas electromagnéticas. Al calcular la velocidad de propagación de estas ondas
obtuvo el valor de la velocidad de la luz, y concluyó que la luz era una onda
electromagnética.
Einstein se refirió a ese momento crucial de Maxwell señalando:
«¡Los sentimientos que debió experimentar al comprobar que las ecuaciones
diferenciales que él había formulado indicaban que los campos electromagnéticos
se expandían en forma de ondas a la velocidad de la luz! A muy pocos hombres en
el mundo les ha sido concedida una experiencia de esa índole» (Einstein, 1940).
Antes de Maxwell, la velocidad de la luz era sólo una velocidad entre muchas.
Después de él, la velocidad de la luz se convirtió en una privilegiada,
señalando el camino a Einstein y la relatividad.
¿POR QUÉ DEBERÍAS CONOCER A JAMES C. MAXVELL Y SUS
ECUACIONES?
¿Sabes lo que sale y entra por la antena de tu móvil? ¿Hay
mucha diferencia con la luz que entra por tus ojos? ¿Sabes quienes dieron los
primeros pasos hacia la comprensión de los aparatos electrónicos que usamos a
diario? Este este señor fue el que descubrió uno de los elementos claves del
conocimiento de la humanidad.
Si eres una persona que presumes de tener cierta cultura además de saber quien escribió El Quijote deberías conocer también a este científico. El objetivo de este artículo es presentar las "famosas" ecuaciones de Maxwell explicadas con algo de humor y sin recurrir a las matemáticas, lo cual no deja de ser paradójico e incompleto pues su esencia está ligada al cálculo diferencial.
Si eres una persona que presumes de tener cierta cultura además de saber quien escribió El Quijote deberías conocer también a este científico. El objetivo de este artículo es presentar las "famosas" ecuaciones de Maxwell explicadas con algo de humor y sin recurrir a las matemáticas, lo cual no deja de ser paradójico e incompleto pues su esencia está ligada al cálculo diferencial.
Bien, James
Clerk Maxwell fue un escocés nacido en Edimburgo en 1831 a quien le
gustaba el noble oficio de recortarse la barba. Era un hombre cultivado,
escribía sus propios poemas y los cantaba acompañado de su guitarra. Todo lo
compartía con su mujer con quien vivía tranquila y pacíficamente. !Todo un gentleman británico!
Pero aparte eso también fue un excelente físico y matemático,
posiblemente el más importante del siglo XIX. ¡Vale! Si, todo muy bonito,
pero... ¿Qué descubrió exactamente? Para responder a esto
primero tenemos que hacer una pequeña introducción a cuatro leyes de la física
que ya existían antes que él publicara su propio trabajo. ¡Cuidado que ahora
vamos con cosa muy seria!.
Desde la antigüedad ya en épocas muy lejanas se conocía la
electricidad y ciertos fenómenos como los chispazos que se producen cuando te
peinas o tocas a otras personas, especialmente los de electricidad estática.
Hoy describimos la electricidad como una propiedad de la materia,
es decir: algo que existe. Las cosas son así y punto, hay que aceptarlas.
Llegados a este nivel da igual que seas el hombre más listo
del mundo o que estés aprendiendo desde cero, la carga eléctrica es como quiera
ser. Pero si sabemos que las hay de dos tipos. Las hemos clasificado como
positivas y negativas. Se atraen o se repelen según sean distintas o iguales
respectivamente, pero no se sabe mucho más acerca de ellas mientras se estén quietecitas. La
carga además de existir tiene una influencia alrededor suya que
es la propiedad que causa esas fuerzas de atracción o
repulsión y la podemos medir. Los físicos la llaman campo eléctrico (E).
Volviendo a tiempos antiguos de nuevo también se conocía el magnetismo. Esto es más fácil, todos hemos experimentado con imanes, y estamos familiarizados con sus fuerzas. La influencia de un imán alrededor suya la experimentamos intuitivamente mucho mejor si le acercamos un objeto de hierro y obviamente también es una propiedad que se puede medir y los físicos la llaman campo magnético (B). Dicho esto sigamos con las leyes.
Carl Friedrich Gauss fue uno de los grandes jefazos de
la historia de las matemáticas, más o menos de la misma época de Maxwell y
formuló una ley que por sí misma puede explicar cómo es el campo
eléctrico alrededor de cualquier forma de cargas que se te pueda ocurrir.
Simplemente la encierras en una superficie, piensa una pompa de jabón o un
globo imaginario, cuentas las cargas que hay dentro y haces los cálculos como
el Sr. Gauss te dice que los tienes que hacer y ya sabrás cual será el campo
eléctrico en cualquier sitio de fuera.
Esta ley es totalmente equivalente a la más conocida Ley de Coulomb que enseñan en educación secundaria, de hecho se puede decir que ambas son la misma cosa pero presentadas con distinta ropa.
Ahora nos vamos a los imanes. Esta ley viene a contarnos que no
existen imanes sin los dos polos, es decir, que el campo magnético siempre
hace trayectorias cerradas, todo lo que sale del polo Norte entra por el Sur.
Da igual el empeño que pongas en intentar separarlos, si rompes un imán,
tendrás dos más pequeños. Si vas a lo más chico que se te ocurra, también
tendrás presentes a los dos polos.
Como dijimos un imán crea un campo magnético y si te pones a
hacer pompas de jabón imaginarias a su alrededor de cualquier forma que se te
ocurra el campo magnético que "entra" en la pompa es el mismo que el
que "sale". Los físicos llaman a esto ausencia de monopolos
magnéticos y los cálculos matemáticos con superficies ficticias son la
forma que tienen de explicarlo.
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Las líneas magnéticas salen del polo Norte de un imán y
entran por el Sur. Cualquier superficie cerrada tendrá el mismo número de
líneas que entran y que salen. En la ilustración se ha ejemplificado en dos
dimensiones.
Michael Faraday fue otro genio, una auténtica rata de
laboratorio que pasaba horas experimentando y descubriendo fenómenos físicos.
Entre ellos que los imanes pueden generar corrientes (movimientos
de cargas eléctricas) Con su astucia llego a la conclusión de que cuando cambias
las condiciones magnéticas creas una corriente en cualquier conductor que
se encuentre cerca, es decir, el campo eléctrico se puede modificar con
movimientos de campos magnéticos.
En este caso las cuentas matemáticas cambian un poco, ahora no hablamos de pompas imaginarias sino de láminas de jabón imaginarias. Faraday vino a decirnos, más o menos, que si tienes un alambre cerrado de cualquier forma y te imaginas una lámina de jabón igualmente de cualquier forma pero que sus bordes estén en el hilo de metal. Moviendo un imán alrededor de este alambre se genera una corriente eléctrica proporcionalmente al movimiento. Esta propiedad es la que permite generar la corriente que llega hasta nuestras casas desde las centrales eléctricas. La ley también hace referencia a Heinrich Lenz, pues fue él quien también descubrió que la tendencia de esta corriente es oponerse el movimiento del imán. De ahí sale el signo negativo de la ecuación. 
Te acuerdas que decíamos que poco más se sabe de las cargas
mientras están quietecitas. André-Marie
Ampère fue otro físico que en el mismo año que nació Maxwell
descubrió como una corriente de cargas eléctricas puede crear un campo
magnético. Y eso es así, de hecho, los imanes se producen por que en su
interior hay muchas cargas eléctricas que se mueven siguiendo una misma
orientación y eso produce su efecto magnético a gran escala.
Puedes hacer el experimento con un imán que no te importe romper: Coge un mechero, calienta el imán, deja que se enfríe y verás como ya solo es un pedrusco sin magnetismo. Eso se produce porque el calor hace que las cargas eléctricas de su interior pierdan la orientación que compartían y el efecto ya no se suma, sino que se anula. 
Bien, con las dos últimas te habrás dado cuenta de que hay
cierta relación: por un lado una carga eléctrica que se mueve crea campo
magnético y por el otro una variación de campo magnético crea una corriente
eléctrica. Maxwell también se dio cuenta de esto, pero como era un genio le
chocaba con ciertas propiedades que previamente conocía acerca de los
condensadores eléctricos. Como era un tipo listo se inventó casi
por la cara un término para corregir estas diferencias, y
posteriormente lo incluyó dentro de la ley de Ampere. Pero es que
resulta que ese término existe de verdad. Así que juntó las cuatro
leyes anteriores, después añadió el término surgido de su descomunal
inteligencia y creo sus famosas ecuaciones, ¡ y ahí ya se montó el
pollo!
En un perfecto y refinado ingles colonial Maxwell con sus cuatro leyes vino a decirnos: "a mi me dejáis de tonterías de electricidad y de magnetismo por separado, que aquí solo hay una cosa, el electromagnetismo, así to rejuntao". La segunda gran unificación de la física fue hecha. Todo un hito en la historia de la humanidad. Nuestro protagonista había plantado la semilla para la nueva era de las tecnologías. La radio, los circuitos, el Internet, el wifi, 3g, la fotografía...¡¡¡Hurra por Mawxell!!!. 
¿Te pica la curiosidad? La primera gran
unificación fue la que hizo Sir Isaac
Newton afirmando que el hecho de que se te caiga el iPhone al suelo
está causado por la misma fuerza que mantiene en órbita a la Luna o a los
planetas alrededor del Sol.
Volviendo al escocés podemos intuir que no se contentó solo
con sus preciadas ecuaciones. Igual que un niño que descubre una nueva tienda
de caramelos se puso a hacer cálculos con ellas y se percató de que escondían
la propagación de unas ondas que implicaban por igual al campo eléctrico y al
magnético. ¡Casi nada!. El germen de la radio y las telecomunicaciones
había sido descubierto. Pero espera que no acaba aquí la cosa. Haciendo más
cálculos volvió a llegar a otra conclusión: estas ondas se propagan a
una velocidad sorprendentemente similar a la de la luz.
Bien, vamos rápido, a estas alturas de la historia no
nos vamos a asombrar de que el individuo le daba bastante bien al coco, y
siguió pensando: "pues si con esto que he calculado llego a que la
velocidad es la misma que la de la luz, entonces la luz debe ser
también una onda electro-magnética!", y voila, ¡Hágase
la luz !. Y el conocimiento de la naturaleza de la luz y de su propagación se
hizo accesible para el resto de los mortales!!!. Oh J.C! Oh J.C
Superstar!. Repasemos con una breve cronología:
Esas ondas son lo que salen y entran en las antenas de
nuestro teléfono, wifi o de los mandos a distancia y también son exactamente
lo mismo que la luz que nuestros ojos ven, solo que las retinas no están
adaptadas para todos los tipos de ondas electromagnéticas. ¿No te lo crees?
Coge tu móvil y ponlo en modo cámara como si fueras a echar una foto,
luego apunta hacia su lente con el mando a distancia de la televisión y pulsa
los botones, así "veras" lo que pasa.
Los años han pasado, y muchos científicos han ido
descubriendo muchísimas más cosas como la física cuántica o de partículas,
donde las leyes si cambian un poquito, pero lo increíble es que ningún
físico ha osado a modificar una sola coma de las Ecuaciones de Maxwell después
de tantos años (más de siglo y medio).
Albert Einstein, que tampoco era manco, y con toda la
relatividad a sus espaldas no tuvo los suficientes "motivos" para
tener que cambiarlas en el más mínimo detalle, es más, todo se
construyó para no tener que modificarlas. ¡Toma esa Einstein!. Lo que
Maxwell descubrió se adelantó en parte unos 50 años a la teoría del físico
alemán cuyas melenas blancas posiblemente harían sulfurar el buen gusto del
barbero de nuestro refinado escocés.
“La teoría de la relatividad se debe en sus orígenes a
las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético”
Albert Einstein.
“El trabajo de James Clerk Maxwell cambió el mundo para
siempre”
Albert Einstein.
Pero espera no solo trabajo en el ámbito del
electromagnetismo, también consiguió logros en ramas como la termodinámica y
física estadística y otras tantas disciplinas, pero eso da para otros
artículos, pero espera de nuevo ¿Sabes quien creo los fundamentos de la
fotografía a color? ¿Sabes quién consiguió hacer la primera fotografía
a color? ¿Te lo imaginas?. Pues si, estas en lo cierto. En una
ocasión maxwell dijo:
“ El color que percibimos es una función de tres
variables independientes, por lo menos son tres las que yo creo suficientes,
pero el tiempo dirá si prosperan ”
James Clerk Maxwell
Y estaba en lo cierto, nuestras impresoras funcionan con
tres colores, amarillo, cián y magenta. Y nuestros dispositivos de pantalla con
rojo, verde y azul.
Así que mira su foto, y cuando salgas de fiesta y tu también
te hagas la tuya con tu copa de Gin Tonic. ¡Sonríe a la salud de
Maxwell! O si eres quien la recibe mediante ondas electromagnéticas en
tu Whastsapp con tu 3g, ¡comparte tu conocimiento la salud de Maxwell también!
Por último, un videoclip que explica de forma de forma muy
pedagógica lo que es una onda:
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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