La Física Exacta: evolución de electricidad y magnetismo en la Universidad

El desarrollo de la electricidad

f Con la teoría de Franklin y el logro de cargar significativamente los cuerpos, se introdujo el concepto de carga eléctrica como cantidad del fluido eléctrico que se podía cuantificar en función de sus efectos. o Esta tesis acomodaba diferentes fenómenos (botella de Leiden, modos de electrización de Dufay, ... ) pero presentaba dos dificultades: f La impermeabilidad atribuida al vidrio, y que las experiencias de Hauksbee habían desmentido. f Las explicaciones sobre la atracción (entre las partículas de la materia ordinaria y las del fluido al estilo gravitatorio) y la repulsión (entre las partículas del fluido que explicaba su elasticidad) que a nivel macroscópico resultaban deficientes. o Sus seguidores afrontaron estas dificultades transformando la interpretación estática de Franklin en otra más dinámica emparentada con la mecánica de fluidos. f Jean-Baptiste Le Roy se opuso a la teoría de Nollet y distinguió entre la electricidad rarificada cualitativamente distinta de la comprimida. f Giambattista Beccaria expuso el principio erróneo de que los signos de electricidad se debían exclusivamente al tránsito del fluido eléctrico, con lo que todas las fuerzas eran atractivas y se suponía que la repulsión sólo se daba entre cuerpos con electricidad del mismo signo e igualmente cargados. Beccaria optaría por estimar que el cuerpo electrizado permanecería cargado hasta que se le acercase un conductor. f John Canton, sin embargo, estimó que el cuerpo comenzaba a descargarse nada más ser electrizado, interpretando la atmósfera de Franklin como el propio flujo eléctrico. Descubrió de forma independiente que las nubes podían cargarse positiva y negativamente, como el vidrio al ser frotado distintamente por franela o seda, y realizó diversos experimentos sobre inducción electrostática sin contacto. o Franklin repitió los experimentos de Canton pero explicándolos en términos de atmósferas, asentándolos en tres principios sin explicación: f Las atmósferas de cuerpos cargados positivamente se repelen sin mezclarse f Una atmósfera positiva repele la materia eléctrica del interior de un cuerpo que se acerque (lo que servía para explicar la botella de Leiden, considerando que la cara interior de la botella ejercía influencia repulsiva sobre el fluido de la otra cara, pero esta explicación era débil pues, ¿por qué no iba a poder atravesar por completo el vidrio?). f Los cuerpos electrizados negativamente se repelen entre sí. f Los franklinistas J. C. Wilcke y F. U. T. Aepinus contribuyeron decisivamente con sus aportaciones: o Lehmann llamó la atención a Aepinus sobre la turmalina, un nuevo cristal traído de Ceilán que era capaz de cargarse por frotamiento presentando dos polos de signo contrario, al estilo de una pequeña botella de Leiden. o Wilcke andaba interpretando los experimentos de Canton, haciendo un experimento que emulaba el condensador de la botella de Leiden: el aire esta vez ejercía de aislante intermedioentre las armaduras, lo que Aepinus retomo para comprobar que toda sustancia aislante es capaz de ejercer este almacenamiento, supliendo al vidrio de la botella sin propiedad particular alguna. o Así, las atmósferas eléctricas resultaban incapaces de explicar simultáneamente las transferencias de carga y descarga y las atracciones y repulsiones, pues la inducción se producía sin transferencia de fluido alguna. o De esta forma, Aepinus rechazó las atmósferas eléctricas de Franklin considerando que las fuerzas eléctricas estaban originadas por la presencia de fluido eléctrico que las ejercía a distancia; aunque no llegó a matematizarlas al estilo newtoniano, incorporó una novedad radical en su teoría: que existían fuerzas repulsivas entre las partículas de la materia ordinaria, lo que explicaba la repulsión entre los cuerpos cargados negativamente. o Aepinus introdujo el álgebra en una disciplina tradicionalmente empírica y cualitativa, aunque lo hizo de forma parcial sin introducir números, resultandole desconocida la ley de atenuación de la fuerza eléctrica sobre la que especuló cualitativamente. o Henry Cavendish continuó la obra de Aepinus en Gran Bretaña, esta vez introduciendo el carácter cuantitativo, hallando la variación de las fuerzas con el cuadrado de la distancia y formulando el concepto de potencial electrostático. f Franklin había observado que una bola dentro de un recipiente metálico cargado no se electrizaba, ni siquiera al tocar su base, lo que condujo a Priestley a especular con que, a semejanza de la gravedad, la fuerza eléctrica disminuyera con el cuadrado de la distancia. f Cavendish demostró este comportamiento, pero no publicó su trabajo, haciendo que el mérito se lo llevase C. Coulomb, hasta que Maxwell editase sus investigaciones en 1879. f También contribuyó con su concepto de "grado de electrización" asemejado a la presión del fluido eléctrico, probando con dos esferas de diferente tamaño conectadas que el reparto de carga era proporcional a los radios, con lo que la esfera menor aun teniendo menos carga tendría mayor densidad de carga, lo que era coherente con puntas como las de los pararrayos. o Las ideas de Aepinus tuvieron poca influencia y las de Cavendish poco más, con un programa matemático ajeno a la metodología experimental aceptada. f Se sucedieron las experiencias con condensadores que ayudaron a adoptar sus ideas, como la famosa de A. Volta con una tarta aislante de resina que una vez electrizada parecía suministrar electricidad sin agotarse, lo que sólo podía explicarse por inducción: las atmósferas pasaron a considerarse zonas de influencia. f Una idea de Aepinus más difícil de aceptar fue la de la repulsión entre las partículas de la materia ordinaria, lo que condujo a que algunos como Symmer supusieran la existencia de dos fluidos, uno "más" y otro "menos": las electricidades contrarías no se aniquilarían como había dicho Franklin sino se habrían anulado temporalmente, haciendo que esta teoría fuera indiscernible de la de Aepinus y una cuestión de elección.f A partir de 1740 la electricidad comenzó a medirse con electrómetros basados en la repulsión electrostatica. o Se dieron así electrómetros como el de Nollet de dos hilos, el de Henley de un solo hilo, o el de Bennet de dos láminas, así como otro tipo de medidas como la de la mayor chispa o el número de vueltas para electrificar un cuerpo hasta un cierto grado. o Los resultados de las diferentes medidas no eran comparables pero ayudaron a definir nuevas magnitudes: f El electrómetro medía la densidad o intensidad del fluido eléctrico, el grado de electrización en palabras de Cavendish, o la tensión en palabras de Volta como esfuerzo que cada punto de un cuerpo electrizado realiza para evacuar su propia electricidad. f La capacidad era la cantidad de fluido eléctrico que podía contener un cuerpo, relacionada con la cantidad de carga a través de la tensión (Q=CT). o Para medir la fuerza eléctrica a distancia, por simplicidad y analogía, se tomó inicialmente como el producto de las masas eléctricas y el inverso del cuadrado de la distancia, empleando para ello balanzas sin obtener resultados concluyentes. f Aunque J. Robinson, al igual que hiciera Cavendish, manifestara haberla hallado, fue el ingeniero y académico francés C. Coulomb el que la dio a conocer en 1785. o Coulomb empleó la balanza de torsión como instrumento de gran sensibilidad que había diseñado para mejorar la aguja magnética. f El momento de la fuerza de torsión sobre el hilo era uBD4 /I (cte, ángulo de giro, diámetro y longitud) lo que le sirvió para emplear la balanza en el estudio del movimiento de cuerpos en el seno de un fluido, las propiedades elásticas de diversos materiales, así como la determinación de la fuerza magnética y eléctrica. f La fuerza de repulsión entre dos esferas quedó detectada como inversa al cuadrado de la distancia, y la de atracción, con más dificultades experimentales, la publicaría en 1787: ambas fuerzas eran, por analogía con la ley de gravitación, proporcionales a las densidades de fluido eléctrico f Demostró con un experimento similar al de Cavendish que la carga se distribuía en la superficie y aunó con él en el experimento cuantitativo refrendado por los datos, aunque fue prudente con la especulación: tomó la opción de los dos fluidos, por parecerle contradictorio que la materia tuviese fuerzas atractivas y repulsivas, pero reconoció que ambas teorías eran válidas e hipotéticas. o Un último descubrimiento del XVIII que quedaría sin explicación fue el de la electricidad por contacto de L. Galvani: f Se había experimentado que una descarga directa sobre el cuerpo de un animal muerto, provocaba en éste convulsiones, como una rana y sus ancas. f Pero Galvani descubrió que estas convulsiones se producían también en ausencia de descarga: al poner en contacto la médula espinal con una plancha sobre la que estuviera recostada una rana, las convulsiones le hicieron pensar en la existencia de una electricidad animal regida por el cerebro a través del sistema nervioso y en la contracciónentre músculo y nervio como la producida por dos armaduras de un condensador cargados con electricidades contrarias. f Volta halló que la fuente no estaba en la electricidad del animal sino en el contacto entre dos conductores diferentes: probando con diferentes materiales, entre los que comprobó que era necesario intercalar materiales húmedos, construyó su pila en 1800, como una botella de Leiden débil pero sin necesidad de ser cargada desde fuera.

El magnetismo

f A pesar de contar con una trayectoria mayor, el magnetismo no gozó de especial atención en la primera mitad del XVIII o Prevaleció la explicación cartesiana de la circulación vorticial de una materia sutil entre el norte y el sur: experimentos sencillos con limaduras de hierro entorno al iman confirmaban este flujo. o Por otro lado los newtonianos que se limitaron a mencionar la existencia de un efluvio o virtud magnéticos eludiendo explicar su mecanismo. f Musschenbroek fue el primero en negar la teoría de la circulación, aunque no encontró alternativa: o La interposición de materiales, salvo el hierro, parecía no afectar a este flujo. o Erróneamente creyó medir que la fuerza de atracción y repulsión no eran las mismas, llegando al absurdo de que el fluido entrante por un polo fuera diferente del saliente por el otro. f Aepinus formuló una alternativa magnética, y de manera colateral acabó aludiendo a la electricidad: o Su teoría es pareja a la de la electricidad: separando polos como separando cargas, el comportamiento magnético era un fluido sutil cuyas partes se repelen entre sí y atraídas por los materiales férreos lo dejan pasar dificultosamente a diferencia de otros fluidos. o Cuando se imantan los hierros, el fluido se separa en su interior. o Sin embargo había dificultades como el hecho de que la división de un imán no diera como cabría esperar dos monopolos sino dos imanes, lo que Aepinus trató de justificar en términos de balance de fuerzas y tendencia del fluido magnético a disiparse, sin entrar en la precisión cuantitativa necesaria sobre la fuerza magnética. o La existencia de dos polos dificultaba la medición de sus efectos, aunque por analogía, se supuso que ambas fuerzas eran iguales y decrecientes con el cuadrado de la distancia, como propuso J. Michell aunque no llegó a publicarlo. f Coulomb fue quien gracias a su balanza de torsión logró medir la fuerza magnética o Refutó tanto la teoría de la circulación como la teoría de Aepinus, negando las fuerzas repulsivas en la materia ordinaria así como evidenciando que la parte central de un imán no dejaba de comportarse como tal. o Concluyó en que el fluido magnético actuaba por atracción o repulsión con una fuerza en proporción directa con la densidad de fluido e inversa con el cuadrado de la distancia,