miércoles, enero 09, 2019

Experimento divulgativo: el electromagnetismo

Imaginate todo el espacio lleno de líneas, como una red cuyos hilos cruzan flotando la habitación y se enrollan de manera màs o menos caprichosa. Algo así, en todas partes a tu alrededor

(CC BY 3.0, by Kokcharov)

Hay dos tipos de lineas: rojas (o eléctricas) y azules (o magnéticas). Esas lineas se organizan y se mueven siguiendo cuatro leyes, que descubrió Michael Faraday y formalizó James Clerk Maxwell.
  1. Las líneas azules no tienen principio ni fin: o bien son cerradas, o bien se extienden infinitamente en ambas direcciones. Es decir que si seguimos una linea azul en una dirección, entra a la habitación y luego sale de ella, una o más veces. En otras palabras, el número de líneas azules que entran a un espacio cerrado es igual al número de líneas azules que salen de él.
    Esta es una de las leyes de Maxwell, que si bien no tiene nombre podemos llamar ausencia de monopolos magnéticos, recordando a Paul Adrien Maurice Dirac, quien probó que es un mal nombre.
    Paul A. M. Dirac (PD)
  2. Las líneas rojas en cambio, pueden ser cerradas, o bien pueden empezar y terminar en sus extremos, que llamamos cargas. Entonces una linea roja que entra en una habitación o bien sale de ella, o bien termina en una carga situada bajo ese techo. Por otro lado, una linea roja que sale de una habitación o bien entró en ella, o bien empezó en una carga en el interior. Concluimos que el número total de lineas rojas que salen de una habitación, menos el número de líneas que entran en ella, se relaciona con el número de cargas encerradas dentro. Para ser precisos, es igual al número de cargas en las que terminan lineas, menos el número de cargas en las que empiezan lineas.
    Esta es otra de las leyes de Maxwell, conocida como Ley de Gauß, por el matemático Carl Friedrich Gauß (o Gauss), quien sentó las bases matemáticas para su enunciación. Esta ley de permite saber cuántas lineas entran y salen de la habitación contando sus extremos, las cargas dentro de ella.
    Carl Friedrich Gauß (PD)
  3. Las lineas azules aprietan a las líneas rojas cuando se enrollan a su alrededor, como si fueran una banda elástica, obligándolas a concentrarse y expulsando cualquier carga que haya dentro.
    Esto se conoce como Ley de Ampere-Maxwell, en honor a su descubridor André-Marie Ampere.
    André-Marie Apere (PD)
  4. Las lineas rojas atraen a las lineas azules cuando se enrollan a su alrededor, obligándolas a desconcentrarse alejándose unas de otras.
    Esta es la Ley de Faraday, casi en los términos en los que la enunció su descubridor, que no usaba matemáticas complejas en sus leyes.
    Michael Faraday (PD)

Estas leyes contienen un montón de física interesante. Para completarlas, hace falta decir cómo se usan las líneas para determinar el movimiento de las partículas:

  • Las partículas cargadas (aquéllas en las que terminan lineas rojas) se mueven de una forma determinada por las demás lineas rojas y azules: se aceleran moviendose cada vez más rápido en la dirección de las líneas rojas, y giran dando vueltas alrededor de las lineas azules.
    Esto se llama Fuerza de Lorentz, por Hendrik Antoon Lorentz, y en una configuración arbitraria de lineas, puede resultar en un movimiento muy complicado.
    Hendrik Antoon Lorentz (PD)

Esas son las leyes del electromagnetismo. Explican desde los rayos gamma hasta las ondas de radio, pasando por el ultravioleta solar del que nos protege el bronceador, la luz visible con la que leemos esto, el infrarrojo de la estufa, las microondas del celular, y los rayos X de una radiografía. En particular explican toda la electricidad, incluyendo las baterías, los motores eléctricos, la iluminación y la electrónica. También toda la óptica, con lentes, espejos, microscopios y telescopios, láseres y hologramas.

Imaginemos una cadena formada por lineas electromagnéticas. Cada eslabón es un rollo formado por varias lineas de un sólo color, rojas o azules. Los colores de los eslabones se van alternando rojo-azul-rojo-azul. Los eslabones pueden ser tan grandes como queramos, incluso tan enormes que las lineas parezcan rectas.

Supongamos que por alguna razón, las líneas azules que forman el primer eslabon se concentran un poquito más, apretándo a las líneas rojas del segundo. Por la ley de Amere-Maxwell, estas lineas rojas se concentrarán por la presión, haciendo que el segundo eslabón se haga más fino. Un eslabón más fino atrae menos a las líneas azules del tercer eslabón, que entonces se relajan concentrándosé. Pero esto reinicia el proceso, propagándolo al cuarto eslabón, y al quinto, y asi. Esto es una onda electromagnética, y dependiendo de qué tañ brusco sea el proceso se tratará de un rayo gamma, un rayo X, un fotón ultravioleta, visible o infrarrojo, un haz de microondas o una onda de radio.

Espectro electromagnetico (CC BY 3.0, by Inductiveload)

Esta imagen de lineas de campo se puede adquirir sin matemáticas, y luego se pueden formular matemáticamente las leyes a partir de ella. Por alguna razón que no llego a imaginarme, esta imagen de Faraday del electromagnetismo no es la que dan los cursos universitarios. Lo cual es una pena, porque es mucho más intuitiva que la imagen matemática, y es completa, contiene toda la física. De hecho es tan sencilla que podría enseñarse en los colegios secundarios.

Pero por ahora queda para mi tercera o cuarta próxima vida, aquélla que dedicaré a la enseñanza de la ciencia. Y para estos posts.

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