Los fenómenos eléctricos se han estudiado desde la antigüedad y han tenido diferentes significados en diversos contextos históricos. A mediados del siglo XVIII, la palabra electricidad empezó a relacionarse con “una sustancia o fluido que se suponía que estaba dentro de los cuerpos cuando se electrizaban”. Este significado venía apoyado por los experimentos y el lenguaje utilizado por investigadores como Gray y Du Fay. Así mismo, el mecanicismo newtoniano estaba en pleno apogeo y su influencia “atomista” se extendía a muchas ramas de la ciencia, por ejemplo, al atribuir carácter sustancial (fluido) al calórico o al flogisto, este era el comienzo del gran auge de la electricidad… Sin embargo, aún no se concebía al fenómeno de la corriente eléctrica. Con la creación de la pila voltaica por Alessandro Volta (1745-1827), se logró establecer una corriente eléctrica estable; fue así como inició el estudio de los fenómenos que en la actualidad se describen desde la electrodinámica y las propiedades electrolíticas, térmicas y magnéticas de la corriente eléctrica.
Una de las mayores contribuciones del siglo XVII a la explicación de los fenómenos eléctricos se debe a Benjamín Franklin (1706-1790), quien proponía un “modelo de fluido” para los fenómenos eléctricos. Éste consistía en considerar que todos los cuerpos tienen una cantidad de fluido electric fire en su estado neutro. Definía este fluido como un conjunto de partículas que se repelían mutuamente y que podían penetrar en la materia ordinaria. Este modelo permitía explicar los fenómenos hasta el momento descubiertos: la electrización por frotamiento, las atracciones y repulsiones eléctricas, y la conducción eléctrica. La electrización por frotamiento se explicaba suponiendo que el cuerpo frotado adquiría una cantidad extra de fluido o perdía parte de su cantidad “normal de fluido”, de forma que el cuerpo quedaba cargado “positiva o negativamente”. Al reconocer el modelo y que toda electrización se debía a un movimiento de “materia eléctrica” –lo que gana un cuerpo lo pierde el otro– se asumió que llevaba implícito el principio de conservación de la carga.
W. Watson (1715-1787) consideraba como causa del movimiento del fluido eléctrico su diferencia de densidad. La idea le atribuye al fluido una cierta compresibilidad. Esta presión del fluido eléctrico se llegó a considerar el antecedente de lo que hoy denominamos diferencia de potencial. A finales del siglo XVII se pensaba que para un rápido avance en el estudio de la electricidad era necesario el establecimiento de bases cuantitativas y definir magnitudes operativas; a pesar de que ya estaba definida la carga eléctrica o “cantidad de sustancia eléctrica”, no se había logrado medirla. Ante este panorama fue necesario echar mano de otras partes de la ciencia más desarrolladas que la electricidad, las que además de poseer conceptos fundamentales, definidos de forma operativa, trataban fenómenos con características muy similares a las de la electricidad; así fue cómo investigadores como Cavendich, Priestley y Coulomb buscaron una teoría análoga a la gravitación, bajo la influencia del mecanicismo newtoniano.
En 1785 apareció el primer escrito de Coulomb sobre electricidad. En éste y otros escritos, relaciona por primera vez la “masa eléctrica”, es decir, la carga eléctrica, en valores absolutos con magnitudes mecánicas fundamentales, de forma que pueden ser sometidos a cálculos. Este nuevo modelo (consecuente con la física de Newton) introduce “la acción a distancia”, que actúa de forma instantánea entre los cuerpos cargados, siendo las fuerzas de tipo central calculables. Ahora se podía imaginar el fluido eléctrico constituido por partículas eléctricas que permanecían en el cuerpo durante las atracciones y repulsiones, ejerciendo fuerzas entre sí a distancia sin necesidad de ningún soporte material.
En la entrega del 15 de febrero de 2023 señalamos que Oersted, en 1820, descubrió el electromagnetismo. Después de muchos experimentos realizados, Oersted hizo los siguientes planteamientos, como afirma Holton: si una corriente ejerce una fuerza sobre un imán, se esperaría (tercera Ley de Newton) que el imán también ejerza una fuerza sobre la corriente y de algún modo producirla; consideraba que de esta forma se podía producir a menor costo que con la pila de Volta (la cual consumía grandes cantidades de metales caros para producir pequeñas cantidades de corriente eléctrica).
En 1820, André Marie Ampere (1775-1836) se enteró del descubrimiento de Oersted, ese conflictus electrici capaz de hacer que se desviara una aguja imantada, y se propuso realizar diversos experimentos. Se preguntó: si una corriente eléctrica producía efectos magnéticos sobre un imán, ¿por qué no podría producir efectos magnéticos sobre otra corriente? En septiembre del mismo año presentó sus resultados en la Academia de Ciencias: la acción mutua entre corrientes sin la intervención de imán alguno. Esto es, dos corrientes eléctricas paralelas se atraen o se repelen en función de si sus sentidos son iguales u opuestos, respectivamente. En 1826 publicó su libro “Teoría Matemática de los fenómenos electrodinámicos deducida únicamente de la experiencia”, en el que afirma que el magnetismo es electricidad en movimiento y que los fenómenos magnéticos dependen sólo de la existencia y del movimiento de cargas eléctricas.
Los primeros trabajos sobre electricidad de William Thomson (1824-1907) –conocido después como Lord Kelvin– estuvieron orientados por analogías matemáticas entre los fenómenos térmicos y eléctricos (la capacidad heurística de la analogía entre el calor y la electrostática se hizo evidente en On the elementary laws of statical electricity, publicado en 1845). Exploró diversas analogías físicas y matemáticas entre las leyes del calor y la electricidad. En 1842, al elaborar una teoría sobre la electrostática, empleó un formalismo matemático análogo al de la distribución de calor de la teoría analítica de Fourier para analizar la distribución de la electricidad, en la que ésta se representaba geométricamente mediante un flujo de fuerza eléctrica de la misma forma que la primera lo era para el calor.
Thomson consideró que esta analogía matemática conducía a una analogía física. En efecto, el modelo físico de la propagación del calor de partícula a partícula sugería una propagación análoga de las fuerzas eléctricas por la acción de las partículas contiguas de algún medio interpuesto, como ya había indicado Faraday en su teoría de la propagación de las fuerzas electrostáticas por las partículas contiguas del medio dieléctrico. Poco después, esta misma teoría sirvió también a Georg Simón Ohm (1787-1854), quien realizó un análisis similar, estableciendo una analogía entre el potencial eléctrico y la temperatura, por un lado, y el flujo de calor y la electricidad, por otro, para obtener sus leyes de la conducción eléctrica.
Los trabajos de Oersted, Amper, Volta, y otros científicos, así como la existencia de otras ideas, influyeron en los planteamientos de James Clerk Maxwell (1831-1879) y Michael Faraday para describir el fenómeno de la corriente eléctrica.
La corriente eléctrica desde el enfoque de Michael Faraday. Faraday reproduce las observaciones experimentales de sus predecesores y desde la electroquímica, estudia la generación de corrientes eléctricas a partir de una reacción química mediante celdas voltaicas; fue capaz de producir una reacción de oxidación-reducción mediante el establecimiento de una corriente eléctrica a través de celdas electrolíticas; a su vez, mediante el establecimiento de una corriente eléctrica, logró descomponer en sus elementos, algunos materiales disueltos cuyas moléculas se habían resistido a la separación por medios físicos y químicos.
En “Experimental Researches in Electricity”, Faraday aclara que, en cualquier caso, es posible concebir la corriente eléctrica como un fluido o dos fluidos moviéndose en direcciones opuestas o una vibración o alguna otra forma o estado. En este orden de ideas, Faraday asocia las ideas propuestas por Mayer y Joule en torno al principio de conservación de la energía, afirmando que “existe un principio general que abarca a todos los fenómenos naturales, por los que esas equivalencias deben existir también en los fenómenos eléctricos”.
Faraday realizó diferentes experimentos para describir la inducción de corrientes eléctricas. Se considera que sus primeras ideas sobre las líneas de fuerza “le sugirieron la posibilidad de que una corriente eléctrica en un alambre conductor podía inducir otra corriente eléctrica en un alambre conductor próximo, posiblemente a través de la acción de las líneas de fuerza magnética en el espacio que rodea la primera corriente”. En su principio de inducción electromagnética establecía que la variación de las líneas de fuerza magnéticas producía una corriente eléctrica en un alambre, y que dicha variación se podía producir con un imán en su movimiento relativo al alambre conductor o por un cambio en la corriente eléctrica que circula en un segundo alambre conductor.
Faraday abandona la teoría de los fluidos para explicar la electricidad y el magnetismo, además introdujo los conceptos de campo y líneas de campo, apartándose de la descripción mecanicista de los fenómenos naturales al más puro estilo newtoniano de acción a distancia.
Sé parte de la Unidad Académica de Ciencia y Tecnología de la Luz y la Materia (LUMAT). Informes: http://lumat.uaz.edu.mx/; https://www.facebook.com/LUMAT.UAZ; https://twitter.com/LumatUaz.
*Docente Investigador de la Unidad Académica
de Ciencia y Tecnología de la Luz y la Materia. LUMAT.
**Docente Investigadora de la Unidad Académica Preparatoria.
