De la Pila de Volta al disco de Aragó. Cuarta Parte

4. Los experimentos de electromagnetismo

En la Europa de 1800 la proliferación de las pilas eléctricas proporciona una fuente continua de corriente eléctrica de alta intensidad a baja tensión para numerosos experimentos en electroquímica. Así que la pila de Volta parecía estar predestinada a perfeccionar la química en lugar de la física, pero finalmente fue un instrumento decisivo en la comprensión del electromagnetismo.

Generalmente se cree que el descubrimiento de Oersted sobre la relación entre la electricidad y el magnetismo fue fortuito, mientras daba una clase práctica de física en la Universidad de Copenhague. Los acontecimientos que concluyeron con la unificación de la electricidad y el magnetismo en el electromagnetismo, son bastante más interesantes que una simple casualidad. En 1962 Thomas Kuhn[1] en su libro La Estructura de las revoluciones científicas realiza un análisis completo sobre los fenómenos, tanto sociales como científicos, que determinan el cambio de una teoría antigua por otra de moderna, a lo que denomina Kuhn el cambio de paradigma. Asegurando que las preferencias y creencias de los científicos también condicionan sus teorías científicas. Tal como sucede en este caso.

A principios del siglo XIX, el debate sobre las relaciones entre la electricidad y el magnetismo ya era bastante vivo y con una extensa trayectoria. Los marineros ya habían notado que la brújula cambiaba su polaridad en barcos impactados por rayos. En sus obras completas, Aragó[2] comenta que por el año 1675 dos barcos ingleses de viaje de Londres a Barbados[3], a la altura de las Bermudas, un rayo rompió el palo de uno de los barcos y rasgó las velas. Como efecto secundario la brújula cambió su polaridad, marcando el sur en lugar del norte como era habitual, y este estado se mantuvo durante todo el viaje. Otros incidentes con rayos se encuentran documentados y en todos ellos se hace constar la variación de los polos de las brújulas, que puede ser en cualquier ángulo comprendido entre los 0 y 180 grados. Esto hace pensar que estos incidentes eran más habituales de lo que nos podemos imaginar.

Benjamin Franklin había magnetizado agujas descargando una botella de Leyden. Otros habían efectuado experimentos similares pero con resultados discutibles, así que, la creencia habitual en aquella época era que la electricidad y el magnetismo no tenían ningún nexo de unión. En 1802 André-Marie Ampere estaba decidido a demostrar que la electricidad y el magnetismo son dos tipos de fluidos que actúan independientemente uno del otro. En 1807 Thomas Young en sus Lectures on Natural Philosophy[4] señala que “no hay ninguna razón para imaginar una inmediata conexión entre el magnetismo y la electricidad”. Incluso en 1819 Jean Baptiste Biot al final de un artículo sobre magnetismo nos hace saber que los principios magnéticos y los principios eléctricos son de naturaleza diferente.

En cambio, Oersted, profesor de Filosofía Natural y Secretario de la Royal Society de Copenhague a principios de 1806 publica el trabajo An Inquiry into the Identity of Chemical and Electrical Forces[5]. En el capítulo 8 considera la idea de la identidad entre el magnetismo y la electricidad. Sugiere que todos los fenómenos de la naturaleza son producidos por un mismo principio, que aparece de muchas formas, como luz, calor, electricidad, magnetismo, etc.

Experimentos Oersted

Debemos recordar que las objeciones a la conexión entre electricidad y magnetismo estaban fundamentadas en los resultados experimentales. Contrapuesto a esta visión totalmente mecanicista o racional en Alemania nació un contracorriente llamado Naturphilosophie o Filosofía de la Naturaleza, como corriente filosófica ligada al Romanticismo. Oersted influenciado por esta nueva corriente está convencido de la conexión entre la fuerza magnética y la fuerza eléctrica en una sola fuerza fundamental, como ya había manifestado públicamente a pesar de estar en contra de la opinión general. Por lo tanto podemos decir que el descubrimiento del electromagnetismo no fue casual sino buscado y perseguido, a pesar de que el camino para llegar era totalmente desconocido.

Oersted cree que la propagación de la electricidad es una continua alteración y restauración del equilibrio eléctrico. Llega a esta conclusión realizando experimentos donde intervienen la electricidad y el calor. Comprueba que el paso de la corriente eléctrica a través de un conductor produce calor. Con estas observaciones, considera que la transmisión de la electricidad es un conflicto eléctrico entre dos fuerzas opuestas que de momento ignora. Influido por la Naturphilosophie, va más allá, y conociendo que los rayos pueden provocar el giro de la brújula, que los rayos provocan calor y luz y que la corriente eléctrica a través de un conductor provoca calor, concluye que la luz, el calor, la electricidad y el magnetismo son la causa de un mismo fenómeno de la naturaleza aún por descubrir.

El movimiento del Romanticismo que impulsa la unión del hombre con todas las fuerzas de la naturaleza, influencian el pensamiento de Oersted, Davy y Faraday entre otros. Podemos asegurar que la influencia de este pensamiento o corriente filosófica condiciona la experimentación de los científicos y por tanto los resultados obtenidos. Tal como sucedió a los científicos alemanes al final de la primera guerra mundial, donde el desánimo de perder una guerra perfectamente programada, indujo a la creencia en la indeterminación de los sucesos en lugar del determinismo[6].

Oersted pretende resolver esta incertidumbre con un experimento que contiene gran parte de los fenómenos involucrados, la electricidad, el calor, la luz y el magnetismo. Influido por los efectos de los rayos sobre las brújulas, pretende comprobar este fenómeno mediante un experimento utilizando una pila de Cruickshank. Calienta hasta la incandescencia un hilo de platino junto a una brújula, mediante el paso de la corriente eléctrica. Quiere observar la desviación de la aguja de la brújula y lo hace en una de sus clases, pues su investigación en física va en paralelo a las prácticas con los alumnos. En una mañana de primavera de 1820 lo tiene todo preparado para hacer el experimento, justamente por la tarde tiene una clase ante un auditorio de alumnos avanzados en ciencia. El hecho de tener que preparar una clase sobre sus ideas de unificación entre el calor, la luz, la electricidad y el magnetismo lo convencen cada vez más sobre la existencia de una única fuerza fundamental de la naturaleza.

Oersted espera observar un gran efecto de la desviación de la aguja asociado a la incandescencia, pese a que el efecto se produjo, fue muy débil y no terminó de convencer a la audiencia. Oersted no quedó tampoco convencido del todo, posponiendo la continuación de los experimentos para más adelante. A principios de julio se dedica sin interrupción a los experimentos, hasta llegar a los resultados deseados utilizando una pila más grande y con conductores más gruesos. En este momento queda perplejo y se da cuenta que no es necesario el calor y la luz para desviar la brújula. Solo la electricidad produce un efecto magnético, acaba de nacer del electromagnetismo. Este experimento sorprende enormemente a la comunidad científica y es el punto de partida de la nueva investigación en la relación íntima entre la electricidad y el magnetismo.

Publica su descubrimiento en un primer papel, en julio de 1820, en una memoria de cuatro páginas escritas en latín Esperimenta circum effrectum conflictus electricidad in Arcum magneticum (Experiencias relativas a los efectos de conflicto eléctrico sobre una aguja imantada) donde de una forma preliminar anuncia los resultados obtenidos sin mencionar los detalles del experimento.

Oersted mostrando su descubrimiento sobre electromagnetismo

Precisamente Francesc Aragó se encuentra en Ginebra en 1820 y puede conocer y experimentar el descubrimiento de Oersted gracias a su amigo Pictet. Conjuntamente con otros asiste a la comprobación de los experimentos de Oersted preparados por el profesor Charles Gaspard de La Rive, con la pila que tenía a su disposición. Al volver a Paris, Aragó publica una traducción al francés del original latín[7] y repite los experimentos en la Academia de Ciencias el 11 de septiembre de 1820. André Marie Ampere está presente y quedó fuertemente impresionado, centrando, a partir de ahora, su interés en este nuevo campo de investigación. No olvidemos que Ampere estaba convencido de que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos independientes.

Oersted escribe un segundo papel mucho más detallado y con diagramas explícitos de la forma de los aparatos utilizados. Este segundo papel llega a Paris el 29 de septiembre de 1820, unos 25 días después de que Aragó hubiera anunciado el descubrimiento en la Academia de Ciencias y se hubiera puesto a experimentar por sí mismo[8], como otros científicos de la época y en especial Ampere. El 25 de septiembre de 1820 Ampere[9] ya había enunciado su descubrimiento sobre la interacción entre dos corrientes paralelas mediante la construcción de un aparato de su invención, la balanza de Ampere. Sirve para definir la intensidad de una corriente eléctrica a partir de la fuerza que ejercen los dos conductores, dando el nombre de Ampere a la unidad de corriente eléctrica.

Balanza de Ampere

Este experimento, hoy en día, lo podemos considerar como el primer experimento sobre la teoría de la relatividad, desconocida en aquella época. No es hasta 1905 que Einstein enuncia su célebre teoría, pero sus inicios no son otros que los experimentos de Ampere con las cargas en movimiento.

El resultado experimental de este aparato sobre la atracción y repulsión entre corrientes es de gran importancia en el desarrollo del electromagnetismo, pues Ampere demuestra con este experimento que el magnetismo es una consecuencia de la electricidad únicamente. Faraday quedó fuertemente impresionado con este resultado y las correspondientes consecuencias teóricas, aunque no estaba del todo de acuerdo al no encontrar la relación directa entre la corriente eléctrica y el magnetismo. Posteriormente Faraday describirá el fenómeno del magnetismo a partir de la acción de un campo magnético, que inventa y que a la vez tampoco le convence. De estas dudas Einstein deduce la teoría de la relatividad donde encuentra la relación directa entre las cargas en movimiento y el magnetismo, tal como había previsto Ampere, pero a consecuencia de deformar la estructura del espacio-tiempo.

Las siguientes imágenes corresponden al experimento de la balanza de Ampere que hemos realizado nosotros. Puede observarse perfectamente el movimiento de repulsión del conductor cuando paso una corriente eléctrica de unos 200 Amperios.

[1] Thomas Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions. Chicago Press. 1962.

[2] Arago, Obres complertes, pp 423

[3] Anonimo. An Extract of a Letter etc. from Dublin May the 10th, 1676. Philosophical Transactions 1 January 1676.

[4] Robert C. Stauffer. Speculation and Experiment in the Background of Oerted’s Discovery of Electromagnetism. Isis 48, 1,33-50. 1957

[5] Faraday, Michael. Historical Sketch of Electro-Magnetism. Annals of Philosophy. Vol II: 195-200, 274-290 1821, Vol III: 107-121. 1822.

[6] Forman, Paul. Weimar Culture, Causality, and Quantum Theory, 1918-1927: Adaptation by German Physicists and Mathematicians to a Hostile Intellectual Environment. Historical Studies in the Physical Sciences, Vol 3 (1971), pp.1-115.

[7] Aragó. Experimenta Circa Effectum, etc. Expériences sur l’effet du conflict électrique sur l’aiguille aimantée. Annales de chimie et de physique.pp 417 1820.

[8] Aragó. Expèriences relatives à l’aimantation du fer et de l’acier par l’action du courant voltaïque. Annales de chimie et de physique.pp 93 1820.

[9] Ampere. De l’Action mutuelle de deux courans elctriques. Annales de chimie et de physique. pp 59 1820.