Historia de las Ciencias 6a (Contemporánea)

24 NATURALEZA DEL MAGNETISMO

25 NATURALEZA DE LA LUZ

26 NATURALEZA DEL CALOR.

En el apogeo de Macedonia, en el siglo IV a.c., eran conocidas una rocas provenientes de la región de Magnesia, que mostraban la curiosa propiedad de atraer algunos metales como el hierro y el níquel. Tales rocas se denominaron Magnésicas y se conocen hoy como Magnéticas. Y a los fenómenos similares se les apelan con el calificativo de magnéticos. El mineral de hierro Magnetita es en realidad un imán natural capaz de atraer al cobalto, al hierro y al níquel. La presencia de imanes en una región del espacio modifica las propiedades del espacio en sus alrededores, se dice entonces que crea un “campo de fuerzas” magnético; que se representa por líneas entre los polos del imán.

Podemos visualizar las líneas de fuerza magnética colocando limaduras de hierro o alfileres en las cercanías de uno o más imanes. . Las limaduras de hierro quedan “atrapadas” o “congeladas” en el campo magnético, de forma similar, la materia al interior del Sol también resulta atrapada por los campos magnéticos de la “atmósfera” exterior del Sol y se puede apreciar en las manchas solares.

También nuestro planeta posee un campo magnético, quizás debido al núcleo de hierro y níquel (NiFe) de su interior. Este campo magnético global tiene su polo norte magnético en la Antártica y el polo norte geográfico corresponde al polo sur magnético, así la aguja norte de una brújula apunta siempre al Norte geográfico. El campo magnético alrededor de nuestro planeta forma un escudo contra los rayos cósmicos emanados por el Sol y son desviadas hacia los polos, donde colisionan con el aire y se muestran como cortinas luminosas conocidas como auroras boreales..

Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron tratados separadamente hasta bien entrado el siglo XIX. Christian Oersted (1777-1851) al finalizar una clase práctica en la Universidad de Copenhague, fue protagonista de un descubrimiento que lo haría famoso. Al acercar una aguja imantada a un hilo de platino por el que circulaba corriente advirtió, perplejo, que la aguja efectuaba una gran oscilación hasta situarse inmediatamente perpendicular al hilo. Al invertir el sentido de la corriente, la aguja invirtió también su orientación. Este experimento, considerado por algunos, como fortuito, constituyó la primera demostración de la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Aunque las cargas eléctricas en reposo carecen de efectos magnéticos, las corrientes eléctricas, es decir, las cargas en movimiento, crean campos magnéticos y se comportan, por lo tanto, como imanes.

Los trabajos de Michael Faraday (1797-1878) y de James Maxwell (1831-1867) entre otros, evidenciaron la correspondencia entre ambos fenómenos y sentaros las bases matemáticas del campo electromagnético. Puede construirse un electroimán fácilmente enrollando alambre de cobre sobre un carrete de hilo. Mientras esté conectado una batería se evidencia el campo magnético inducido, capaz de atraer algunos metales.

Hoy día sabemos que la fuerza magnética es consecuencia del movimiento de las cargas eléctricas. Los electrones, como partículas cargadas en movimiento, generan un dipolo magnético intrínseco en el átomo. Los materiales presentan, de acuerdo a su composición molecular, diferentes grados de momentos magnéticos orbítales y consecuentemente, responden de forma diferente ante los campos electromagnéticos.

El magnetismo de los imanes se presenta en aquellos materiales donde los momentos magnético orbítales de las moléculas se alinean; apuntando en la misma dirección en zonas macroscópicas del material. Si el alineamiento es casi total como en el hierro, se denominen materiales ferromagnéticos. En otros materiales, como el oro y los plásticos, no hay dominios magnéticos y se dicen Diamagnéticos,. Otros como el Aluminio, solo alinean sus dominios magnéticos parcialmente, retornando a su configuración original cuando cesa toda influencia magnética externa, se dicen paramagnéticos.

Los campos magnéticos inducidos son proporcionales a la intensidad de las corrientes eléctricas. Si una corriente eléctrica cambia alternadamente su polariza, generará campos magnéticos con polaridades alternas y, en consecuencia, producirá fuerzas en direcciones opuestas. Una pieza metálica sometida al vaivén de tales fuerzas en una y otra dirección puede oscilar respecto a un eje, girando sobre él. Este es justamente el principio de funcionamiento de los rotores o motores eléctricos. Estamos rodeados en nuestra vida cotidiana de tales dispositivos..

Reconocemos en la luz un carácter diferente a la agregación ordinaria de materia, sin embargo posee la propiedad de viajar en forma rectilínea a velocidad prodigiosa y de “rebotar” sobre los objetos pulidos (espejos). ¿Es acaso la luz una sucesión de finísimas partículas? ¿Cómo puede vagar por el espacio e incluso en el vacío, en una policromía de matices?. Con un par de polarizadores (suerte de filtro parcialmente oscuro usado en fotografía) podemos hacer que un rayo de luz se combine para “cancelarse” mutuamente y tener oscuridad en lugar de luz. Este fenómeno y el fenómeno de interferencia es típico de las ondas. La interferencia puede visualizarse en las olas (ondas) que se juntan en un estanque de agua; también la luz presenta un fenómeno similar de interferencia. La Interferencia y el fenómeno de la Difracción, o la desviación de la propagación rectilínea de los rayos luminosos al pasar por el borde de un objeto, pudo ser explicado por la teoría Ondulatoria propuesta por Christian Huygens (1629-1695), desarrollada después por Thomas Young (1773-1829) y Agustín Fresnel (1788-1827); según la cual la luz es un tren de ondas.

El estudio de la luz y su conceptualización surgió paralelamente al desarrollo de la óptica y al desarrollo conceptual de la Física hasta bien entrado el siglo XX. Filósofos como Demócrito, Platón y Aristóteles intentaron teorías al respecto, en el antiguo Egipto se emplearon espejos metálicos desde la época del Imperio antiguo (2000 a.C.), Aristófanes en su poema “Las Nubes” alude en el 424 a.C. a las lentes convergentes llamándolas “vidrio quemador”, Euclides publica su libro Catóptrica (300 a.C.) también Arquímedes, según cuenta la leyenda, logró incendiar barcos empleando espejos esféricos durante el sitio de Siracusa.

El fenómeno de la refracción de la luz, o de la desviación de los rayos luminosos al pasar por diferentes medios, fue estudiado en la antigua “Biblioteca” de Alejandría por Herón, Cleomedes y Claudio Tolomeo. La refracción fue teorizada por Willebrord Snell (1591-1626) y luego demostrada por René Descartes (1596-1650). La refracción de la luz puede ser fácilmente visualizada al sumergir un lápiz en un vaso medio lleno de agua, el lápiz se nos aparece como partido. El rebote o reflexión de la luz sobre alguna superficie plana, fue demostrado por Descartes quien encontró que el ángulo del rayo incidente tiene igual valor que el ángulo del rayo reflejado. Ambos fenómenos, el de la reflexión y el de la refracción, pueden ser fácilmente explicados por la teoría corpuscular de la Luz, elaborada por Isaac Newton (1624-1727); según la cual la luz es una sucesión de partículas.

Existían, hasta los albores del siglo XX, dos paradigmas sobre la naturaleza de la luz: la teoría Ondulatoria y la teoría Corpuscular, ambas podían resumirse en la pregunta ¿es la luz, un tren de ondas o una sucesión de partículas?. Por un lado estaba la formulación del Electromagnetismo debida a James Maxwell (1831-1879) que demostraba la existencia de Ondas de Luz y por el otro la formulación de la Mecánica Newtoniana que explicaba bien el movimiento de los cuerpos ¿y por que no? también de la reflexión y refracción de los rayos luminosos.

La controversia sobre la naturaleza de la Luz culminó con los trabajos de Max Planck (1858-1947) y Albert Einstein (1879-1955); según los cuales la luz estaría compuesta de paquetes de energía o fotones que se propagan incluso en el vacío como un tren de ondas. La velocidad de la luz depende entonces del medio donde se propaga y es independiente de la velocidad a la cual se mueve la fuente que la emite, la máxima velocidad de la luz ocurre en el vacío (300.000 km/s). La energía de los fotones resulta proporcional a su frecuencia; y el concepto de partícula y de onda se confunde o unifica en un solo ente, en el dominio del mundo submicróscopico.

Ese carácter dual, en el cual la Luz se nos aparece a veces como onda y otras veces como partículas es común a todo ente subatómico; como lo demostrará Louis Victor De Broglie. Así los electrones, protones y neutrones (constituyentes fundamentales del átomo) presentan también la propiedad de reflejarse, difractarse y refractarse como lo hacen los fotones. La naturaleza dual, escurridiza y asombrosa de la luz, se comprende bien a través de la Teoría Mecánico-Cuántica de la naturaleza. Sin embargo el comportamiento dual de la materia debería desaparecer en el dominio del mundo macroscópico de los humanos. Recordando al físico y literato Ernesto Sábato: habrá luz al final del túnel.

El lenguaje cotidiano es abundante en frases, a veces infelices, sobre los conceptos de calor y temperatura. Así, con frecuencia decimos “los ánimos están caldeados”, “eso está al rojo vivo” e incluso existen quienes erróneamente afirman al colocar dos cuerpos en contacto a diferentes temperaturas: “le paso el frío” o “le transfirió la temperatura”.

Es el caso que los conceptos de calor, temperatura y energía fueron objeto de arduas polémicas durante el siglo XVIII y XIX. El químico francés Antoine de Lavoisier (1743-1794) sostenía erróneamente que el calor era una sustancia, o elemento químico denominado calórico, que se impregna en los cuerpos como el agua en una esponja, y se transmite como la materia. El calórico, sin embargo, nunca pudo ser aislado y se demostró que carecía de peso. La distinción entre la cantidad de calor y la temperatura la propuso el escocés Joseph Black (1728-1799) al considerar ésta última como una medida de la “intensidad” del calor. Pues la temperatura para hacer hervir una olla con agua no depende de la cantidad de agua pero si depende del tiempo al cual se pone en contacto con un foco calorífico (llama).

Fue Benjamin Thompson (1753-1814) luego conocido como el Conde Rumford, quién demostraría que el trabajo mecánico genera calor. Su experimento crucial lo efectuó en Baviera durante su desempeño como oficial militar, y consistió en probar que se puede generar todo el calor que se quiera conforme efectuemos trabajo mecánico. Colocó una pieza de bronce para fabricar cañones, sumergida en agua, y por medio de caballos hizo girar un taladro sobre el “alma” del cañón para horadarlo. El agua del recipiente hirvió todo el tiempo mientras que la fuerza ejercida por los caballos permitiera girar el taladro. ¿Cómo podría generarse un supuesto elemento llamado calórico si la materia no se crea?. El experimento refutaba a la teoría del calórico de Lavoisier. No se sabe si ello influyó en la vida personal de Rumford, quién terminó divorciándose de su segunda esposa Marie-Anne Paulze, viuda de Lavoiseir, cuando ella, en un típico arrebato de ira femenina, lanzó agua hirviendo sobre los rosales del jardín cultivado por el Conde. Con ello demostró, la ex-esposa de ambos sabios, que las teorías científicas sobre el calórico, podían al menos “caldear los ánimos matrimoniales” en un otrora floreciente jardín de rosas.

Por esa época, Humphry Davy (1778-1829) demostraba que dos bloques de hielo en fricción continua se derretían, demostrando que el calor era producido por el trabajo mecánico. En efecto la cantidad de calor para aumentar en 1º Celsius la temperatura de un gramo de agua (la caloría) equivale precisamente a una energía mecánica de 4,18 unidades; vale decir de 4,18 Joules. El establecimiento del equivalente mecánico del calor se debió a los trabajos del médico Robert Mayer (1814-1878) y de Precott Joule (1818-1889). Como una ironía del destino Mayer termino su vida por suicidio, a causa del rechazo sobre sus correctas teorías sobre el calor. El mismo destino sufriría luego Boltzmann al conceptualizar la entropía y las bases microfísicas de la termodinámica (Mecánica Estadística).

El calor y el movimiento son pues manifestaciones de la energía, de la propiedad que tienen los sistemas físicos de efectuar trabajo mecánico, de ocasionar cambios. En particular el calor o la energía térmica equivale a la energía cinética de las partículas que componen a los cuerpos, las cuales se encuentran en constante movimiento. Una medida de la intensidad de la misma es la temperatura.

La energía adquiere diversas formas y son solo sus variaciones las que pueden ser ponderadas y medidas. Al físico alemán Hermann von Helmholtz, se le atribuye el denominado principio de la Conservación de la Energía, según el cual la energía se conserva y no se crea ni se destruye. Pero la energía en forma de calor disipado al medio ambiente no es aprovechable, de allí que en el lenguaje popular: “ahorrar energía” se refiera en realidad a ahorrar energía “aprovechable” o “utilizable” y en particular se refiere a la energía eléctrica.

Los cambios en los sistemas lo genera la energía, y el trabajo se convierte en energía térmica, en calor, que puede llevar a la elevación de la temperatura, a aumentar la entropía. Ello es también cierto en las sociedades e instituciones: si se trabaja se genera “entropía” se “caldean los ánimos” se “producen cambios”. ¿Cómo lograr el crecimiento sin alterar el equilibrio? ¿Cómo mantener el equilibrio sin detener el crecimiento?.