Síntesis electromagnética de Maxwell

Comienza Ya. Es Gratis
ó regístrate con tu dirección de correo electrónico
Síntesis electromagnética de Maxwell por Mind Map: Síntesis electromagnética de Maxwell

1. La síntesis de Maxwell "constituye una de las mayores logros de la física, ya que no solo unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos, sino que también permitió el desarrollo de toda la teoría de las ondas electromagnéticas, incluida la luz.

1.1. El electromagnetismo moderno se basa en una invención y dos descubrimientos, todos hechos en el primero 1er tercio del siglo XIX

1.1.1. La invención es la construcción de una fuente de corriente eléctrica continua, la batería eléctrica, realizada por Volta hacia 1800. Los dos descubrimientos son la demostración de los efectos magnéticos producidos por corrientes eléctricas reales realizadas por Oersted y Ampere en 1820 y la generación de corriente eléctrica de campos magnéticos obtenido por Faraday en 1831.

1.1.1.1. Con estos tres contribuciones habían sentado los pilares de la moderna electromagnetismo, cerrado por la contribución de James Clerk Maxwell, ya en el último tercio del siglo XIX

2. Electricidad

2.1. El fenómeno de la electricidad se conocía desde la antigua Grecia y su propio nombre es de origen griego.

2.1.1. Tipos de electricidad

2.1.1.1. Stephen Gray (1670-1736) descubrió que la electricidad podía transmitirse mediante un cable metálico y la distinción entre conductores y aislantes. Como en el caso del calor, la electricidad fue concebida como un fluido que podía pasar de un cuerpo a otro y, de hecho, aún hoy hablamos de un “fluido eléctrico”.

2.1.1.1.1. Charles F. Dufay (1698-1739) asumió que existían dos tipos de electricidad: la producida por frotar sustancias vítreas como el vidrio o mica, y la producida por el ámbar frotado, lacre, y otras sustancias resinosas.

2.1.1.1.2. Benjamin Franklin (1706-1790) concluyó que solo existe un tipo de fluido eléctrico (electricidad vítrea), en lugar de dos como se admitía hasta entonces, y dos tipos de estados de electrificación, uno como el del vidrio y otro como el del ámbar, y llamar al primero positivo y al segundo negativo.

2.2. Botella de Leyden

2.2.1. Por aquella época, la electricidad se almacenaba en un dispositivo de botella llamado Leyden, desarrollado por Pieter van Musschenbroek (1692-1761). La primitiva botella de Leyden se ha convertido hoy en día en varios tipos de condensadores

2.3. Carga Eléctrica

2.3.1. Henry Cavendish (1731-1810), fue uno de los primeros en utilizar el concepto de carga eléctrica.

2.3.2. Corriente eléctrica

2.3.2.1. El precursor del descubrimiento de la corriente eléctrica directa fue Luigi Galvani (1737-1798), quien estudió el efecto de la electricidad en los animales, siendo sus famosas experiencias.

2.3.2.1.1. Alessandro G. Volta (1745-1827), basándose en los experimentos de Galvani fue capaz de producir una corriente eléctrica con una pila de baterías alternas de estaño o zinc y cobre o plata, separadas por otras hechas de cartón impregnado con una solución salina. De esta pila de discos es de donde proviene el nombre de "pila" voltaica, que se ha generalizado para designar las baterías eléctricas de este tipo.

2.3.2.2. A pesar de los avances en la comprensión de los fenómenos eléctricos, a lo largo del siglo XVIII la única fuente de electricidad fueron las máquinas rotativas electrostáticas, como la construida por Otto von Guericke (1602-1686).

2.4. Potencial eléctrico

2.4.1. Simeon Denis Poisson (1781-1840), fue el primero en aplicar las ideas de Pierre Simon de Laplace (1749-1827) sobre el potencial gravitacional de la electricidad. Introdujo el concepto de "potencial eléctrico."

2.4.1.1. Ley de Coulomb

2.4.1.1.1. La ley que gobierna las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléctricas fue descubierta y formulada en 1785 por Charles Augustin Coulomb (1736-1806). Según la ley de Coulomb, la fuerza entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

2.4.1.2. Ley de Ohm

2.4.1.2.1. Georg Simon Ohm (1878-1854) obtuvo la relación entre la diferencia de potencial, la intensidad de la corriente, y la resistencia conocida como ley de Ohm.

3. A comienzos del siglo XIX la luz, la electricidad y el magnetismo eran considerados tres fenomenos independientes.

3.1. La formulación matemática de Maxwell de los fenómenos electromagnéticos descritos por sus predecesores asumidos para la electricidad, magnetismo y luz una síntesis - "la síntesis de Maxwell. "

4. Magnetismo

4.1. antigua Grecia

4.1.1. El fenómeno del magnetismo se conocía desde la antigua Grecia y su nombre también es de origen griego.

4.1.1.1. La palabra magnetismo proviene de la palabra “magnes", que a su vez proviene de Magnesia, una región donde se encuentran depósitos del mineral magnetita que tiene la propiedad de atraer objetos de hierro además de darle al hierro sus propiedades magnéticas.

4.1.1.2. Se observó que el efecto de atraer pequeños trozos de hierro era más pronunciado en determinadas zonas del imán denominadas polos magnéticos.

4.2. En 1269, Pierre de Maricourt descubrió que si una aguja magnetizada se dejaba libremente en diferentes posiciones sobre un imán natural esférico, se orientaba a lo largo de líneas que, rodeando al imán, pasaban por puntos ubicados en extremos opuestos de la esfera.

4.2.1. Estos puntos se denominaron polos del imán. También observó que los polos iguales de dos imanes se repelen y los polos diferentes se atraen entre sí.

4.3. Propiedades

4.3.1. Si una barra magnetizada está suspendida libremente en un punto de la superficie de la Tierra, la barra se orienta en dirección norte-sur. Este hecho nos permitió distinguir los extremos de la varilla o polos magnéticos norte (N) y sur (S) y concluir que la propia Tierra se comporta como un gran imán.

4.3.1.1. También se observa que la fuerza entre polos del mismo nombre es repulsiva, mientras que la fuerza entre polos de diferentes nombres es atractiva. A diferencia de lo que ocurre con las cargas eléctricas, los polos magnéticos siempre aparecen de dos en dos.

4.3.1.1.1. No es posible tener un polo norte o sur aislado, y si rompes un imán para intentar separar sus polos, obtienes dos imanes, cada uno con un par de polos norte y sur de igual intensidad. De estos experimentos se puede concluir que no existen monopolos magnéticos libres.

5. óptica

5.1. antigua Grecia

5.1.1. En la antigua Grecia, la luz se consideraba una emisión de cuerpos luminosos, aunque existía cierta confusión en cuanto a si el haz de luz procedía del ojo o del cuerpo iluminado

5.1.2. Durante la Edad Media, en Occidente, el legado de la óptica griega antigua y los autores árabes, el más importante de ellos Alhazen, quien trabajó en la ley de la reflexión, se recibió colocando los ángulos de incidencia y reflexión en un mismo plano normal al interfaz.

5.2. Con los autores modernos, la consideración de la naturaleza de la luz se divide en dos corrientes: ondulatoria y corpuscular.

5.2.1. En su libro Opticks, Isaac Newton (1643-1727) afirma su opinión sobre diversas cuestiones de la filosofía natural, como la naturaleza de la luz, las causas de los fenómenos eléctricos y magnéticos o la posible existencia de un éter universal que llena el espacio.

5.2.1.1. Newton considera la luz formada por partículas luminosas emitidas por los cuerpos. Desde la época de Newton hasta los primeros años del siglo XIX, la teoría corpuscular de la luz gozó del favor de la mayoría de los físicos, principalmente gracias a la autoridad de Newton.

5.2.2. Augustin Jean Fresnel (1778- 1827) sintetizó los conceptos de la teoría de ondas de Huygens y el principio de interferencia y analizó el fenómeno de la difracción.

5.2.2.1. El principio de Huygens-Fresnel permite calcular los patrones de difracción generados por obstáculos y aberturas y explicar satisfactoriamente la propagación rectilínea en medios homogéneos, eliminando así la objeción del principio de Newton sobre la teoría ondulatoria. "la luz se difracta y la interferencia está en el corazón del proceso".

5.2.2.1.1. Fresnel también estudió el fenómeno de la polarización, comprobando que dos luces con polarizaciones perpendiculares no interfieren, por lo que concluyó que la luz era una onda transversal.

5.2.3. A mediados del siglo XIX, Armand Fizeau (1819-1896) encontró un valor de la velocidad de la luz igual a 315.000 km / s, mientras que Jean Bernard Foucault (1819-1868) midió la velocidad de la luz en dos medios diferentes, aire y agua, mostrando que es mayor en el aire que en el agua, contrariamente a lo que se deduce del corpuscular de Newton.

5.2.3.1. Poco a poco, los argumentos a favor de la teoría ondulatoria de la luz acabaron ganando aceptación universal.

5.3. Polarización de la luz

5.3.1. Ettiene Louis Malus (1775-1812), ingeniero militar de Napoleón, descubrió en 1808 el fenómeno de la polarización de la luz. Observó que, mirando a través de un vidrio de espato islandés, la luz del reflejo en una ventana no producía la doble refracción (birrefringencia) típica de este material y girando el vidrio en posiciones donde la luz disminuía.

5.3.1.1. Sin embargo, Malus intentó explicar este fenómeno desde el punto de vista de la teoría corpuscular de la luz que aún mantenía.

5.4. Principio de interferencia

5.4.1. Thomas Young (1773-1829) probó la naturaleza ondulatoria de la luz en oposición a la naturaleza corpuscular.

5.4.1.1. Cuando las ondas provenientes de dos fuentes de luz puntuales se superponen en una pantalla colocada paralela a la línea de unión de los dos orificios, se producen franjas claras y oscuras constantemente nítidas.

5.4.1.2. Este es el primer experimento en el que se demuestra que la superposición de luz puede producir oscuridad. Este fenómeno se conoce como interferencia y con este experimento se corroboraron las ideas intuitivas de Huygens sobre el carácter ondulatorio de la luz.

5.4.2. Entre 1801 y 1803, Young presentó artículos a la Royal Society ensalzando la teoría ondulatoria de la luz y añadiéndole un nuevo concepto fundamental, el llamado principio de interferencia.

6. Electromagnetismo

6.1. Hans Christian Oersted (1777-1851) su contribución más importante al electromagnetismo fue su descubrimiento en 1820 de que el paso de una corriente eléctrica desviaba una aguja magnetizada ubicada en sus proximidades. Había descubierto que una corriente eléctrica produce efectos magnéticos.

6.1.1. A partir del experimento de Oested Andr´e Marie Ampere (1775-1836) desarrolló la teoría matemática que explica la interacción entre electricidad y magnetismo llamada electrodinámica, afirmando que los fenómenos magnéticos dependen únicamente de la existencia y el movimiento de cargas eléctricas.

6.1.1.1. Ampere concluyó que, si bien la carga eléctrica es una realidad fundamental, no existen cargas magnéticas aisladas. Explica la existencia de imanes permanentes, dando la idea de que el magnetismo natural es producido por pequeñas corrientes a nivel molecular: "corrientes de amperios".

6.1.2. Michael Faraday (1791-1867) descubrió la inducción electromagnética, lo que lo llevó a la invención de la dínamo, precursora del generador eléctrico, explicó la electrólisis en términos de fuerzas eléctricas e introdujo conceptos, como las nociones de “líneas de fuerza ”y de“ campo ”, fundamentales en la comprensión de las interacciones eléctricas y magnéticas y partes básicas en el desarrollo posterior de la física.

6.1.2.1. Faraday inventó el primer motor electrico, el primer transformador, el primer generador eléctrico y la primera dinamo, por lo que Faraday puede ser llamado, sin genero de dudas, el padre de la electrotecnia

6.1.2.2. Otro de los efectos descubiertos por Faraday, quizás menos conocido, es la influencia de un campo magnífico en un haz de luz polarizada, fenómeno conocido como efecto Faraday o efecto magneto-óptico.

6.1.2.2.1. Así, abandonaron la teoría de los fluidos para explicar la electricidad y el magnetismo y propusieron los conceptos modernos de "campo electromagnético" y "líneas de campo" de campos eléctricos y magnéticos, que llenan el espacio alrededor de cargas eléctricas, imanes y corrientes eléctricas.

6.1.2.2.2. De esta forma, se apartó de la teoría newtoniana de la acción a distancia mantenida entre otros por Coulomb y Ampere.

6.1.2.2.3. El concepto de campos proporcionó electricidad, magnetismo y óptica un marco común de teorías físicas.

7. Hay dos contribuciones importantes a la física hechas por Maxwell y que pueden englobarse en dos campos: electromagnetismo y física estadística.

7.1. Maxwell propuso veinte ecuaciones que relacionan las variables de los campos eléctrico y magnético y que gobiernan el comportamiento de la interacción electromagnética.

7.2. En 1884, Oliver Heaviside (1850-1925), con la ayuda de Wil- liard Gibbs (1839-1903), sintetizó estas ecuaciones en las cuatro ecuaciones de Maxwell como se las conoce hoy.

7.2.1. Estas ecuaciones son la ley del campo eléctrico de Gauss, la ley del campo magnético de Gauss, la ley de inducción electromagnética de Faraday-Henry y la ley de Ampere-Maxwell,

7.2.2. Estas ecuaciones resumen las leyes experimentales del electromagnetismo y, con ellas, Maxwell mostró cómo la electricidad y el magnetismo no son más que manifestaciones diferentes del mismo sustrato físico y electromagnético

7.2.2.1. Maxwell demostró que las ecuaciones del campo electromagnético podrían combinarse para producir una ecuación de onda que debería satisfacer los vectores del campo eléctrico y magnético y propuso la existencia de ondas electromagnéticas. Al calcular la velocidad de propagación de estas ondas (en el vacío) obtuvo el valor de la velocidad de la luz, concluyendo que la luz también era una onda electromagnética. Con su teoría del campo electromagnético, Maxwell logró unir electricidad, magnetismo y óptica.