Cacería de Cargas

8/17/2019 Cacería de Cargas

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CACERÍA DE CARGASAutor: EDUARDO PIÑA GARZA

COMITÉ DE SELECCIÓN

EDICIONES INTRODUCCIÓN I. ¿QUÉ SON LAS CARGAS? II. LAS COSTUMBRES DE LAS CARGAS III. LOS SENDEROS RIZADOS DE LAS CARGAS IV. PARA ATRAPAR A LAS CARGAS GLOSARIO BIBLIOGRAFÍA

COLECCIONES DEL FCE CONTRAPORTADA

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_10.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_9.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_8.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_7.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_6.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_5.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_4.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_3.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_2.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_1.htmlhttp://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/comite.htm


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INTRODUCCIÓN

Entre los retos a los cuales se enfrenta la humanidad está la difíciltarea de lograr en la Tierra el control de las reacciones nucleares defusión.

Se busca ese control para poder satisfacer las necesidadesenergéticas de nuestro planeta. Estas necesidades se incrementancontinuamente con el objeto de aumentar el número de trabajos yservicios requeridos en beneficio de cada habitante de la Tierra.Se prevé un incremento del uso de la electricidad en el hogar y enlos sectores comercial e industrial, y la aparición de grandesdemandas inexistentes hoy, como la producción de hidrógeno porelectrólisis, para ser usado como combustible en vehículos.Si suponemos una duplicación de la población mundial en eltérmino de 30 años y vemos al mundo con su almacén finito derecursos naturales de gas y petróleo, se deduce que lasnecesidades de energía deberán satisfacerse mediante carbón,uranio, deuterio y litio, y eventualmente por otras fuentesrenovables de energía. El deuterio y el litio son los combustiblesmás abundantes para la fusión nuclear.Hasta ahora la fusión nuclear se ha logrado en algunos países en laforma descontrolada y amenazante de una bomba de hidrógeno.

Pero desde hace algunos decenios se han hecho generosasinversiones en favor de los estudios experimentales y teóricos,principalmente en los países con mayor desarrollo tecnológico, a finde alcanzar el dominio de la fusión nuclear, que ofrece una promesahermosa de abundancia de energía. Se trata de la misma fuente deenergía con la cual el flujo radiante del Sol ha venido calentandodurante muchos milenios al Sistema Solar. Es ésa la energía queilumina las noches estrelladas con los millones de soles en su brillocontinuo hacia todas las direcciones del espacio cósmico.

Según la leyenda griega, Prometeo robó a los dioses la semilla delfuego del Olimpo para regalarla a los hombres. No sabemos si tomóel fuego de los grandes hornos del monte Olimpo, o quizá de lafragua de Vulcano. Pero hoy le pediríamos un poco de fuego de lasruedas del carro del Sol.Para generar la producción de energía de fusión en la forma comose logra en las estrellas debe mantenerse un plasma atemperaturas enormemente altas, debe aislarse de los alrededorespara protegerse del calor y la radiación, que se producirán, y

atrapársele en un recipiente apropiado para impedir que materia yenergía escapen.


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El plasma es un fluido formado por cargas eléctricas, y el recipientecapaz de encerrar a las cargas y de aislarlas adecuadamente es uncampo magnético.En este libro vamos a hablar de las cargas eléctricas, esaspartículas que queremos atrapar con un campo magnético a fin de

lograr con ellas la fusión nuclear controlada.Veremos primero algunas propiedades de las cargas en cuanto a sucomportamiento y origen. Los dos tipos de cargas y la posibilidadde ocultarlas cuando están cerca otras de distinto signo. La formacomo se contemplan las cargas en la naturaleza se ha modificadoen nuestros días debido a la invasión de nuestros hogares por lacorriente eléctrica. Comentaremos la importancia y utilidad de estapresencia. Se destaca la posibilidad de transformar energía eléctricaen trabajo y viceversa.En el capítulo I se verán los momentos culminantes de la historiade la electricidad y el magnetismo. Veremos a los osadosnavegantes ibéricos convertidos en descubridores de laspropiedades del magnetismo y de su campo. Aparece entonces, en1587, quizá la primera publicación de un escrito impreso en Méxicosobre la brújula y su aplicación en la navegación.Se presenta asimismo la contribución francesa, inglesa y de otrospaíses en la creación de los conceptos fundamentales del

electromagnetismo y de sus aplicaciones más importantes.Por último, en este capítulo se definen los isótopos por el númerode neutrones, y se presentan los elementos radiactivos comoisótopos inestables; se describen las radiaciones más importantesemitidas y se describe la experiencia de Rutherford para conocer laexistencia del núcleo de carga positiva en el átomo.El capítulo II reúne un conjunto de ejemplos donde se conoce elmovimiento de cargas en el seno de campos magnéticos de formaparticular. Se describen ahí los movimientos helicoidales de las

cargas en un campo constante. Se relata el movimiento en unageodésica, la línea de menor longitud, sobre un cono en cuyovértice se halla un monopolo magnético, y éste sirve de modelopara explicar el espejo magnético, consistente en el rebote de lacarga al acercarse al monopolo donde concurren y se concentranlas líneas del campo.En el mismo capítulo II vemos también cómo se evaporaviolentamente el Sol bañando al Sistema Solar de cargas eléctricasbajo un viento continuo de corriente eléctrica. El viento solar choca

contra el campo magnético de los planetas, escudo protector ycárcel fortificada en forma de cinturones de carga, los cuales


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quedan atrapados por la tendencia de las cargas a ensortijarsealrededor de las líneas del campo magnético. Las cargas másenérgicas de los cinturones de radiación vencen el poder reflectorde los polos Norte y Sur, e irrumpen en la atmósfera chocandocontra las moléculas, las cuales iluminan, vistiéndose el cielo de

auroras polares. Veremos a los rayos cósmicos en su viaje deentrada a la Tierra, cuando llenan de entusiasmo a los científicosque quieren comprender su origen y su destino y los vemos, con lasherramientas poderosas de la matemática y la computación,intentando descubrir el secreto de sus itinerarios.En el capítulo III hablamos del campo magnético de la Tierra y desu modificación con la altura debido al viento solar. De los grandescinturones de Van Allen que rodean la Tierra en forma deneumáticos de automóvil, como anillos saturnianos, y que fuerondescubiertos a raíz de las exploraciones científicas por medio desatélites artificiales. Se leerá allí sobre la variación del campomagnético de la Tierra, fluctuando en tamaño al paso de los siglos ydejando su huella de magnetización en las cerámicas de laAntigüedad. Pero la prehistoria del cambio del magnetismo ennuestro mundo hay que investigarla mediante técnicas depaleomagnetismo en las lavas volcánicas y en los sedimentosdepositados durante millones de años. Encontraremos así la

evidencia de inversiones en dirección del campo magnético. Comotestimonio de la inversión reiterada del campo magnético en laTierra contamos con los hallazgos de las franjas alternadas depolaridad magnética, localizadas paralelamente a ambos lados de lagran cresta mesoatlántica que une las placas africana y americanaa lo largo del Océano Atlántico y a lo largo de las otras crestas endiversos océanos.El capítulo IV se refiere principalmente al análisis de los trabajosexperimentales a fin de lograr el confinamiento de plasmas a altas

temperaturas por medio de campos magnéticos. Se intenta el logrode condiciones donde sea posible la fusión nuclear de los núcleosligeros que desprenden enormes cantidades de potencia, al fundirseunos con otros.Inicialmente se pensó en la posibilidad de atrapar al plasma pormedio de botellas magnéticas. Se estaba entonces copiando a lanaturaleza cuando atrapa grandes cantidades de carga en loscinturones de Van Allen, pues dichas cargas van y vienen rebotandoen las concentraciones de líneas del campo dipolar de la Tierra.

Fenómeno que se repite en Júpiter. Posteriormente, son usadosmuchos otros dispositivos ingeniosos para encarcelar al plasma


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radiactivo. Al paso de los años, el tokamak parece ganarles lacarrera a los demás. Se basa en la idea de un tubo cerrado dondeden vuelta las cargas en una corriente eléctrica volando en elespacio y sostenidas por campos magnéticos. Es impensable algúnotro tipo de conductor, como el de los metales, porque sería

derretido por las enormes temperaturas necesarias para alcanzar lafusión nuclear. Pero la forma del contenedor, y el procedimientopara atrapar a las cargas fue la incógnita que buscaba una óptimarespuesta.Hoy estamos muy cerca de lograr la fusión nuclear controlada.Prometeo ha robado a los dioses las ruedas del carro del Sol.

I. ¿QUÉ SON LAS CARGAS?

EN ESTE capítulo vamos a recopilar el conjunto de propiedadesfundamentales de las cargas eléctricas. En su mayoría pueden serconocidas de muchos lectores porque los fenómenoselectromagnéticos tienen una historia venerable. Me gustaríarecordar aquí los aspectos más interesantes del electromagnetismo.Para todos será agradable imaginar los grandes esfuerzosrealizados por miles de pensadores con el solo objeto de descubriry organizar las diferentes ideas sobre estos temas. Al recordar la

formación, lenta, de estos conceptos nos maravillamos de laestructura tan elegante y simple con la cual hoy podemos entendertantas propiedades que en el pasado estaban disconexas y sinrelación evidente. El mundo parecía el reino de la confusión, cuyaúnica explicación era el caos. Mediante la labor continua y pacientede muchos científicos curiosos, de muchas mentes ingeniosas enbusca de lo nuevo y de lo útil, se fueron descubriendo propiedadesy aplicaciones, se encontraron relaciones y analogías. Se hicieronsíntesis y generalizaciones.

Las cargas eléctricas son partículas que ejercen fuerzas atractivas yrepulsivas entre ellas. Por ser partículas, tienen una masa que seopone a ser acelerada por fuerza alguna, y sufre la atraccióngravitacional del centro de la Tierra, como todos los demás cuerpossobre la superficie del mundo.Se dividen en dos tipos diferentes: las cargas positivas y las cargasnegativas. Una positiva y una negativa se atraen entre sí. Si seatraen, deben ser de distinta carga.Las cargas negativas repelen a las cargas negativas. Las cargas

positivas también se repelen entre sí.


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Si encontramos una carga desconocida, para preguntarle su tipo decarga le acercamos una carga positiva. Si se aleja la cargadesconocida de la carga positiva es porque se trata de una cargapositiva; si la carga —antes desconocida— es atraída por la cargapositiva sabremos en ese momento que es negativa.

Si una partícula no se aleja ni se acerca de una carga positiva,entonces no es una carga sino una partícula neutra.Estoy suponiendo aquí que para alejarse o acercarse estaspartículas están en libertad de moverse, no están sujetas por otrafuerza eléctrica o de otro tipo.La fuerza eléctrica entre cargas se llama fuerza de Coulomb; esdirectamente proporcional a las cargas e inversamente proporcionalal cuadrado de la distancia entre las cargas. Es decir, al aumentaruna carga, 2, 3, 4, etc., veces en el mismo lugar, la fuerza aumenta2, 3, 4, etc., veces. Al incrementar la distancia entre las cargas 2,3, 4, etc. veces, la fuerza disminuye de tamaño a 1/4, 1/9, 1/16,etc. de su tamaño original, porque 4 es el cuadrado de 2, 9 es elcuadrado de 3, 16 es el cuadrado de 4, y así sucesivamente. Conayuda de símbolos, si F representa la fuerza, q la carga, R ladistancia y una A constante, entonces la relación entre la fuerza, lacarga y la distancia, se representa por la ecuaciónF = A X q/R2,

donde la X representa la operación de multiplicar y / la operaciónde dividir.La constante A es proporcional a la otra carga diferente de q.Se le llama campo eléctrico a la fuerza por unidad de carga que sesentiría al colocar en un punto a una carga. En cualquier punto dela vecindad de una carga hay un campo. Ese campo se convierte enuna fuerza hasta que colocamos una carga. Mientras no hay unacarga el campo no produce fuerza. En ausencia de carga ese camposólo puede ser observado cuando produce efectos luminosos, como

más adelante veremos.Si unimos varias cargas pueden formarse partículas neutras acondición de tomar la misma cantidad de carga positiva que decarga negativa. Las partículas neutras tienen una compensacióncasi total de la fuerza eléctrica positiva con la negativa. Digo casitotal porque las dos cargas no están situadas en el mismo lugar y lapequeña diferencia de localizaciones produce un efecto mediblellamado dipolar porque reconoce dos centros diferentes.Sabemos ahora que todas las sustancias están formadas por

cargas, pero generalmente esas sustancias las observamos enforma neutra con un equilibrio de carga positiva y negativa.


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La partícula más pequeña de una sustancia es una molécula. Ytambién las moléculas de una sustancia son iguales entre sí. Haymillones de sustancias diferentes y todas tienen moléculasdiferentes, pero estos millones de moléculas están formadas por unpoco más de sólo cien tipos diferentes de átomos de los elementos

químicos. Las combinaciones de átomos en proporciones diferentesson las que producen la gran variedad de moléculas.Cada átomo está formado por un núcleo pesado de carga positiva elcual se halla rodeado por una nube ligera de cargas negativas, loselectrones. Todos los electrones tienen la misma carga y el mismopeso, todos parecen iguales entre sí. El núcleo de carga positiva deeste átomo está formado de protones y neutrones. Los protonesson cargas positivas, y los neutrones —su nombre lo dice— sonpartículas neutras. En un átomo hay el mismo número de protonesy de electrones, y entonces es neutro.El protón tiene la misma cantidad de carga que el electrón peropositiva. Por otra parte, los protones y neutrones son mucho máspesados que los electrones —más de mil ochocientas veces—, perolos pesos de un protón y de un neutrón son casi iguales entre sí.Se observa aquí una aparente falta de simetría en la naturaleza.Electrones y protones con la misma carga pero con masas tandiferentes. La simetría se recupera cuando encontramos los

positrones, electrones positivos con igual masa que el electrón.Asimismo se encuentran los negatones, protones negativos conigual masa que el protón. Pero ni aun esto recupera del todo lasimetría del mundo, puesto que los protones y electrones, con susmasas tan diferentes, son los que dominan por su gran númerotodas las sustancias observadas. Los positrones y negatones sonexcepciones del Universo que contemplamos.En un átomo la carga total se anula o neutraliza porque el númerode electrones es igual al de protones.

¿Por qué todos los electrones tienen la misma carga? ¿Por qué losprotones tienen el mismo valor de carga, con distinto signo? No hayuna respuesta fácil a estas preguntas; formulamos tan sólo elhecho sin pretender aquí una respuesta. Nótese que aunque envalor absoluto las cargas de electrón y protón sean iguales, susmasas sin embargo son muy diferentes, casi dos mil veces. Muchomás fácil es contestar a la pregunta ¿cómo sabemos que las cargastienen todas el mismo valor? En respuesta a lo anterior resultainteresante recordar las dos experiencias de Millikan y Faraday.

Veamos primero la de Millikan.


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El experimento de Millikan permitió comprobar que la carga se daen paquetes enteros iguales a la carga del electrón. Hubo antesotros experimentos similares pero menos claros. En esteexperimento, sin embargo, con un microscopio cuyo tubo estabacolocado horizontalmente, se observó una pequeña gota de aceite

en un conjunto de gotas esparcidas dentro de una cámaratransparente. Las gotas se cargan eléctricamente al radiarlas conrayos X. La gota bajo observación cae con velocidad constantecomo resultado de la acción combinada de la gravedad y la friccióndel aire. Posteriormente se aplica un campo eléctrico que obliga alas gotas a ascender con velocidad, también constante. De lamedición de ambas velocidades es posible deducir el valor de lacarga que porta la gota. Las observaciones de Millikan en muchasgotas permiten afirmar que no se encuentra carga menor a la cargadel electrón. Además, todas las cargas medidas son un múltiplo dela carga del electrón.Este resultado experimental es congruente con todas las demásmediciones llevadas a cabo hasta ahora, relacionadas con el valorde la carga. No existe evidencia experimental de que se hayamedido una partícula con una carga que sea una fracción de lacarga del electrón. Pero tampoco hay nada que prohiba suexistencia. En el futuro es muy probable que pueda dividirse el

electrón y sus constituyentes podrán tener valores fraccionarios desu carga. Tal división es hoy únicamente una especulación fuera dela verificación científica.El experimento de Faraday permite también medir la carga delelectrón y hablaremos de él más adelante, después de haberexplicado la idea de isótopo.Entre protones y neutrones se ejerce una fuerza aglutinante delnúcleo que impide que los protones estallen y se repelan entre sí,como lo hacen todas las cargas positivas. Ésta es la enorme fuerza

de unión nuclear que se percibe sólo a distancias muy pequeñas ysupera más de cien veces a la fuerza eléctrica de Coulomb. Si conun enorme gasto de energía se separan dos porciones con cargapositiva de un núcleo a una distancia dada, la fuerza nuclear dejade existir como unión de las dos cargas positivas y esos dospedazos de núcleo se repelen con la fuerza eléctrica entre cargaspositivas, pero ya no se siente la fuerza nuclear. En resumen, lafuerza nuclear es enorme a distancias muy pequeñas y se vuelve depoca intensidad cuando crece la distancia que separa a las cargas.

La desaparición de la fuerza nuclear en estas circunstancias tienealgún parecido con un sólido que se rompe en dos partes: ya no


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hay fuerza tan grande entre esas dos partes del sólido como habíaantes de romperse.En el Universo hay otras partículas cargadas y neutras: positronestan ligeros como los electrones con carga positiva, y negatones tanpesados como los protones y neutrones pero con carga negativa y

muchas otras partículas más que serán descritas con mayor detalleen otros libros de esta serie. Muchas de estas partículas no son tanfrecuentes o evidentes en nuestra discusión, por lo que tendremosque dejarlas de lado. Le damos la mayor importancia a electrones,protones y neutrones que constituyen casi la totalidad de lassustancias conocidas. Más adelante, forzados por la necesidad deconsiderar altas energías, el número de las partículas encontradasno tendrá límite.Por lo pronto, quiero mencionar solamente a otras partículasllamadas mesones Pi, los cuales pueden ser positivos, negativos yneutros. Estos mesones aparecen en el núcleo como una especie deintermediarios en las transformaciones protón a protón, protón aneutrón, neutrón a protón y neutrón a neutrón, que ocurren en elnúcleo —y fuera de él— y son responsables de la fortísima uniónentre ellos, la fuerza nuclear capaz de ganarle a la fuerza eléctricade Coulomb.Las primeras cargas eléctricas se hicieron notar como una fuerza de

atracción entre dos materiales que se frotaban. El frotamientooriginaba que los electrones de un material pasaran al otro y, así,quedaban cargados ambos. Uno con carga positiva, por haberperdido electrones, el otro con carga negativa por haberse quedadocon más electrones de los necesarios para que hubiera neutralidad.Por ejemplo, cuando se frota resina con vidrio, la resina se cargapositivamente y el vidrio negativamente. Todas las cargas querepele el vidrio frotado son cargas negativas. Todas las cargasatraídas por ese vidrio son positivas.

Todos los átomos, con el mismo número de electrones —o protones—, tienen las mismas propiedades químicas y forman la parte máspequeña de un elemento químico.Vivimos siempre rodeados por cargas. Éstas se encuentrangeneralmente dentro de sustancias neutras formadas por átomos opor moléculas. Al no estar solitarias las cargas no notamos sufuerza eléctrica que mantiene en equilibrio todas las cargas anuestro alrededor.En nuestra casa las cargas eléctricas son familiares en forma de

corriente de cargas que circula por conductores metálicos aislados


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por materiales no conductores llamados dieléctricos tales como losplásticos, el aire, el vidrio, la cerámica, etcétera.Las cargas tienen gran dificultad en atravesar a los dieléctricos perocaminan libremente en los metales. Algunos electrones de cadaátomo del metal, los cuales se dice que están en la banda de

conducción, se mueven fácil y rápidamente de un átomo al vecinocuando son impulsados por la energía producida en las centraleseléctricas o en cualquier otra fuente a fin de transformar trabajo oenergía química en energía electromagnética.Al pasar por resistencias, la corriente de cargas eléctricas puedetostar el pan y permite cocinar, calienta la habitación y plancha laropa. Si pasa por las lámparas, produce incandescencia defilamentos o tubos, e ilumina. Da la fuente de energía paraamplificar las señales de radio y televisión. En nuestracomputadora, ilumina la pantalla y pone en funcionamiento a lamemoria y al procesador.Una de las funciones interesantes que produce la corriente eléctricaes la posibilidad de generar movimiento mecánico, que utilizamosen los motores del taladro, la aspiradora, las lavadoras de ropa o detrastos de cocina, la licuadora, en el refrigerador, y en tantos otrosmecanismos útiles. Este es uno de los grandes usos de la corriente,y es posible por la relación entre el magnetismo y la electricidad.

Todos estos aparatos con motores eléctricos funcionan por lainducción electromagnética. Las corrientes eléctricas en losembobinados de alambres crean campos magnéticos y los camposmagnéticos producen movimientos entre embobinados que puedenutilizarse en las formas que arriba se mencionaron, las cuales sonmuy conocidas y que encuentran también muchas otrasaplicaciones usadas en el automóvil y en el trabajo.La factibilidad de convertir la energía eléctrica en trabajo mecánicoy viceversa, la posibilidad de transformar el trabajo mecánico en

energía eléctrica es uno de los grandes inventos en nuestros días.Se realiza por medio del dinamo inventado por el físico belgaGramme (1826-1901). Este invento se usa en las grandes centraleshidroeléctricas, donde el trabajo mecánico producido por una caídade agua mueve los enormes dinamos. En otras centrales puedeusarse la energía geotérmica; el vapor a alta presión y temperaturase escapa de la tierra en las regiones volcánicas y este vapor puedemover turbinas y producir electricidad. Otras centrales usanmotores Diesel o de gasolina. Recientemente se ha generalizado el

uso de reactores nucleares los cuales se usan para transformarenergía térmica en energía mecánica y ésta, en eléctrica.


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Los reactores nucleares son menos conocidos, aunque sonesencialmente una caldera que produce un fluido a temperaturamuy alta y recibe el mismo fluido a una temperatura menor. Elreactor eleva la temperatura del fluido. El calentamiento se producemediante reacciones nucleares, las cuales serán posteriormente

discutidas. La producción de reacciones nucleares está moderada afin de producir únicamente la energía requerida y evitar la reacciónen cadena, como ocurre en las bombas nucleares.Veamos antes cuáles fueron los momentos culminantes de lahistoria del electromagnetismo.

RECORDANDO AL MAGNETISMO

Las propiedades magnéticas observadas en la Antigüedad seexplican ahora con el ferromagnetismo, una propiedad de algunosmateriales, observada primero en el hierro. Un materialferromagnético en presencia de un campo magnético sufre unafuerte magnetización que se explica porque cada átomo funcionacomo un pequeño imán que se alinea con el campo, y entre losátomos se establece un acoplamiento que viene a reforzar latendencia al paralelismo con el campo externo, venciendo lapropagación del desorden producido por el incremento de la

temperatura. Los metales ferromagnéticos más importantes son elhierro, el cobalto, el níquel, el gadolinio y el disprosio. Aleacionesde éstos y otros metales muestran el mismo fenómeno.Las primeras referencias escritas en torno al magnetismo en Chinatienen más de 2 000 años de antigüedad.Según el barón Von Humboldt, en el Szuki de Szumthsian, librochino que data de la primera mitad del siglo II de nuestra era, semenciona el carro magnético que el emperador Tschingwang de ladinastía Tscheu, había dado 900 años antes a los embajadores de

Tunking y de la Cochinchina para que no pudieran extraviarse alvolver a su país. Y en el diccionario de Schuewen de Hintschin delsiglo III de nuestra era, está indicado el procedimiento en cuyavirtud se puede comunicar a una lámina de hierro, por medio de unfrotamiento regularizado, la propiedad de dirigir una de sus puntashacia el Sur. El Sur fue la dirección habitual de los naveganteschinos, como lo fue el Norte para los navegantes europeos.El descubrimiento más antiguo que se recuerda relacionado con lasfuerzas magnéticas fue la brújula, realizado por los chinos. Éstos

advirtieron la propiedad magnética de la Tierra al poder alinear a lolargo de los meridianos terrestres a una pequeña aguja imantada,


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pues la Tierra se comporta como un gran imán que atrae a otrosimanes. La llamada aguja de marear se transmitió a la India yArabia en el curso de los siglos. La aguja imantada se usó por losegipcios, durante la dominación romana, para orientar sus barcosen las travesías entre Ocelis y las costas de Malabar.

Figura 1. Imán con limaduras a lo largo de las líneas delcampo.

El mineral magnetita se encontró en la provincia griega de

Magnesia en Tesalia. Existen escritos sobre las propiedades de esteóxido de hierro desde 800 a.C. En el poema de Tito Lucrecio CaroDe la naturaleza de las cosas, transcribo del libro VI:Por lo que resta, empezaré a decir por qué pacto de natura ocurreque pueda el hierro atraer esta piedra que magneta llaman por elpatrio nombre los griegos porque fue en los fines patrios de losmagnesios surgida.Las ruinas de las civilizaciones precolombinas muestran en varioscasos una orientación de sus construcciones y monumentos, los

cuales pudieron ser orientados por métodos astronómicos omagnéticos, sin que se sepa si sólo procuraban presentar dos fasesopuestas al orto y el ocaso del Sol. La orientación de Uxmal, Copány Ozibilchatún, unos pocos grados hacia el Este, ha hecho pensaren una orientación con ayuda de piezas magnéticas. También sehan encontrado piezas pulidas de magnetita en la región maya.Según Del Río y Máximo, en las ruinas olmecas de San Lorenzo,Veracruz, encontraron R. Roster y M. D. Coe una barra magnéticade 3.5 cm, estudiada posteriormente por J. B. Carlson en la

Universidad de Michigan. Esta barra tiene una edad estimada entres mil años.


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Las primeras citas de la aguja imantada en Europa están quizá enla poesía de la "Brújula", en la Biblia satírica de Guyot de Provins(1190) y en la descripción de Palestina por el obispo de Tolemaida,Santiago de Vitry (1204-1215). Dante Alighieri, en el canto XII del"Paraíso", menciona en una comparación a la aguja (ago) que se

dirige hacia la estrella del polo. Dice Dante:... de en medio de una de aquellas nueve luces salió una voz queme atrajo hacia sí, como la estrella del polo atrae a la aguja.Otra de las primeras referencias europeas sobre piedras magnéticases la del inglés Alexander Neckam, muerto en 1217. En la EdadMedia se conocían algunas propiedades de las piedras magnéticas.En 1269, Pierre de Mericourt, el Peregrino, en su libro De magnete publica el primer trabajo científico sobre las piedras imantadas.Conocía la existencia de los dos polos magnéticos, Norte y Sur,sabía que polos diferentes se atraen y polos iguales se repelen.Descubrió que si se parte un imán, cada pedazo adquiere dos polos,Norte y Sur, por lo cual no le era posible aislar a uno de ellos.Describió la inducción magnética en otros cuerpos metálicos.Diseñó y presentó en ese libro una máquina de movimientocontinuo que aprovechaba la atracción entre los imanes paramoverse, la cual por supuesto nunca fue construida. Construyó unaesfera de piedra imantada y observó y dibujó las líneas del campo

con el auxilio de una aguja metálica imantada.La brújula se usó frecuentemente para la orientación de los barcosen el mar desde el siglo XIII. Raimundo Lulio en sus dos obras:Libre de contemplación en Déu, de 1272, y Félix o libre demeravelles, escrito en 1286, relata que los navegantes de sutiempo se servían de instrumentos de medición, de cartas marinasy de la aguja imantada.En el Panthsaoyan chino, compuesto bajo la dinastía Song(1111-1117), encontramos los primeros rastros del conocimiento

de la declinación magnética occidental.


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Figura 2. Brújula de declinación.

Se llama ángulo de declinación al que existe entre el meridianogeográfico y el meridiano magnético de un lugar. La declinación esoriental u occidental; oriental, si el polo austral de la aguja sedesvía hacia el Este, y occidental si se desvía al Oeste. Ladeclinación es oriental en Asia y en las dos Américas, y occidentalen Europa y en África. La declinación se observa ya en el mapa deAndrés Bianco en 1432.Cristóbal Colón descubre el 13 de septiembre de 1492 la línea sindeclinación a dos grados y medio al Este de la isla Corvo. Ahí ladeclinación magnética cambia del Nordeste al Noroeste. SebastiánCabot redescubre la línea sin declinación cinco años después.En la Geografía de Tolomeo, publicada en Roma en 1508, se

encuentra un mapa de América donde el polo magnético estásituado en una isla volcánica, al norte de Groenlandia.Alonzo de Santa Cruz, maestro de Carlos V, tomó mucho interéspara determinar en sus viajes en barco la inclinación y declinaciónde la brújula. Acometió en 1550 la tarea de trazar el primer mapageneral de las variaciones magnéticas de la Tierra, que seadelantaron en 150 años al trabajo de Edmond Halley (1656-1742)en Inglaterra.El ángulo de inclinación magnética es aquel que, con la horizontal,

indica la dirección del campo magnético de la Tierra. Se observacuando se suspende la aguja magnética de un eje horizontal, de


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preferencia perpendicular al meridiano magnético. La aguja semantiene horizontal en el Ecuador y conforme se dirige uno hacia elNorte, la aguja se inclina del lado de su polo austral hasta alcanzarla inclinación vertical en el polo Norte magnético. En el hemisferioSur es el polo Norte el que se inclina.

Francisco Faleiro, un portugués al servicio de la Armada Españolapublicó en 1537 un Manual de astronomía y ciencia náutica dondeanuncia un método práctico para determinar la declinaciónmagnética, y había antes escrito en 1535 otro tratado que seconserva en la Biblioteca Nacional de Madrid, Tratado del esphera ydel arte del marear; con algunas reglas nuevamente escritas muynecesarias.

Figura 3. Brújula de inclinación.

Jõao de Castro, portugués, fue a la India con 11 barcos en 1538, ydeterminó en su viaje la declinación y las tormentas magnéticas, ladesviación de la brújula y el efecto de piedras magnéticas. Tomó 43valores de declinación, medidos con dos métodos introducidos porPedro Nunes en Évora en 1533. En 1537, el portugués Pedro Nunespublica su Tratado de la esfera y Jõao de Castro publica entre 1538y 1541 Los tres roteiros. Jõao de Castro continuó el registro dedatos magnéticos en otro viaje realizado a la India con 6 barcos, en1545. Otros datos similares se encuentran en el libro Breve

compendio de la sphera y de la arte de navegar de Martín Cortés,que publicó Antón Álvarez en Sevilla en 1551.


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el que puesta la brújula o aguja de marear, promete que por él sepodrá saber lo que nordestea o norostea dicha aguja, lo cual sabidocon la precisión que él dice, que es de 24 en 24 horas, se podránhacer las carreras de Italia e Indias y otras partes sin rodeos...","los regimientos y artes de marear que hasta ahora han tratado de

esta cuenta y materia, para saber lo que el aguja nordestea onorostea usaban de ponerla en lugar descubierto cuando la estrelladel Norte se pudiese ver, estando derechamente nordeste u dueste,y si entonces la flor de la rosa miraba derechamente a la estrella,decían que la aguja no tenía variación..."Rodrigo de Zamorano, catedrático de cosmografía de Sevilla,presentó, en 1584, el Compendio de la arte de navegarsimultáneamente con un reloj en el cual al salir y ponerse el Solpodía saberse con precisión de la aguja de marear.Juan Jaime y Francisco Gali proyectaron en México para 1585, entiempos del virrey-arzobispo Pedro Moya de Contreras, un viajedesde Manila hasta Acapulco con el único objeto de medir ladeclinación de la brújula mediante un instrumento construido porJuan Jaime.En México, el primer libro impreso que habla de la brújula y de susaplicaciones a la navegación es el libro de Diego García de PalacioInstrucción náutica para navegar, publicado en la ciudad de México

en 1587 por Pedro Ocharte, yerno de Juan Pablos. García de Palaciofue en México rector de la Real Universidad, oidor de la Audiencia einquisidor. El libro de García de Palacio se reeditó en ediciónfacsimilar en 1944 en Madrid por las Ediciones de CulturaHispánica, Colección de Incunables Americanos.José de Acosta en su Historia natural y moral de las Indias publicada el año 1588, reconoció en la Tierra cuatro líneas sindeclinación.Simon Stevinus, matemático holandés, publica en 1599 el libro

Portium investigandorum ratio, donde discute el valor de ladeclinación magnética para navegación.En 1600 publicó W. Gilbert su libro De magnete, donde describe suspropias experiencias y los conocimientos de su época sobre elmagnetismo. Realizó experimentos con pequeñas agujas imantadasen la vecindad de cuerpos magnéticos para conocer la dirección delas líneas del campo a lo largo de las cuales se orientaban estasagujas si se las sujetaba de un punto y se les permitía girarlibremente alrededor de ese punto fijo.

Desde 1635, Gellibrand demostró el movimiento muy lento de ladirección del Norte magnético. Los archivos en Londres registran un


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cambio en la declinación de 11 grados al Este, hasta 24 grados alOeste entre 1580 y 1800, posteriormente la aguja regresó endirección al Este, y en 1900 tenía una declinación de 10 grados alOeste. Por otra parte, la inclinación se redujo de 74.5 grados en1700, a 71 grados en 1800, hasta su valor actual de 66 grados. La

intensidad del cambio ha disminuido en un vigésimo de su valor enlos últimos cien años.E. Halley recorrió el Océano Atlántico durante dos años y publicósus observaciones en un mapa magnético del océano en 1701. En1702 publicó una carta magnética mundial donde recopiló lainformación de la variación de la brújula registrada por muchosnavegantes de su tiempo. Posteriormente se han podido trazarmapas magnéticos que remontan la información hasta 1550.La declinación en cualquier lugar de la Tierra no es constanteporque está sujeta a variaciones regulares e irregulares. Lasprimeras son seculares, anuales o diurnas; las segundas no tienenun periodo conocido, y se han designado como perturbaciones.En las seculares la declinación oscila con el tiempo al Este y Oestedel meridiano astronómico. Las anuales fueron observadas porCésar-François Cassini (1714-1784) en París, en 1784, quienreportó una retrogradación de la declinación magnética durante elequinoccio de primavera. Las diurnas son mucho más débiles.

Graham, un relojero inglés, observó en 1722 las variacionesregulares ocurridas cotidianamente y las perturbaciones muchomás grandes e irregulares que ocurren con menos frecuencia.Celsius (1701-1744), científico y astrónomo sueco, hizoobservaciones similares y en 1741 estableció correspondencia conGraham encontrando que las perturbaciones magnéticas ocurríansimultáneamente en Londres y en Upsala. Ahora conocemos elcarácter mundial de las perturbaciones magnéticas.Celsius encontró también en 1741 una correlación entre las

perturbaciones magnéticas y la aparición de las auroras boreales.John Michell (1724-1793) en 1750 escribe que la fuerza deatracción o repulsión entre los polos de los imanes decrece con elcuadrado de la distancia entre ellos.S. Poisson (1781-1840) y G. Green (1793-1841) poco después dela Independencia de México en 1825 introdujeron la idea de campomagnético como una flecha cuya dirección indica la línea delcampo, la dirección donde apunta la brújula y cuyo tamaño mide lamagnitud del mismo, es decir, la intensidad de la fuerza que es

capaz de producir.


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ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y LUZ

En 1785, Charles Coulomb (1736-1806), con ayuda de una balanzade torsión, establece la ley de fuerza entre cargas que lleva sunombre y encuentra también que la fuerza entre polos magnéticos

varía como el inverso del cuadrado de la distancia. Esta analogíaentre ambas leyes no permite asegurar que estén relacionadas.Hasta 1819 Hans Christian Oersted (1777-1851) descubre laconexión entre los fenómenos magnéticos y los eléctricos. Observaque una corriente eléctrica produce la desviación de una agujaimantada. Este descubrimiento, asimismo, lo dio a conocer, el 3 deagosto de 1802 en Gazetta di Trentino, el juez italiano GianDominico Romagnosci, aunque pasó desapercibido. Al poco tiempo,Biot (1774-1862) y Savart (1791-1841) cuantifican este efecto alencontrar que la fuerza entre una corriente y un imán cercano esinversamente proporcional al cuadrado de la distancia que lossepara. Ampère encuentra el mismo campo magnético producidopor una corriente o por un imán. Hoy en día este resultado explicael magnetismo como el efecto superpuesto de pequeñas corrientesen cada átomo de las sustancias magnéticas. Michael Faraday(1791-1867) descubre el fenómeno de inducción al notar quemientras se conecta o desconecta una corriente eléctrica, se

produce otra corriente eléctrica en un conductor vecino. El mismoefecto de producir una corriente en un circuito cerrado se observaal mover un imán cerca de ese circuito. Maxwell definió aún máseste panorama al expresar en forma matemática las ideas de estoscientíficos y completarlas al agregar a la corriente de Ampère lacorriente llamada de desplazamiento, formada por la rapidez decambio del campo eléctrico. Era indispensable incluir esta corrientede desplazamiento para entender el comportamiento de uncondensador cuando se carga y descarga por una corriente alterna.

Hay dos ideas simples que nos ayudan a entender muchosfenómenos electromagnéticos. Cuando una corriente camina por unalambre conductor se crea un campo magnético en su vecindad,que es tangente a un círculo perpendicular al alambre que pasa porsu centro. El tamaño del campo magnético es inversamenteproporcional a la distancia del campo al alambre. La otra idea es lasiguiente. Una corriente en un circuito, o un conjunto de cargasdando vueltas en un círculo son equivalentes en sus propiedadesmagnéticas a un imán cuyo momento dipolar, o sea la línea que une

sus polos Norte y Sur, es perpendicular al plano donde circulan lascargas.


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Una de las conclusiones asombrosas de los estudios de Maxwell fuela interpretación de la luz como un fenómeno ondulatorio del campoelectromagnético. Lo que vibra y se ondula en la luz es tanto elcampo eléctrico como el magnético. La intensidad luminosa estáformada por la superposición del campo y es proporcional al

cuadrado del campo. Los campos eléctrico y magnético viajan conla velocidad de la luz porque son la luz.

Figura 5. El foco de Edison.

No faltó en ese momento de grandes descubrimientos de la cienciauna mente pragmática que cuestionara la utilidad de dichosestudios. Esta persona no recibió una respuesta satisfactoria enseguida. Hoy, cualquier niño nos podría mostrar muchos de losinventos asombrosos que son consecuencia de aquellos estudios.Por otra parte, mentes pragmáticas han ido encontrando tantas

aplicaciones que ya no se cuestiona la uti l idad delelectromagnetismo, ni, en los países desarrollados, la utilidad de laciencia.El gran matemático Carl Friedrich Gauss (1777-1855) dejó unaaportación importante en la historia del electromagnetismo.Principió en 1831, al llegar el físico Wilhelm Weber (1804-1891) atrabajar con él en Gotinga, Alemania. Ambos desarrollaron losaspectos teóricos y empíricos del magnetismo. Fueron inventoresde un magnetómetro para poder cuantificar el campo magnético, y

en particular se interesaron en medir el campo de la Tierra. Fueronlos primeros organizadores de una red internacional de


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observadores de las variaciones del campo magnético de la Tierra,cuyos puntos estaban distribuidos por toda Europa. En 1840publicaron ambos un Atlas del magnetismo terrestre, el cual fueuno de los varios resultados de la cooperación internacionalorganizada por ellos.

La contribución de Gauss y Weber está reconocida en la unidad decampo magnético que lleva el nombre de gauss, y la unidad deflujo magnético (promedio del campo magnético total multiplicadopor el área de la superficie que atraviesa el campo), que lleva elnombre de weber.Las primeras aplicaciones de la electricidad fueron por los mismoscientíficos. En 1837, M. H. Jacobi (1801-1874) descubre lagalvanoplastia, que le es útil para la separación de una salmetálica; al pasar una corriente eléctrica a través de una soluciónde sal metálica, se descompone la sal en iones dentro de dichasolución, y estos iones se mueven en direcciones opuestas. Estassustancias se depositan en los polos por donde se conecta lasolución con la corriente. La masa de sustancia depositada —encontró Faraday— es proporcional al tamaño de la corriente y a laduración de ésta. Otros resultados importantes en química sededujeron de esta aplicación.El telégrafo eléctrico se debe al inglés Wheastone (1802-1875), al

alemán Steinheil (1801-1870) y al norteamericano Morse(1791-1872). Este último descubre su telégrafo en la Universidadde Nueva York y lo usa para conectar Nueva York y Baltimore en1844. Estos resultados definitivos en la historia eléctrica deltelégrafo fueron precedidos por Gauss y Weber, quienes en 1827transmitieron un impulso eléctrico sobre una distancia de 300metros. Después de varios diseños, en 1832 los palacios de veranoy de invierno del zar se conectaron con un telégrafo. En 1833Gauss y Weber hicieron funcionar un telégrafo entre dos extremos

de Gotinga cubriendo una distancia de 2.3 kilómetros. Se utilizócomo alfabeto cinco deflecciones de la aguja magnética a derecha oizquierda, lo cual creó 32 posibilidades diferentes (32 es el productode elevar el número dos a la quinta potencia). La patente de Morsese inscribió siete años después.La bobina de inducción es el ancestro de los actualestransformadores; fue descubierta por los franceses Bréguet yMasson y perfeccionada por el alemán Ruhmkorff.Sus ecuaciones matemáticas condujeron a Maxwell (1831-1879) a

la incorporación de la luz y de otras radiaciones como camposeléctrico y magnético capaces de mover cargas. A partir de ese


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momento los fenómenos luminosos y otras radiaciones se pudieronproducir y alterar por aparatos electromagnéticos. Cada partículacargada del mundo real se puede contemplar desde entonces comoun aparato electromagnético productor de campos eléctricos ymagnéticos que afectan la vecindad de la carga. A su vez, esta

carga se perturba por los campos eléctrico y magnético producidosfuera de ella.Al poco tiempo descubre Marconi el radio y de ahí provienen otrosdescubrimientos útiles e interesantes. La multiplicación de lasaplicaciones nos parece hoy que no tendrá fin ni reposo.Para el propósito de este libro es fundamental resumir losconocimientos de electromagnetismo recordando que los camposeléctrico y magnético se influyen mutuamente. Los cambios en eltiempo de uno de estos campos provocan torbellinos en el otro. Loscampos, a su vez, producen fuerzas en cargas y magnetos. Lascargas sienten fuerzas proporcionales a su tamaño, una fuerzaeléctrica en la dirección del campo eléctrico y una fuerza magnéticaperpendicular al campo magnético. Los magnetos sienten fuerzascomo si fueran corrientes de carga dando vueltas en círculo; dehecho las sustancias magnéticas se explican con ayuda de muchascargas que giran de manera organizada tratando de que todas lastrayectorias circulares sean paralelas. Al mismo tiempo, las cargas

crean un campo eléctrico en la dirección de la carga y las corrientescrean campos magnéticos perpendiculares a la corriente, tangentesa círculos imaginarios con centro en la carga que se mueve. Lascargas sienten fuerzas eléctricas y magnéticas y creansimultáneamente el mismo tipo de fuerzas.Por muy interesante que sea el poder disponer de cargas que setrasladan por nuestra red eléctrica, dichas cargas están casisiempre ligadas a un metal y sólo raramente vuelan en el espaciosin estar sujetas a caminar por la banda de conducción de los

metales.La banda de conducción de los metales está formada por elconjunto de los electrones con la energía y cantidad de movimientoapropiadas para viajar fácilmente de un átomo al otro en el interiorde un metal. No todos los electrones tienen esa libertad y no todospueden participar en una corriente eléctrica.Por este motivo encontramos en la naturaleza muchas sustanciasprovistas de un número muy elevado de electrones, los cualesestán sin embargo atrapados por fuerzas de Coulomb que les

impiden moverse libremente de modo que puedan producir unacorriente eléctrica, hasta no encontrar una fuerza más grande que


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la fuerza de Coulomb o una energía capaz de vencer el trabajo demover esta carga de su lugar.Incluso en un metal que tenga muchos electrones en la banda deconducción, hay también muchos otros electrones atrapados porfuerzas de Coulomb, sin poder seguir a sus compañeros en la

corriente que les permita trasladarse a distancias de muchoskilómetros.Nuestro interés consiste aquí en la manera de atrapar las cargasplenas de energía tal y como se encuentra libremente en el Sol. Lasqueremos atrapar en la Tierra sin que destruyan el recipientecontenedor fundiéndolo por su enorme temperatura. El metal no esentonces un buen contenedor, pero podemos hacer una botellamagnética capaz de capturar a las cargas sin bajar su grantemperatura. Las líneas magnéticas del recipiente se formanhaciendo circular corrientes en enormes bobinas mantenidas a muybajas temperaturas a fin de mejorar la conducción eléctrica enellas. Dichas bobinas no se destruyen con las cargas de altatemperatura puesto que no están en contacto con ellas. Lascorrientes hacen el campo fuera de ellas, y el campo atrapa a lascargas y las conserva en su prisión hasta que se funden unas conotras y rinden entonces una enorme producción de potencia.

EL ESCRUTINIO DE LA ESTRUCTURA DEL ÁTOMODejemos en paz la idea de las cargas dentro de los metales en sumovimiento de rápidas corrientes, y volvamos de nuevo a losprotones y electrones dentro de los átomos, formando ahora unaestructura en equilibrio de fuerzas entre cargas positivas ynegativas mediante la fuerza atractiva de Coulomb entre cargas dedistinto signo y venciendo la fuerza repulsiva entre protones, conayuda de la fuerza nuclear entre protones y neutrones. Esta fuerza

nuclear triunfa sobre la fuerza de Coulomb a pequeñas distancias, ysin embargo será derrotada por la fuerza de Coulomb a distanciasmás grandes que el tamaño de los protones y neutrones queforman, en el núcleo, un cúmulo de partículas.En el año de 1854, H. Geissler (l8l5-1879) inventó el tubo de rayoscatódicos casi al vacío; este tubo, de vidrio, tiene conectados doselectrodos por medio de alambres con el exterior, los cuales seconectan a una fuente de corriente. De este modo establece unviento de electrones del cátodo al ánodo a una enorme velocidad

que se eleva hasta un décimo de la velocidad de la luz. Lasexperiencias en este tubo permitieron descubrir a J. J. Thomson


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(1856-1940) que la carga eléctrica se da en pequeñas partículas,todas parecidas. Thomson pudo así determinar la relación entre lacarga eléctrica y el peso de las partículas que forman los rayos deltubo catódico, mediante la medición de la fuerza magnéticanecesaria para desviar el chorro de partículas cargadas. Se

demostró así que la relación carga/peso de estas partículas es casi2 000 veces más alta que la relación carga/peso en el núcleo delátomo de hidrógeno. Las partículas de los rayos del tubo catódicoson los electrones, y los núcleos del átomo de hidrógeno son losprotones.El número de protones en el núcleo nos dice de qué sustanciaquímica se trata. Los átomos de un elemento químico tienen todosla propiedad de tener en su núcleo el mismo número de protones, yesto garantiza las mismas propiedades químicas. Los átomos de unelemento químico, al tener todos el mismo número de protones, separecen todos entre sí. El número de neutrones en cada átomodebe ser el suficiente para mantener al núcleo perfectamente unidopor medio de fuerza nuclear. Cuando el núcleo del átomo de unelemento químico tiene pocos protones, el número de neutrones esigual o menor al número de neutrones para mantener unido alnúcleo. Conforme el átomo posee más protones, requiere mayornúmero de neutrones para mantener unido al núcleo.

El número de neutrones contenidos en un núcleo puede variar unpoco. Para distinguir a los átomos del mismo elemento químico, conigual número de protones pero distinto número de neutrones, sehabla de isótopos del elemento químico con un número igual deprotones en el núcleo. Por ejemplo, cuando nos referimos alcarbono 14 estamos pensando en la sustancia carbono cuyosátomos tienen todos un núcleo con 6 protones —como todos losátomos de carbono— pero con 8 neutrones, para formar en total 14partículas en el núcleo de cada átomo de carbono 14. El carbono 14

es muy conocido porque se utiliza para establecer la edad de losobjetos que lo contienen. El carbono con mayor abundancia en lanaturaleza es el carbono 12 con 6 protones y 6 neutrones. Existen13 isótopos diferentes conocidos del carbono.En 1913, Frederick Soddy (1877-1956), presentó como conclusiónde numerosos estudios la existencia de la misma sustancia químicacon diferentes pesos de sus moléculas. Se llamaron isótopos porocupar el mismo sitio en la tabla periódica de los elementos. Elnúmero de protones determina las propiedades químicas, por lo

que los átomos de diferentes isótopos del mismo elemento tienen elmismo número de protones. En la misma fecha y Convención


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Química en Birmingham, presentó F. W. Aston (1877-1945) ladescripción del experimento en que determina, mediante ladeflección de átomos ionizados de neón, la existencia de dos tiposdiferentes de pesos atómicos iguales a 20 y 22, en la unidad depeso del protón. El experimento de Aston usó la técnica de

Thomson con campos magnéticos y fue otra demostración de laexistencia de los isótopos.Cuando el núcleo de un isótopo inestable se descompone en otraspartículas, la masa de las partículas resultante no es idéntica a lamasa original del núcleo descompuesto. Esta diferencia de masafue detectada también por F. W. Aston en 1927 mediante lainvención del espectrógrafo de masas. Veremos después cómo estapequeña diferencia de masas constituye el origen de la granemisión o absorción de energía en otros procesos.Veamos ahora el experimento de Faraday-Helmholtz a fin de medircon precisión el valor de la carga del electrón por medio de laelectrólisis. Se toma por ejemplo una solución en agua de sulfatode zinc y se sumergen en ella dos placas, una de cobre y otra dezinc, que se conectan con alambres a una batería eléctrica. Lacorriente eléctrica atraviesa la solución y provoca la disolución delas dos placas de metal. La proporción de peso perdido de cobre yde zinc es igual a la proporción entre sus pesos atómicos

63.546/65.38. Los pesos atómicos miden la cantidad de neutronesy protones en el átomo y se dan en gramos. El peso atómico delcobre natural es aproximadamente 63.546. Este número esconsecuencia de tener los isótopos 63 y 65, ambos estables, en unamezcla en la proporción adecuada para dar ese número. El pesoatómico del zinc es 65.38, mezcla a su vez de los cinco isótoposestables del zinc 64, 66, 67, 68 y 70. Se ha medido el número deátomos cuyo peso es el peso atómico de un material. Éste es elnúmero de Avogadro, igual a 6.022045 x 1023 esto es,

aproximadamente el enorme número formado por un 6 seguido de23 ceros. La carga eléctrica que atravesó la solución se midefácilmente, y el cociente de esta carga entre el número de átomosdisueltos es igual a la carga del electrón.Si la electrólisis fue el fundamento del desarrollo tecnológico de lagalvanoplastia, las mediciones precisas de masa, corriente y cargamencionada en el párrafo anterior permitieron penetrar al mundomicroscópico de la estructura de la materia y descubrir algunossecretos de su estructura y de sus propiedades.

Los isótopos de un elemento pueden ser estables o inestables en eltiempo. Los isótopos inestables son radiactivos. El descubrimiento


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de las sustancias radiactivas en 1896 se debe a Henri Becquerel(1852-1908), como consecuencia de sus estudios sobrefluorescencia estimulada por rayos X, durante los cuales encontró laemisión radiactiva no estimulada en el uranio. Pierre Curie(1859-1906) y Marie Sklovdovska (1867-1934 ) encontraron otros

dos elementos radiactivos, el polonio y el radio. Becquerel y losesposos Curie recibieron por esto el premio Nobel. Los núcleos delos isótopos radiactivos emiten cargas positivas en la forma denúcleos de helio, llamados también partículas alfa. Emitenelectrones formando la radiación llamada beta. Y asimismo emitenradiación electromagnética de muy alta frecuencia llamadaradiación gamma, con algunas propiedades de partículas queentonces son llamadas fotones. En algunas ocasiones pueden emitirelectrones positivos, llamados positrones. Como consecuencia de laemisión de electrones pueden emitir también neutrones.En ciertos casos se encuentran también los procesos inversos de losanteriores, como cuando un núcleo captura un electrón.Todos estos procesos ocurren con conservación de la suma total decarga, tanto positiva como negativa. También se conserva elnúmero total de nucleones, protones y neutrones. La masa puedeno conservarse porque se convierte en energía. Una pequeñacantidad de masa que desaparece se convierte en una gran

cantidad de energía de acuerdo a la fórmula de Einstein: lacantidad de energía producida es igual al producto de la masa porel cuadrado de la velocidad de la luz.El número de isótopos de un elemento puede ser variable y variosde éstos pueden ser estables o radiactivos. El estaño se distinguepor ser el elemento con más isótopos, 34 radiactivos y 10 estables,44 isótopos en total. El xenón, el antimonio y el mercurio tienencerca de 40 isótopos cada uno de ellos, pero mientras que el xenóntiene 9 isótopos estables, el mercurio tiene 7 y el antimonio sólo 2.

Los isótopos del hidrógeno son 3, llamándose hidrógeno al quetiene como núcleo un protón, y deuterio al que tiene un protón y unneutrón en el núcleo; por último, se le llama tritio al isótopo delhidrógeno con un protón y dos neutrones; el tritio es radiactivo. Elhelio tiene 7 isótopos —de los cuales los más conocidos son el helio3, con dos protones y un neutrón y el helio 4, con dos protones ydos neutrones— que cuando carecen de los dos electrones que ledan neutralidad se llaman partículas alfa, como vimos arriba. Estosdos isótopos del helio son estables. Pero hay que advertir que estos

números son relativos. Conforme pasa el tiempo se obtienen


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nuevos isótopos radiactivos en forma artificial, por lo cual estosvalores crecerán en el futuro.Al aumentar el número de neutrones para formar nuevos isótoposéstos se vuelven más inestables, duran tiempos pequeñísimos yresulta una proeza por parte de la ciencia y de la técnica el

poderlos observar.Los núcleos de los isótopos radiactivos tienen la propiedad depoderse modificar mediante diversos procesos, algunos de ellosespontáneos. La historia de los procesos radiactivos en un elementoquímico se puede estudiar en un mineral donde se encuentre dichoelemento. En dicho mineral pueden concentrarse todos losproductos en los cuales es posible transformar radiactivamentedicho elemento, formando la familia de aquellos en que puedeconvertirse espontáneamente.Como fenómeno radiactivo importante se encuentra primero laemisión de partículas alfa, formadas por núcleos de helio. Unnúcleo, al emitir una partícula alfa, pierde con ella dos protones decarga positiva y dos neutrones. La pérdida de dos protones cambialas propiedades químicas del núcleo; con ello se tiene latransmutación de los elementos, el sueño anhelado de losalquimistas. La masa de los productos del núcleo no es igual a laque tenía antes de escindirse, y esta diferencia de masa se

transforma en energía en relaciones asombrosas pues, por ungramo de masa desaparecida, se obtiene un equivalente en energíaque disfruta de la generosa fórmula de Einstein (1879-1955),E=mc2, suficiente para subir por una escalera diez mil toneladasuna distancia cercana a un metro.Otro tipo de proceso radiactivo es la emisión de electrones positivoso negativos. Como estas partículas no existen en el núcleo, debenfabricarse a partir de la energía o masa del núcleo.Afortunadamente un electrón tiene una masa varios miles de veces

menor que la masa del núcleo donde se forma. Al lanzar al exteriorun electrón positivo, el núcleo pierde una carga positiva y suspropiedades químicas cambian debido a que el núcleo tieneentonces un protón menos y un neutrón más. Al lanzar un electrónnegativo sucede lo contrario, el núcleo gana ahora un protón ypierde un neutrón. Ambas emisiones se denominan radiacionesbeta, las cuales pueden ser positivas o negativas según la carga delos electrones.Acompañando al proceso de emisión de electrones, un núcleo

puede perder también un neutrón. En este caso no se modifican laspropiedades químicas del núcleo por no alterarse el número de


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protones al expulsar un neutrón. Éste es un proceso secundariopero con todas las características de otras radiaciones.De cierta importancia es el proceso de captura de electrones en elnúcleo. Este proceso ocurre en sentido inverso al de emisión deelectrones, y se produce con todos los efectos en sentido contrario.

Estos procesos vienen acompañados por radiacioneselectromagnéticas de alta frecuencia conocidas como radiacióngamma. Esta radiación encuentra siempre su explicación en elbalance de masa y energía, y es la fuente de la aplicación de laciencia nuclear a la industria energética.De manera artificial puede provocarse también que el núcleo serompa o se fisione como consecuencia de una colisión. En estaruptura dos cúmulos de carga positiva se separan lo suficiente paraque domine la fuerza de Coulomb sobre la fuerza nuclear y ambospedazos se repelen violentamente. En esta fisión pueden originarselas radiaciones alfa, beta y gamma, y pueden producirse muchosotros tipos que incluyen, como caso particular importante, laposible emisión de neutrones.Cuando el número de protones y neutrones de un núcleo eselevado, la ruptura del núcleo produce energía electromagnética enla forma de rayos gamma. Pero, cuando el número de nucleones esreducido, sucede lo contrario: al unirse los núcleos se obtiene

energía. Esto hace la diferencia entre los procesos de fusión y fisiónpara utilizar la energía sobrante de las reacciones nucleares.Se dice entonces que ha ocurrido una reacción nuclear. Lasreacciones nucleares pueden ser procesos violentísimos que alocurrir hacen desaparecer una cierta cantidad de masa que seconvierte en la energía responsable del nacimiento de los fotonesde la radiación gamma, de la energía necesaria para crear loselectrones y de la energía en movimiento con la cual salen volandotodos los productos de la reacción.

Los cuerpos radiactivos emiten cargas positivas y negativas capacesde identificarse mediante varios experimentos. Se distinguen de lascorrientes en conductores porque vuelan libremente en el espacio.Aun así, se comportan de manera análoga a las cargas de losmetales porque responden con las mismas aceleraciones a lasfuerzas electromagnéticas.Las cargas emitidas por los cuerpos radiactivos pueden usarsecomo fuentes de carga para bombardear blancos y descubrir lo quesucede ante un haz de carga. E. Rutherford, en 1910, envió un haz

de partículas alfa sobre hojas delgadas de metal. Las partículas quese desvían de su dirección original se dice que son dispersadas por


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las hojas de metal, desviación medida a través del conteo de losdestellos producidos en una pantalla de sulfuro de zinc. Paraexplicar los resultados experimentales se concluyó la existencia deun pequeño núcleo de carga positiva en el centro del átomo. Laspredicciones teóricas y experimentales fueron acordes después de

una amplia discusión. Se pudo predecir la densidad de cargasdispersadas para cada ángulo, y se comparó esta predicción con lasmediciones precisas de Geiger y Marsden en 1913; amboscambiaron la energía de los proyectiles alfa, el grosor de las hojasde metal, el tipo de metal, el ángulo entre el haz incidente y lapantalla de sulfuro de zinc, etc. El acuerdo fue excelente y elprogreso de la ciencia no ha perturbado dicho desenlace.

II. LAS COSTUMBRES DE LAS CARGAS

EN ESTE capítulo examinaremos los movimientos que siguen lascargas en presencia de campos magnéticos.Las cargas eléctricas se mueven en un campo magnético girandoalrededor de líneas imaginarias, llamadas líneas del campomagnético. Una carga conserva su velocidad en la dirección deestas líneas del campo. Al mismo tiempo, es obligada a giraralrededor de las líneas en forma de un movimiento de tirabuzón. La

fuerza magnética obliga a las cargas a girar en direcciónperpendicular a las líneas del campo, lo cual provoca esemovimiento curvilíneo.Una fuerza perpendicular a la dirección de movimiento produce unmovimiento curvilíneo. Pensemos en una piedra que se ata delextremo de una cuerda y se hace girar jalando la cuerda del otroextremo. En este ejemplo se verifica que, para mantener elmovimiento circular, es necesario que la fuerza de tensión de lacuerda vaya dirigida en una línea perpendicular a la circunferencia

que recorre la piedra.Por ser perpendicular a la dirección de movimiento, la fuerzamagnética no cambia el tamaño de la velocidad, únicamentemodifica la dirección del movimiento. La fuerza magnética esasimismo perpendicular a la dirección de las líneas del campomagnético. La fuerza magnética sobre una carga formaría unángulo recto con la dirección de la brújula en el mismo sitio.Las cargas de distinto signo giran en direcciones opuestas enpresencia de un campo magnético, y las partículas neutras no se

ven afectadas por el campo magnético. Una forma frecuente dedistinguir a las partículas es seguir sus huellas en presencia de un


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campo magnético: las partículas neutras siguen una línea recta ylas partículas cargadas se mueven en círculos con ejesperpendiculares al campo y con curvaturas diferentes, según elsigno de la carga. En el capítulo precedente se vio cómo Thomsonusa esta idea para descubrir la relación entre las masas del protón

y del electrón y cómo Aston encuentra dos tipos diferentes deisótopos del gas neón.Para poder ver la trayectoria que sigue la carga, se hace pasar éstapor una cámara de burbujas, una emulsión fotográfica, una cámarade niebla, etc. La partícula deja una huella al provocar cambiosquímicos o físicos a lo largo de su camino, como la condensación depequeñas gotas en la cámara de niebla.Cuando se tiene una carga en movimiento en un campo magnéticoconstante de tamaño B, este campo llena su espacio con líneasparalelas. La carga se mueve en la dirección del campo con unavelocidad constante —que incluso puede ser cero—, la mismamientras siga en ese campo constante. Pero sólo en la dirección dela brújula la velocidad es constante, otra cosa sucede en ladirección perpendicular. Al mismo tiempo que avanza con velocidadconstante en la dirección del campo, la carga gira en un círculo conuna velocidad perpendicular de magnitud fija pero de direcciónrotante.

Figura 6. Cámara de niebla para observar la trayectoria deuna carga.


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Dicho círculo tiene un radio igual al producto de la masa por suvelocidad perpendicular, divididos ambos por el producto deltamaño de la carga y el tamaño del campo. Esta propiedad puedeverificarse por experimento y se escribe en forma simbólica como

donde R, m, w, q, B, representan respectivamente los tamaños deradio, masa, velocidad perpendicular, carga y campo. El perímetrodel círculo es igual a 2 por pi por el radio R, con pi igualaproximadamente a 3.1416. Este perímetro es recorrido con lavelocidad w . Podemos entonces calcular el tiempo T que tarda endar una vuelta debido a que el cociente del perímetro entre eltiempo T es la velocidad w . Se encuentra así

fórmula que nos dice simbólicamente la forma que se ha de calcularel tiempo que tardará en dar cada vuelta: tomar el producto de 2por 3.1416 por la masa dividido por el producto de la carga y elcampo. Aquí no pretendo recomendar al lector la práctica de lastablas pitagóricas de multiplicar. Quiero tan sólo hacerle notar lare lac ión entre cant idades que se miden o conocen

independientemente (pi). Estas relaciones u otras similarespermiten predecir y al mismo tiempo controlar el movimiento, unavez que dichas relaciones se conocen y se han medido o deducidola mayor parte de las cantidades.En este libro recordaremos frecuentemente que una carga semueve sin fuerza magnética en la dirección del campo magnético ydescribiendo vueltas alrededor de las líneas del campo.Cuando el campo magnético no es constante, la carga sigue dandovueltas alrededor de las líneas del campo con un radio variable, y

en un tiempo también variable, debido a que ahora dejaron de serconstantes el campo B y la velocidad w. Las relaciones entre lascantidades R, m, w, q, B, T, etc., se siguen cumpliendo en formaaproximada.Esta predilección de las cargas por revolotear en tirabuzón en tornode las líneas del campo hace que en muchas ocasionesencontremos reunidas a cargas y líneas del campo. A fin deestudiar en detalle el movimiento de cargas en campos magnéticosse descompone el movimiento en un movimiento de rotación

alrededor de la línea del campo, en un movimiento de traslación alo largo de la línea del campo, y un movimiento de deriva que


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mueve la carga de una línea a otra. Como el movimiento derotación es generalmente mucho más rápido que los otrosmovimientos, se acostumbra promediar el movimiento de giro comosi la carga, en lugar de girar alrededor de la línea del campo,estuviera en su centro, moviéndose solamente a lo largo de dicha

línea o en un movimiento de deriva.Esta idea viene a representar una simplificación muy grande en elmodelo descriptivo de dicho movimiento, ahorrándose el revoloteo,que complica bastante el control y la comprensión del caminoseguido por el movimiento en sí. Se determina primero cuál es elmovimiento del centro de giro, y a este movimiento se le llama delcentro guía. Su estudio se conoce como teoría de la deriva.Cuando las líneas del campo magnético concurren en un punto o seaprietan como si fueran a concentrarse acontece un fenómenoespecial. Las cargas que dan vueltas alrededor de las líneas delcampo, al irse acercando a la región de convergencia, su radio degiro disminuye de tamaño y en un momento dado se ven obligadaspor la fuerza magnética a alejarse de la concentración de líneas,aumentando ahora el radio de giro, conforme se alejan de laconcentración de líneas. El centro guía rebota en la concentraciónde las líneas magnéticas.Este fenómeno se conoce como espejo magnético porque las cargas

se reflejan al encontrarse con una concentración de campo. Se hasugerido construir botellas magnéticas capaces de retener a lascargas por medio de reflexiones. Se construye un campo en formade un huso y las cargas van y vienen reflejándose en los extremosdel huso, donde se concentran las líneas del campo. En el capítulosiguiente veremos cómo el campo dipolar de la Tierra sirve comobotella magnética que atrapa electrones y protones y forma conellos dos cinturones de carga de signo diferente a su alrededor.El ejemplo más sencillo de un espejo magnético es el campo

llamado de monopolo. El campo magnético de monopolo es muyparecido en forma a la fuerza eléctrica de Coulomb, pero mientrasque la fuerza de Coulomb tiene la dirección del campo eléctrico, lafuerza producida por un monopolo es perpendicular al campomagnético y a la velocidad, según vimos previamente.El movimiento de una carga en presencia de un monopolo se lleva acabo como si la carga tuviera que moverse sobre un cono circularcuyo vértice coincide con la posición del monopolo. Las líneas delcampo magnético son rectas que concurren en el vértice del cono.


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Figura 7. Vista de la carga desde el eje de simetría del cono

(a) arribo (b) salida (c) superposición.

Figura 8. Vista lateral de la trayectoria sobre el cono (a)arribo (b) salida (c) superposición.

Figura 9. Vista de perspectiva de las figuras 7 y 8.


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La fuerza magnética del monopolo obliga a la carga a seguir elcamino más corto posible sobre la superficie del cono. Pero el conoes una superficie desarrollable —o desenrrollable—que se puedeaplanar sin necesidad de estirar. Los caminos de las cargas, cuandose desenvuelve y aplana el cono, se ven como líneas rectas sobre el

plano. Vistas en el cono, esas líneas de longitud mínima se llamangeodésicas. En las figuras 7, 8, 9 se observan diversas vistas delmovimiento de una carga en un cono, la figura 7 es una vista desdeel eje de simetría del cono.La figura 10 muestra a la geodésica del cono cuando éste se haaplanado. El lector puede usar esta figura como patrón paraconstruir un cono y visualizar las geodésicas sobre él.El patrón del cono es un ángulo cuyas dos rectas van a hacersecoincidir en una generatriz del cono. Conviene dejar una ceja (sindoblar) en una de estas dos rectas para superponer sobre el otrolado del ángulo y pegarla para formar el cono.La geodésica sobre el cono se dibuja en el plano como un segmentode línea recta que forma un triángulo isósceles con los dos lados delángulo. En la figura, es el segmento más cercano al vértice. Lasrestantes líneas de la geodésica se obtienen reflejando la líneaanterior en los dos lados del ángulo, de modo que las líneasreflejadas formen el mismo ángulo con la generatriz del cono que

hace el lado del ángulo.

Figura 10. Geodésica del cono cuando éste se ha aplastado.

Se observa en la figura 9 la visión en perspectiva de la geodésica

sobre el cono. Allí se ve claramente cómo la línea se acerca alvértice hasta una distancia mínima y posteriormente se aleja de él.La carga da vueltas en torno al eje de simetría del cono con un


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radio de giro que disminuye al acercarse al vértice y aumentacuando se aleja. El cono actúa como un espejo magnético e ilustraeste fenómeno.H. Poincaré (1854-1912) encontró por primera vez en 1896 ladescripción matemática del movimiento de una carga en el campo

del monopolo. La solución matemática de saber cómo se mueveuna carga en un campo de monopolo la usó Poincaré para explicarel comportamiento de un chorro de electrones, reflejándoseviolentamente, sobre la punta de un imán.Por otra parte, esta imagen tan simple de los espejos magnéticosno se encuentra en la realidad porque no abundan en la naturalezalos monopolos magnéticos o no los hemos sabido contemplar.Algunos físicos experimentales como B. Cabrera creen haberobservado a uno de estos monopolos, pero uno no es suficientepara convencer a los científicos escépticos (Véase en esta serie ellibro La gran ilusión, 1, El monopolo magnético, donde Jorge Floresescribe sobre este descubrimiento).Con esta descripción del movimiento de las cargas ante el influjodel monopolo no quiero defender su existencia sino explicar losespejos magnéticos con el ejemplo más simple que se conoce.Los espejos magnéticos reales tienen sus líneas del campo curvas,no rectas como las del monopolo. Sin embargo, la imagen de una

carga reflejándose en un espejo magnético puede muy bienilustrarse con la descripción que se ha hecho de la carga que semueve en un campo de monopolo sobre un cono circular.El movimiento de las cargas en un campo electromagnético dadoobedece a una ecuación de movimiento conocida. Conocer laecuación de movimiento no significa conocer el movimientoautomáticamente, es preciso realizar un proceso llamadointegración de las ecuaciones de movimiento, mediante el cual sedescubre el movimiento a partir de las ecuaciones, por un proceso

que puede ser sumamente difícil y complejo y llevar años debúsqueda y trabajo.En unos pocos casos excepcionales este proceso se ha llevado acabo para ciertos campos electromagnéticos bastante simples,como en el caso del movimiento de una carga en el campo deCoulomb de otra carga, el movimiento en el interior de un campoconstante, o el movimiento en el campo de monopolo. En general,sin embargo, no se ha sabido integrar las ecuaciones demovimiento, lo que en pocas palabras significa que no se sabe aún

cómo se mueven las cargas. Se conocen algunas propiedades


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generales del movimiento, pero se desconoce en general sucomportamiento.

AURORAS POLARES

Un ejemplo de movimiento en un campo, cuyo estudio lleva muchosaños, es el movimiento de una carga en el campo de un dipolomagnético. Este estudio es importante debido a que la Tierra tieneun campo magnético que se parece a un dipolo. El campo de laTierra es más complicado que el campo de un dipolo, pero el campomás sencillo que tiene mayor parecido al campo de la Tierra es elcampo dipolar.El campo dipolar parece bastante sencillo y sin embargo integrarlas ecuaciones del movimiento de una carga en este campo pareceuna proeza imposible. Störmer (1874-1957) fue uno de losprimeros investigadores en enfrentar directamente el problema dela integración de las ecuaciones de movimiento, lo cual motivó quemuchas personas lo llamen "el problema de Störmer". Para él, esteproblema podía dar una explicación al fenómeno conocido comoauroras polares. Aunque Störmer haya integrado las ecuaciones demovimiento en sólo unos casos particulares, la mayoría de losinvestigadores está de acuerdo en que las auroras polares se

producen como consecuencia del movimiento de cargas en elcampo magnético de la Tierra.Algunos años después de esos estudios de Störmer, se descubrió elefecto de latitud de los rayos cósmicos. Este efecto es tambiénexplicado por el movimiento de cargas en el campo magnético de laTierra; de nuevo se volvió importante la integración de lasecuaciones de movimiento. Durante muchos años, Manuel SandovalVallarta (1899-1977) y Georges Lemaitre estudiaron este problema.Más recientemente, al descubrirse los cinturones Van Allen en

1958, se volvió a poner de moda este problema.Pasemos revista de estos fenómenos interesantes y veamostambién el origen de que se mantengan sin resolver durantemuchos decenios ciertos problemas de tipo científico.Hablemos un poco de las auroras polares, algunas veces llamadasauroras boreales por quienes las observaron en las regionesnórdicas de nuestro planeta, sin darse cuenta que son igualmentefrecuentes en las regiones australes. Como su nombre lo indica,son fenómenos luminosos que se observan con mayor frecuencia en

las regiones más alejadas del ecuador terrestre. El cielo se inundade luces extraordinarias de colorido variable que se observan


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simultáneamente en lugares distantes más de mil kilómetrosalrededor del casquete polar. El horizonte se tiñe de luces como sihubiera en la cercanía un incendio enorme. En las regionestropicales del planeta, estos fenómenos son raramente observables,y mucho menos con la intensidad y belleza con que se observan en

las partes mas frías del globo terráqueo.Estos meteoros presentan formas muy diversas, desde una débilluminosidad hasta alcanzar brillos que compiten con el resplandorde las estrellas. Se forman manchas parecidas a nubes, fajas largasen movimiento, arcos homogéneos y arcos separados por estríasoscuras. Llega a observarse rayos independientes formando unaguirnalda en la dirección del polo superior de la brújula deinclinación. Pueden ser rayos independientes formando, a base decurvas onduladas, una gran corona polar.

Figura 11. Aurora polar, tomada de El redescubrimiento de laTierra, CONACYT.

Las auroras polares se explican por la acción de cargas eléctricassobre la atmósfera. El campo magnético de la Tierra forma unacoraza que generalmente no pueden atravesar dichas cargas, lascuales quedan atrapadas en un movimiento continuo de vaivénentre las líneas del campo, rebotando en las regiones polares que

actúan como espejos magnéticos y girando alrededor de las líneasentre los rebotes de las regiones polares. Pero en algunos casos las


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cargas se acercan con mucha velocidad a los polos magnéticos yéstos no las pueden reflejar. Así penetran en la atmósfera, y alchocar contra las partículas que la forman se producen radiaciones.Éstas tienen lugar en la ionósfera cuando las cargas intrusas chocancontra iones de oxígeno y nitrógeno y se libera energía en forma

luminosa. Luces azules y violetas del nitrógeno, luces rojas,amarillas y verdosas del oxígeno, con súbitas variaciones de color eintensidad. Si el número de cargas energéticas es abundante, elfenómeno es fácilmente observable como un espectáculo luminoso.Las auroras aparecen simultáneamente en los dos hemisferios de laTierra y ocurren con mayor frecuencia e intensidad un día despuésde haberse observado perturbaciones magnéticas en forma deprotuberancias en la parte visible del disco solar. Son másfrecuentes en primavera y otoño, cuando el ecuador geomagnéticocoincide casi con el plano de la órbita de la Tierra. La ocurrencia delas auroras polares se acompaña de tormentas magnéticasobservables por la perturbación de las comunicacionesinalámbricas. Su intensidad y frecuencia están correlacionadas conel ciclo de once años, que también se observa en las manchas delSol. Este ciclo de once años no ha existido siempre en el Sol, y sedesconocen las causas tanto de su periodicidad actual como de suausencia en épocas pasadas.

La relación de tormentas y auroras fue observada por Celsius en1741. El sueco Wilcke encontró en 1770 en Estocolmo que los rayosobservados en las auroras boreales siguen la dirección de las líneasmagnéticas de la Tierra. Entre 1826 y 1856, S. H. Schwabe,boticario de Dassau, Alemania, convenció al mundo con susobservaciones sobre el ciclo de once años para la aparición demanchas en la superficie del Sol. Este ciclo solar descubierto porSchwabe fue popularizado por el libro titulado Cosmos, del barónVon Humboldt. En 1852, varios autores dieron parte de la relación

entre el periodo del ciclo solar y el de las mayores perturbacionesmagnéticas, estableciendo empíricamente su correlación.Las auroras polares, los cinturones de Van Allen —que despuésdescribiremos— y muchos otros fenómenos geofísicos de nuestroplaneta se originan en el viento solar.El viento solar se descubre en 1951 cuando el astrofísico alemánLudwig Biermann explica la posición relativa de la cola de loscometas en relación a esta hipótesis. Según la teoría de E. N.Parker de 1958, el viento solar se origina en la corona solar como

consecuencia de las muy altas temperaturas que provocanvelocidades cercanas a 150 km por segundo para los protones y 30


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veces más para los electrones. Con estas velocidades, a ciertadistancia del centro solar, deja de ser suficiente la atraccióngravitacional del Sol y los electrones escapan del Sol, y al escaparatraen consigo a los protones vecinos, se produce entonces dichoviento con velocidades mayores a los 400 km por segundo. La

densidad del viento disminuye de un millón de millones departículas por centímetro cúbico al nivel de la corona solar, aúnicamente 10 partículas por centímetro cúbico al llegar a la Tierra.La velocidad no se modifica mucho durante el trayecto, pero ladensidad se va repartiendo cada vez en una mayor área y decrececon el cuadrado de la distancia.Las nuevas teorías atribuyen el origen del viento solar a lasregiones cercanas a los polos magnéticos, su medición no se habíarealizado porque sólo a finales de 1986 se lanzó la primera sondaespacial fuera del plano de la elíptica que contiene a los planetas yal ecuador solar. La espiral de Arquímedes que se forma al seguir elviento solar al campo magnético del Sol en rotación, no es, comose creía, un fenómeno cercano al plano de la elíptica, sino unfenómeno tridimensional en forma de un listón de tela puesto enrotación por una gimnasta o una bailarina.

Figura 12. Los cuatro soles, centro del llamado CalendarioAzteca.


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Una propiedad extraordinaria del viento solar es la de ser unconductor eléctrico perfecto. El campo magnético que acompaña sucorriente viaja con él y produce un efecto colectivo en el viento,aun a bajas densidades, donde las propiedades de fluido pareceríanno existir. Mediciones indirectas hacen pensar en el plasma del

viento solar como un fluido turbulento, donde las cargasinteraccionan por medio de ondas de plasma dependientes de latemperatura.Cuando el Sol aumenta su actividad con tempestades de plasma,hay ráfagas solares y enormes explosiones que envían al sistemaplanetario olas gigantes de plasma que superan de dos a cincoveces la velocidad habitual del viento solar. Estas ondas rápidasalcanzan a las de menor velocidad e igual que en otros fenómenosondulatorios, aparecen las ondas de choque, con dos velocidadesdiferentes, como cuando un avión rompe la barrera del sonido.Existe una discontinuidad en el campo magnético de la Tierra, lacual es también una onda de choque entre el campo magnético dela Tierra y el viento solar desviado por la presencia del dipoloterrestre. El viento solar se desvía rodeando las superficies decampo constante, no pudiendo acercarse más de unos 10 a 15radios terrestres del lado del Sol. Del lado opuesto al Sol, el vientosolar forma una cauda enorme y alargada que deja en el espacio, al

alejarse de la Tierra, su huella en la forma de una gran estela. Seforma así una cápsula geomagnética en forma de cometa, dondequeda encerrado el campo magnético de tipo dipolar.El grueso de la cola magnética de la Tierra oscila entre cuarenta ysesenta radios terrestres, y su longitud se extiende a grandesdistancias, más de mil radios de la Tierra. La parte norte de la colaestá magnetizada en forma diferente que la parte sur. Mientras queen la mitad norte las líneas del campo se alejan de la Tierraapuntando hacia el Sol, en la mitad sur las líneas del campo

magnético se alejan de la Tierra apuntando en el mismo sentido enque se aleja.En presencia de tormentas magnéticas, se han observadofenómenos especiales originados dentro de la cauda de la Tierra.Cuando la cauda de la Tierra está muy grande y energética, sedesprende de la Tierra una enorme masa de plasma en dirección dela estela, con sus extremos puntiagudos hacia la Tierra y hacia elexterior, y con su panza gorda. En su centro se hace un torbellinode plasma, cuyo eje se genera a unos cincuenta radios terrestres y

se desplaza hacia el extremo de la cola con una velocidad de entre500 km y 1 000 km por segundo. Estos proyectiles de plasma son


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llamados plasmoides, y han sido medidos por satélite y producidosen los laboratorios. Los plasmoides se han producidoexperimentalmente como uno más de los esfuerzos destinados aobtener en la Tierra el control de las reacciones de fusión.Al ocurrir las tormentas magnéticas producidas por el incremento

de la actividad solar, la cápsula geomagnética se comprime, y lascomunicaciones de radio y televisión se afectan por tormentasmagnéticas. Simultáneamente, se embellece el cielo con brillantesauroras polares.En los polos, las noches sin auroras son excepcionales aunque condiferentes grados de intensidad. Conforme se aleja uno de lospolos, la frecuencia de observación disminuye.Las auroras polares, en otros planetas como Júpiter y Saturno, sehan observado con ayuda de sondas espaciales enviadas al espaciopara obtener información científica. Estas aurora

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