Michael Faraday

.                  

Michael Faraday, FRS, (Newington, 22 de septiembre de 1791 - Londres, 25 de agosto de 1867) fue un físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica.

Fue discípulo del químico Humphry Davy, y ha sido conocido principalmente por su descubrimiento de la inducción electromagnética, que ha permitido la construcción de generadores y motores eléctricos, y de las leyes de la electrólisis, por lo que es considerado como el verdadero fundador del electromagnetismo y de la electroquímica.

En 1831 trazó el campo magnético alrededor de un conductor por el que circula una corriente eléctrica (ya descubierta por Oersted), y ese mismo año descubrió la inducción electromagnética, demostró la inducción de una corriente eléctrica por otra, e introdujo el concepto de líneas de fuerza, para representar los campos magnéticos. Durante este mismo periodo, investigó sobre la electrólisis y descubrió las dos leyes fundamentales que llevan su nombre:

• La masa de la sustancia liberada en una electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado a través del electrolito masa = equivalente electroquímico, por la intensidad y por el tiempo (m = c I t).

• Las masas de distintas sustancias liberadas por la misma cantidad de electricidad son directamente proporcionales a sus pesos equivalentes.

Con sus investigaciones se dio un paso fundamental en el desarrollo de la electricidad al establecer que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento.

Se denomina faradio (F), en honor a Michael Faraday, a la unidad de capacidad eléctrica del SI de unidades. Se define como la capacidad de un conductor tal que cargado con una carga de un culombio, adquiere un potencial electrostático de un voltio. Su símbolo es F.

Primeros años

 

Recibió escasa formación académica, entrando a los 13 años a trabajar de aprendiz con un encuadernador de Londres. Durante los 15 años que pasó allí leyó libros de temas científicos y realizó experimentos en el campo de la electricidad, desarrollando un agudo interés por la ciencia que ya no le abandonó. A pesar de ello prácticamente no sabía matemáticas, desconocía el cálculo diferencial pero en contrapartida tenía una habilidad sorprendente para trazar gráficos y diseñar experimentos.

Carrera científica

Realizó contribuciones en el campo de la electricidad. En 1821, después de que el químico danés Oersted, descubriera el electromagnetismo, Faraday construyó dos aparatos para producir lo que el llamó rotación electromagnética, en realidad, un motor eléctrico. Diez años más tarde, en 1831, comenzó sus más famosos experimentos con los que descubrió la inducción electromagnética, experimentos que aún hoy día son la base de la moderna tecnología electromagnética.

Trabajando con la electricidad estática, demostró que la carga eléctrica se acumula en la superficie exterior del conductor eléctrico cargado, con independencia de lo que pudiera haber en su interior. Este efecto se emplea en el dispositivo denominado jaula de Faraday.

En reconocimiento a sus importantes contribuciones, la unidad de capacidad eléctrica se denomina faradio.

Bajo la dirección de Davy realizó sus primeras Investigaciones en el campo de la química. Un estudio sobre el cloro le llevó al descubrimiento de dos nuevos cloruros de carbono. También descubrió el benceno; investigó nuevas variedades de vidrio óptico y llevó a cabo con éxito una serie de experimentos de licuefacción de gases comunes.

Faraday entró en la Real Sociedad de Londres en 1824 y al año siguiente fue nombrado director del laboratorio de la Institución Real. En 1833 sucedió a Davy como profesor de química en esta Institución. Dos años más tarde le fue concedida una pensión vitalicia de 300 libras anuales.

En 1858 se le proporcionó una de las Casas de Gracia y Favor, de la reina Victoria, dónde murió nueve años más tarde, el 25 de agosto de 1867. Tiene una placa de homenaje en la Abadía de Westminster, cerca de la tumba de Isaac Newton, ya que rechazó ser enterrado allí, y está enterrado en la zona sandemania del Cementerio de Highgate, Londres, Inglaterra; ya que era ferviente miembro de la comunidad sandemania.

El descubrimiento de la corriente electromagnética

"Corriente inducida"

Gracias a los trabajos de Ampére y Oersted, Faraday conocía que una corriente eléctrica generaba campos magnéticos. En 1831 intentó reproducir este proceso, pero en sentido inverso, es decir, produciendo una corriente eléctrica a de efectos electromagnéticos.

La existencia de las corrientes inducidas fue descubierta por Faraday a partir de la realización de distintos experimentos. En primer lugar, consiguió hacer una corriente eléctrica por un alambre unido a un galvanómetro, al producir un movimiento, relativo entre el alambre y un imán. Observó que, al interrumpir el movimiento, el paso de la corriente también cesaba, y en el galvanómetro rió registraba corriente alguna. La corriente es generada por una fuerza electromotriz inducida, es decir por el imán.

Posteriormente, utilizando los resultados de sus anteriores estudios, Faraday descubrió el principio del motor eléctrico, al hacer girar un imán situado sobre pivote alrededor de una bobina de alambre de cobre; como en el caso anterior a través de este procedimiento se generaba una corriente eléctrica.

La inducción electromagnética se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

 

El descubrimiento de la primera dinamo

Fue llevado a cabo a partir de dos imanes de barra que generaban un campo magnético, y entre los cuales hizo girar un disco de cobre colocado sobre un eje. De esta manera obtuvo un flujo continuo de corriente eléctrica inducida. Este experimento le condujo a introducir el concepto de líneas de fuerza eléctricas y magnéticas, y un concepto nuevo del espacio como medio capaz de mantener dichas fuerzas. Ideó la denominada jaula de Faraday, recinto de paredes conductoras continuas o en malla, conectadas a tierra, que aíslan el interior de los efectos de los campos eléctricos exteriores, y viceversa. Este dispositivo se utiliza para proteger espacios que contienen materias inflamables, conducciones de alta tensión y circuitos electrónicos entre los que puedan producirse acoplamientos indebidos.

 "Dinamo"

 

Corriente alterna

Faraday logró crear una corriente eléctrica inducida mediante la fabricación de un transformador compuesto por un núcleo de hierro con forma de anillo, en el cual estaban enrolladas dos bobinas de alambre separadas entre sí. La corriente alterna que circula por una bobina produce en el anillo de hierro un flujo alterno que genera en la otra bobina una corriente eléctrica inducida.

Ley de Faraday

La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:¹

En resumen: "La cantidad de sustancia que se oxida o se reduce en los electrodos de una cuba electrolítica es proporcional a la cantidad de electricidad depositada"

 Donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de están dadas por la regla de la mano derecha.

La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.

Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:

Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:

Donde V_ε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección voltaje inducido(el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lenz.

 

Leyes de Faraday sobre la electrólisis

 
Fueron enunciadas por él en 1834, a partir de una serie de estudios experimentales sobre el fenómeno de la descomposición de sustancias químicas por la acción de una corriente eléctrica, fenómeno al cual denominó electrólisis. Las dos leyes fundamentales de la electroquímica formuladas por Faraday fueron las siguientes:
 

•  La cantidad de sustancia depositada al paso de una corriente eléctrica es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la disolución.
•  
• Para una cantidad de electricidad determinada, la cantidad de sustancia depositada es proporcional a su equivalente-gramo.

 
Las leyes de Faraday han permitido calcular la carga elemental de electricidad, es decir la carga del electrón, mediante la utilización del número de Ayogadro (N = 6,06 x 10). Este número representa los iones positivos o negativos que se han formado en cada átomo-gramo de una sustancia ionizada. Faraday introdujo también los términos de ánodo y cátodo, para designar respectivamente los electrodos positivo y negativo.

Los seis Principios de Faraday

De una obra de Isaac Watts titulada The Improvement of the Mind -La mejora de la mente-, leída a sus catorce años, Michael Faraday adquirió estos seis constantes principios de su disciplina científica:

• Llevar siempre consigo un pequeño bloc con el fin de tomar notas en cualquier momento.
• Mantener abundante correspondencia.
• Tener colaboradores con el fin de intercambiar ideas.
• Evitar las controversias.
• Verificar todo lo que se dice.
• No generalizar precipitadamente, hablar y escribir de la forma más precisa posible.

El efecto Faraday

Faraday llevó a cabo este descubrimiento en 1845. Consiste en la desviación del plano de polarización de la luz como resultado de un campo magnético, al atravesar un material transparente como el vidrio. Se trataba del primer caso conocido de interacción entre el magnetismo y la luz.

 

Cálculo del efecto

Para poder determinar el grado de giro del plano de polarización en los diferentes materiales, se emplea la siguiente fórmula:

Donde:

β es el ángulo de rotación (en radianes)

B es flujo de densidad magnética en la dirección de propagación (en teslas)

d es la longitud del camino óptico (en metros)

es la constante de Verdet del material. Este valor es una constante empírica que muestra la proporcionalidad (en unidades de radianes por tesla y por metro) entre el campo y la rotación del plano de polarización para varios materiales. Un valor positivo de esta constante indica que el giro del plano será levógiro (contrario a las agujas del reloj), y por el contrario un valor negativo indica un giro dextrógiro (sentido de las agujas del reloj).

Algunos materiales, tales como las aleaciones transparentes de terbio y galio (denominadas abreviadamente como TGG), tienen un valor de la constante de Verdet extremadamente elevado (≈ −40 rad T^-1 m^-1). De esta forma, si se coloca una barra de este material en un intenso campo magnético, el ángulo de la rotación Faraday puede llegar a ser de 0.78 rad (45°). Este efecto permite la construcción del Rotator de Faraday, que tiene como propiedad aislar algunos componentes de la luz transmitida en una dirección. Aislantes similares se construyen en los sistemas de microondas empleando barras de ferrita en una guía de onda envuelta en un campo magnético.

 

Usos

El efecto Faraday se considera de mucha importancia en campos tales como la astronomía, que lo emplea en la medición de la fuerza de campos magnéticos de púlsares de radio, que puede ser estimada mediante las medidas combinadas de la rotación del plano de polarización y los retrasos existentes entre los pulsos de radio en diferentes longitudes de onda. La misma información puede obtenerse en otros objetos estelares que no sean púlsares.

Si se considera que un rayo de luz pasa a través de un medio interestelar en el que existe una cierta cantidad de electrones libres, se puede observar cómo existe un índice de refracción que consiste en hacer que la luz se propague en dos modos polarizados circularmente. El efecto Faraday en las nubes interestelares, al contrario de lo que pasa en los líquidos y sólidos, tiene una simple dependencia con la longitud de onda de la luz (λ), de esta forma:

Donde el efecto global de esta perturbación, caracterizado por MR, Medida de la Rotación, indica el giro del plano de polarización en función de B y de la densidad de electrones, n_e; ambos pueden variar a lo largo de la trayectoria lumínica, de esta forma se tiene que:

Donde:

e es el carga de un electrón

m es la masa de un electrón

c es la velocidad de la luz en el vacío

Las ondas de radio que pasan a través de la ionosfera están sujetas igualmente a rotación del plano de polarización según el efecto Faraday, y el efecto es proporcional al cuadrado de la longitud de onda. A 435 MHz (UHF), se puede esperar que las ondas hayan cambiado su plano de polarización en 1.5 rotaciones completas a causa del tránsito por la ionosfera, mientras que las ondas de 1.2 GHz lo hacen en cerca de un cuarto de una rotación completa.

(Michael Faraday)