UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA A.E.I.R.N.N.R. C.I.E.Y.T.
ELECTRÓNICA DE ALTA FRECUENCIA
HISTORIA E IMPORTANCIA DE LAS ECUACIONES DE MAXWELL FRANCISCO RICARDO NARVÁEZ ROMERO
LOJA, 23 DE ABRIL DEL 2015
INTRODUCCIÓN Al hablar de la justificación de la presente temática, podemos mencionar la importancia que tiene las conocidas ecuaciones de Maxwell en la vida cotidiana, ya que el electromagnetismo está presente en prácticamente todo, siendo la base de estudio de tecnologías actuales tanto en electrónica como en telecomunicaciones, al hablar por ejemplo de guías de onda, líneas de transmisión, etc. En este documento se relatan temáticas sencillas pero a la vez importantes sobre la teoría electromagnética que esta resumida en las ecuaciones de maxwell, comenzando con un poco de historia acerca de cómo se llegó al desarrollo de esta teoría, además de su importancia, aplicaciones, entre otras. En realidad el realizar una recopilación de información referente a este tema es muy interesante y no se pude decir que existan escases de información. Lo más complicado al hacer este tipo de trabajos consiste en la interpretación que se le dé a los contenidos, ya que por lo general al tratar con electromagnetismo resulta un poco complicado de entender para cualquier persona que no cuente con los debidos conocimientos básicos acerca de física. HISTORIA Después de la teoría revisada se lograría dar inicio a lo que representa la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell, pudiendo dar varios comienzos a esta temática. Yo en particular podría mencionar que el inicio de este gran trabajo de Maxwell comienza allá por los años de 1820 cuando Oersted demostró que una corriente eléctrica afecta la aguja de una brújula, con lo cual se sabe que una corriente eléctrica puede producir un campo magnético. Lo anterior hizo pensar a Faraday (Quién venía pisando los talones a los Franceses Coulomb y Ampere): “Si una corriente eléctrica es capaz de producir un campo magnético, entonces un campo magnético debería ser capaz de producir una corriente”. En aquel entonces aún no existía el concepto de “Campo”, por lo que la demostración de Faraday consistió en producir una corriente por magnetismo. Esto ocurrió en 1831. Por 10 años trabajó en esta demostración, para lo cual hizo un experimento muy interesante: Tomó un toroide de hierro y alrededor de este enrolló dos alambres separados. En un circuito colocó un galvanómetro y en el otro una batería. Cuando cerró el circuito de la batería observó una deflexión en el galvanómetro, y cuando se volvía a desconectar el circuito ocurría también una deflexión pero en sentido contrario. Con lo cual se logró establecer la relación entre el magnetismo y la electricidad al demostrar que un campo magnético variable podía producir electricidad y viceversa.
Esté trabajo fue la inspiración de Maxwell, quién pudo conocer a Faraday (El cual era 40 años mayor) en Londres donde trabajaba como profesor. El desarrollar esta teoría le tomó cinco años. Maxwell se puso a pensar en algunas falencias y contradicciones de las ecuaciones de ese entonces, siguió trabajando arduamente hasta que encontrar la falla que tenían las ecuaciones. Pronto se dio cuenta de que las ecuaciones fundamentales de electricidad y magnetismo de aquel entonces estaban incompletas. Una de las partes más relevantes es que se introdujo los conceptos de corriente de desplazamiento y campo. Lo que lo ayudo a realizar este trabajo y la introducción de la corriente de desplazamiento fue un capacitor, al ver que una corriente variable llega a una de las placas del capacitor y sale por la otra; pero no hay circulación de corriente por el dieléctrico. Entonces esto hizo caer en cuenta a Maxwell que la ecuación de Ampere es incompatible con la ley de conservación de la carga en situaciones variables en el tiempo, por lo que dedujo la importancia de introducir un nuevo término denominado densidad de corriente de desplazamiento. La corriente de desplazamiento surge porque Maxwell se dio cuenta que la conservación de la carga eléctrica parecía requerir un término adicional en la ley de Ampere. Cuando maxwell se graduó publicó un artículo llamado “Sobre las líneas de fuerza de Faraday”. De esta manera también Maxwell identificó la luz como una onda electromagnética, lo que se constituyó en una unificación de la óptica con el electromagnetismo. A lo anterior se lo conoce como la teoría electromagnética de la luz. Para demostrar esto tuvo que encontrar una velocidad significativa relacionada con las fuerzas de la electricidad y del magnetismo. Al dividir la constante eléctrica para la magnética encontró la velocidad de la luz. Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de cuatro ecuaciones que describen por completo todos los fenómenos electromagnéticos. Entonces fue maxwell quien predijo la existencia de las ondas electromagnéticas y quien unifico, en una espléndida teoría, todos los fenómenos de la electricidad y el magnetismo. Maxwell mostro que todos los fenómenos eléctricos y magnéticos podían describirse usando solo cuatro ecuaciones, (en un inicio fueron 20) que involucraban campos eléctricos y magnéticos. Estas ecuaciones, conocidas como las ecuaciones de Maxwell, son tan fundamentales como lo son las leyes de Newton y constituyen un resumen magnifico de los fenómenos electromagnéticos. A nivel conceptual, Maxwell unificó los conceptos de luz, campos eléctrico y magnético,
en lo que hoy conocemos como electromagnetismo, al desarrollar la idea de que la luz es una forma de radiación electromagnética. Las Ecuaciones de Maxwell 1) Ley de Gauss para la electricidad: De las cuatro ecuaciones de la teoría electromagnética descrita por Maxwell esta es considerada como la primera. Originalmente esta fue propuesta por el matemático alemán Carl Friedrich Gauss, esta se la considera como la equivalencia de la ley de Coulomb en situaciones estáticas. Esta ley relaciona los campos eléctricos y sus fuentes, las cargas eléctricas y se aplicada a campos eléctricos variables con el tiempo. 2) Ley de Gauss para el Magnetismo: Esta ley es equivalente a la primera, pero aplicable a los campos magnéticos y evidenciado aún la no existencia de mono-polos magnéticos (no existe polo sur o polo norte aislado). Según esta ley, se tiene que las líneas de campo magnético son continuas, a diferencia de las líneas de fuerza de un campo eléctrico, las cuales sabemos que se originan en cargas eléctricas positivas y terminan en cargas eléctricas de valor negativo. 3) Ley de Ampere: En esta ley se pone de manifiesto la relación tan mencionada y descubierta, hablamos de la relación entre un campo magnético y la corriente eléctrica que lo origina. El establece que un campo magnético es siempre producido por una corriente eléctrica o por un campo eléctrico variable. Esa segunda manera de obtenerse un campo magnético fue prevista por el propio Maxwell, con base en la simetría de la naturaleza: Si un campo magnético variable induce una corriente eléctrica y consecuentemente un campo eléctrico, entonces un campo eléctrico variable debe inducir un campo magnético. 4) Ley de Faraday: La cuarta de las ecuaciones de Maxwell describe las características del campo eléctrico originando un flujo magnético variable. Los campos magnéticos originados son variables en el tiempo, generando así, campos eléctricos del tipo rotacionales. Estas ecuaciones se consideran como el marco final de la llamada Mecánica clásica. Maxwell fue el primer físico a encontrar a través de cálculos matemáticos la velocidad de las ondas electromagnéticas, todo gracias a sus famosas ecuaciones.
Luego de esto a finales del siglo XIX ya se había dado por hecho que no había nada más que descubrir o acerca de la física; pero obviamente estaban equivocados.
En 1900 Max Planck dio inicio a lo que se conoce como Física Cuántica, con sus postulados sobre la radiación del cuerpo negro. En 1905, Albert Einstein revoluciona de una vez por todas los conocimientos de la ciencia, lanzando la Teoría de la Relatividad y el Efecto Fotoeléctrico, abriendo camino para el mayor desarrollo científico de la historia. IMPORTANCIA Y APLICACIÓN Si hablamos de que hoy en día las ecuaciones de maxwell dentro de lo que es el electromagnetismo están presentes en un sin número de ámbitos en la vida cotidiana, obviamente está más que clara su importancia. Si nos referimos a una persona común y corriente, podemos ver que sea de cualquier nacionalidad o tenga cualquier tipo de trabajo va a estar en constante uso de la red telefónica, la internet, entre muchas otras cosas. Tal vez esta persona no caiga en cuenta de la importancia de la teoría electromagnética para ella; sin embargo la está usando a cada instante y sin saberlo está aprovechando de los progresos tecnológicos que se han tenido gracias a teorías como esta y que se basan en esta teoría para su funcionamiento. Si hablamos de la telefonía móvil, para su propagación se necesitan antenas, las cuales radian una potencia y cuyo funcionamiento, estudio y desarrollo se o hace gracias a los sistemas radiantes que se fundamentan en la teoría electromagnética. Podemos decir entonces que si no hay teoría electromagnética, no hay antenas, y si no hay antenas, no hay teléfonos móviles, televisión, radio internet inalámbrico, etc., sería un caos. De igual manera si se trata de algún tipo de tecnología cableada, la teoría electromagnética estudia las guías de onda y las líneas de transmisión. Entonces se podría seguir argumentando un sinnúmero de razones del porqué de la importancia de tan maravillosa teoría. Por mi parte como estudiante de Electrónica y Telecomunicaciones, esta es una herramienta importantísima en el estudio de cualquier tipo de sistema de telecomunicaciones. Entonces hay muchas aplicaciones que se podrían atribuir a esta teoría, resumida en las ecuaciones de maxwell.
Líneas de Transmisión. Guías de onda. Sistemas radiantes. Sistemas de alta frecuencia. Comunicaciones inalámbricas.
En aplicaciones finales que puede obtener un usuario:
Telefonía celular.
Telefonía fija. Televisión. Radio. Wi-fi
CONCLUSIONES
La teoría electromagnética está inmersa en la vida cotidiana de cualquier persona aunque por lo general no se lo tenga en cuenta; pero vale la pena conocer acerca de tan interesante teoría.
La teoría electromagnética es tal vez tan importante para la tecnología actual como lo fue la electricidad en sus inicios, ya que sin ella todo tipo de tecnología no se habría dado de la mejor manera.
Al desarrollar una teoría se necesita apoyo sobre todo de teorías ya existentes, que fundamenten o que sean la base para proponer nuevas teorías.
BIBLIOGRAFÍA. [1] SADIKU Matthew. Elementos de Electromagnetismo. Tercera edición.
[2] HAYT William, BUCK John. Teoría Electromagnética. Séptima edición.
[3] CONZALEZ Mónica. Magnetismo – Las Ecuaciones de Maxwell. 2010. Disponible en: http://fisica.laguia2000.com/fisica-cuantica/magnetismo-las-ecuaciones-de-maxwell
[4] Importancia De Las Ecuaciones De Maxwell Ensayos y Documentos. Disponible en: http://www.buenastareas.com/materias/importancia-de-las-ecuaciones-de-maxwell/0
[5] El Universo mecánico Las ecuaciones de Maxwell. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=xFyZrq8XIhA
