La teoría de la relatividad II

Aquí tenemos el artículo de Einstein de 1905:
SOBRE LA ELECTRODINÁMICA DE LOS CUERPOS EN MOVIMIENTO

En él se afirma en el primer párrafo que:

Es bien conocido que la electrodinámica de Maxwell—como se le entiende usualmente en la actualidad—aplicada a los cuerpos en movimiento, conduce a asimetrías que no parecen ser inherentes a los fenómenos. Tomemos, por ejemplo, la acción electrodinámica recíproca entre un imán y un conductor. Aquí, el fenómeno observado sólo depende del movimiento relativo entre el conductor y el imán, mientras desde el punto de vista convencional se hace una distinción muy marcada entre los dos casos en los que uno de los dos cuerpos está en movimiento. Si el imán está en movimiento y el conductor en reposo, aparece en la vecindad del imán un campo eléctrico con una cierta energía definida, produciendo una corriente en los lugares donde se sitúan partes del conductor. Pero si el imán está estacionario y el conductor en movimiento, no aparece ningún campo eléctrico en la vecindad del imán. En el conductor, sin embargo, encontramos una fuerza electromotriz, para la que no hay una energía correspondiente, pero que da origen—suponiendo la igualdad del movimiento relativo en los dos casos discutidos—a corrientes eléctricas con la misma trayectoria e intensidad que las producidas por las fuerzas eléctricas en el primer caso..

Aquí podemos jugar con imanes y bobinas para simular ese fenómeno, es decir, el experimento de Faraday:
http://phet.colorado.edu/en/simulation/faraday

Podemos decir que el imán, o mejor dicho, el campo magnético creado por el imán, o más exacto aún, la variación del campo magnético creado por el imán, tiene “un efecto”, dicho genéricamente, sobre los electrones (perpendicular, rotación etc). Lo importante es que el cambio del campo magnético tiene un efecto sobre los electrones. Ese efecto (sea el que sea) hace que un electrón se mueva de su posición en el cable. Al moverse crea un hueco, un vacío de carga, que es llenado por el electrón más próximo. Eso crea otro hueco, que llena otro electrón, y así sucesivamente. Como resultado, se han desplazado todos los electrones a lo largo del cable y ha aparecido una corriente eléctrica. Da igual si se mueve el imán o se mueve el cable: para un electrón concreto del cable, el cambio del campo magnético provoca su desplazamiento. Para el electrón, no hay diferencia entre la variación del campo magnético debida al movimiento del imán, estando él quieto, y la variación debida a su propio movimiento a través del campo.

  1. Las líneas de campo que vemos en la simulación nos indican el campo magnético del imán (Show Field). Aparecen representadas como pequeñas brújulas con el polo norte en rojo y el polo sur en blanco.
  2. Escogemos un color de fondo gris para visualizar mejor las brújulas (Options, Background Color), y ponemos el 100% de intensidad de campo (Strength), con el norte a la derecha y el sur a la izquierda (Flip Polarity).
  3. Ponemos el imán a la izquierda y la espira a la derecha.
  4. Alineamos el imán de forma que la brújula justo enfrente a la derecha del N quede horizontal (alineada con el eje del imán), y las siguientes brújulas queden igualmente alineadas, formando una línea horizontal.
  5. Ponemos sólo una espira (Loop). Escogemos tamaño medio de la espira (Loop Area 50%)
  6. Observamos los electrones en reposo de la espira (Show Electrons)
  7. Alineamos el electrón central con la línea horizontal de brújulas. Por tanto a la izquierda del electrón central hay una brújula con el N hacia la derecha y el S hacia la izquierda.
  8. Nos fijamos en los electrones que hay encima y debajo del electrón central, y observamos las brújulas que tienen a su izquierda. Vemos que están ligeramente desalineadas respecto al eje del imán.
  9. Observamos que estas 2 brújulas tienen también el polo N hacia la derecha y el S hacia la izquierda (con una ligera inclinación respecto al eje del imán, como hemos dicho)
  10. Al acercar el imán a la espira, las 2 brújulas que estamos observando empiezas a girar, (en sentido  antihorario la de arriba y en sentido horario la de abajo). Si seguimos acercando el imán, las brújulas llegan a invertir su orientación. Es decir, el campo magnético en las proximidades de los 2 electrones varía al acercar el imán.

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Tenemos entonces dos casos:

  • Si movemos el imán hacia la espira, vemos que las brújulas que se encuentran en las inmediaciones de un electrón de la espira van variando de orientación. Giran hasta invertir su orientación N-S. Es decir, para el electrón las brújulas a su alrededor cambian de orientación. Ha ocurrido una inversión del campo magnético. Eso produce un desplazamiento del electrón. Lo mismo les ocurre a otros electrones cercanos, y así se mueven todos, creándose la corriente eléctrica.
  • Si movemos la espira hacia el imán, vemos exactamente lo mismo que antes:  las brújulas que se encuentran en las inmediaciones de un electron de la espira van variando de orientación. Es decir, para el electrón las brújulas a su alrededor cambian de orientación. Ha ocurrido una inversión del campo magnético.

El electrón experimenta la misma variación del campo magnético, y el efecto sobre el electrón es el mismo en ambos casos. No necesitamos suponer que el movimiento del imán crea un campo eléctrico. Ahora bien, si podemos explicar la formación de una corriente eléctrica sin recurrir a la creación de un campo eléctrico, ¡no existe tal creación de un campo eléctrico por variación de un campo magnético!. Pero entonces ¡no se podrían formar ondas electromagnéticas!. Lo cual parece absurdo, ya que las ondas de radio son un hecho, como las bombas atómicas.

Esa invariancia de la inducción electromagnética la vio Faraday en sus experimentos:

Campos electromagnéticos. A. M. Portis:

http://books.google.es/books?id=4KAuLwluoLYC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false

12. Fuerza electromotriz debida al movimiento p.364:

“Por tanto puede esperarse, como Faraday observó, que la corriente inducida en C2 será la misma independientemente de que sea C1 o C2 el que se mueve, siempre que el movimiento relativo se mantenga igual.

Aunque el movimiento de Cproduzca el mismo efecto que el movimiento relativo equivalente de C1, las cargas no son arrastradas por un campo eléctrico en el sistema de referencia del laboratorio, sino más bien por el movimiento a través del campo magnético según se expresa en (1). El artículo que Einstein escribió en 1905 comienza por el reconocimiento de esa asimetría”

Esa asimetría parte de que según la electrodinámica de Maxwell el movimiento de C1 crea un campo eléctrico a su alrededor, mientras que al mover C2 no hay tal campo eléctrico alrededor de C1 ya que éste permanece en reposo. La solución de Einstein no fue cambiar (o desechar) la electrodinámica de Maxwell, sino hacerla aún más complicada introduciendo la teoría de la relatividad. No la desechó porque explica muy bien el fenómeno de la radiación de ondas en el espacio, ya sea la luz o las ondas de radio, y si algo funciona ¿para qué cambiarlo?.

Yo pienso que la discordancia está implícita en la interpretación del fenómeno, es decir, está implícita en la ecuaciones de Maxwell, y que por tanto la teoría de la relatividad no hace que desaparezca dicha discordancia. De hecho la teoría de la relatividad me parece otra discordancia en sí misma.

La verdadera solución a la asimetría formulacional entre el primer y el segundo experimento de Faraday sería dar una explicación diferente al fenómeno de la inducción electromagnética. El objetivo es formular la misma ecuación para los dos experimentos, y que esa ecuación siga sirviendo para explicar la formación de ondas. Mi explicación pasa por considerar las propiedades magnéticas de los electrones, lo que da lugar a lo que podríamos llamar Teoría del vacío de carga: un electrón afectado por un cambio del campo magnético que hay a su alrededor se desplaza de su posición, dejando un vacío de carga que es llenado por el electrón contiguo, que a su vez deja un hueco que llena otro electrón, y así continuamente, creándose una corriente eléctrica. Si todos los electrones de la bobina sufren el mismo cambio del campo magnético, se desplazarán al unísono, creando la corriente. Se prescinde de la formación de campo eléctrico alguno, así como de la intervención de la fuerza de Lorentz, y de esa forma no hay ninguna asimetría en la explicación de la inducción de una corriente, ya sea al mover el imán, o sea al mover la bobina.

Nuestra visión de las cosas es tan legítima como la del propio Maxwell, que también intuyó un mecanismo para la interacción entre electricidad y magnetismo. En tanto que mecanismo, se basaba en los efectos materiales microscópicos del electromagnetismo:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo/CONCEPTO2.htm

Teorías modernas del campo electromagnético

El modelo mecánico del éter

En su primer trabajo, “On Faraday’s Lines of Force” (publicado en 1855-6), Maxwell había desarrollado matemáticamente muchas de las ideas de Faraday. Creía que el campo electromagnético realmente estaba constituido por un éter subordinado a las leyes de la mecánica newtoniana.

El problema de Maxwell se centraba en dar con un modelo del éter del campo electromagnético que incorporara la masa y elasticidad necesarias para la velocidad finita de la inducción y que fuera coherente con los fenómenos eléctricos y magnéticos ya conocidos. Las ideas de Faraday jugaron un papel muy importante en la construcción de dicho modelo, así como los denominados remolinos de Thomson.

El modelo consistía en suponer que la masa de los remolinos depende de la permeabilidad magnética del medio y que la electricidad está constituida por bolitas que separan unos remolinos magnéticos de otros.

El desplazamiento de las partículas eléctricas da lugar a una corriente eléctrica. Mientras pasa corriente, las partículas se mueven de un remolino a otro. Al desplazarse pueden dar saltos y provocar una pérdida de energía que aparece en forma de calor; pero mientras están girando, no hay rozamiento entre la partícula y el remolino, y no se producen pérdidas de energía. En principio, parece posible mantener indefinidamente un campo magnético. Por último, supuso que los remolinos magnéticos están dotados de elasticidad.

El experimento de la varilla que se mueve en un campo magnético uniforme

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/faraday/varilla/varilla.xhtml

se puede explicar con nuestra teoría suponiendo que al moverse la varilla los electrones de la varilla ven variar el campo magnético,  desplazándose por ello de su posición, lo que da lugar a la corriente eléctrica.

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Un pensamiento en “La teoría de la relatividad II

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