Historia del electromagnetismo para niños
La historia del electromagnetismo es el relato de cómo hemos descubierto y aprendido a usar las fuerzas de la electricidad y el magnetismo. Este conocimiento se remonta a más de dos mil años.
Desde la antigüedad, las personas conocían los efectos de la electricidad natural, como los rayos durante las tormentas o el fuego de San Telmo. Sin embargo, no entendían bien estos fenómenos ni sabían cómo producirlos.
En los siglos XVII y XVIII, científicos como William Gilbert, Otto von Guericke, Stephen Gray, Benjamin Franklin y Alessandro Volta estudiaron la electricidad y el magnetismo por separado. Cada uno llegó a conclusiones importantes con sus experimentos.
A principios del siglo XIX, Hans Christian Ørsted descubrió que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban conectados. A partir de ahí, físicos como André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm y Michael Faraday hicieron grandes avances. En 1861, James Clerk Maxwell unificó todos estos descubrimientos en un conjunto de ecuaciones. Estas ecuaciones describían la electricidad y el magnetismo como un solo fenómeno: el electromagnetismo.
Las ecuaciones de Maxwell mostraron que los campos eléctricos y magnéticos son parte de un único campo electromagnético. También explicaron que la luz es una onda electromagnética. Con esta teoría unificada, los científicos pudieron crear inventos asombrosos, como la bombilla eléctrica de Thomas Alva Edison y el generador de corriente alterna de Nikola Tesla. El éxito de la teoría de Maxwell inspiró a Albert Einstein a desarrollar su teoría de la relatividad.
En la primera mitad del siglo XX, con la llegada de la mecánica cuántica, el electromagnetismo tuvo que adaptarse. En la década de 1940, se completó una teoría cuántica del electromagnetismo llamada electrodinámica cuántica.
Contenido
- Electricidad y magnetismo: ¿Cómo se relacionan?
- Historia antigua y clásica: Primeros descubrimientos
- Edad Media y Renacimiento: Avances en el magnetismo
- Siglo XVIII: La electricidad toma forma
- Siglo XIX: La era del electromagnetismo
- Siglo XX: La era moderna
- Electricidad inalámbrica: El futuro de la energía
- Galería de imágenes
Electricidad y magnetismo: ¿Cómo se relacionan?
La electricidad y el magnetismo se estudian juntos porque suelen aparecer al mismo tiempo. Cuando la electricidad se mueve, el magnetismo también está presente.
El magnetismo se observó desde hace mucho tiempo, pero no se entendió completamente hasta que se desarrolló la idea de la inducción magnética. De manera similar, la electricidad también se observó desde el principio, pero su explicación completa llegó con el concepto de carga eléctrica.
Historia antigua y clásica: Primeros descubrimientos
El conocimiento de la electricidad estática existe desde las primeras civilizaciones. Durante miles de años, fue un fenómeno curioso y misterioso, a menudo confundido con el magnetismo. Los antiguos conocían las propiedades del ámbar (ēlektron en griego) y de un mineral de hierro magnético llamado piedra imán (magnētis lithos). El ámbar, al frotarse, atraía objetos ligeros como plumas. La piedra imán atraía el hierro.
El astrónomo John Carlson sugirió que los olmecas en América Central pudieron haber usado brújulas de piedra imán antes del año 1000 a. C. Esto sería mil años antes que los chinos. Carlson cree que los olmecas podrían haber usado estos objetos para la astronomía o para orientar sus templos y tumbas. La mención más antigua del magnetismo en la literatura china está en un libro del siglo IV a. C. que dice: "La piedra imantada hace que el hierro llegue o lo atraiga".
Mucho antes de entender el electromagnetismo, la gente ya conocía los efectos de la electricidad. Los relámpagos y el fuego de San Telmo eran conocidos en la antigüedad, pero no se sabía que tuvieran el mismo origen. Los antiguos egipcios conocían las descargas de peces eléctricos, como el bagre eléctrico o las anguilas eléctricas. Textos egipcios de 2750 a. C. llamaban a estos peces "el trueno del Nilo" y los consideraban protectores de otros peces. Los árabes, antes del siglo XV, usaban la misma palabra para relámpago (barq) y para la raya eléctrica.
Tales de Mileto, alrededor del año 600 a. C., notó que al frotar pieles con ámbar, este atraía polvo y objetos ligeros. Tales describió lo que hoy conocemos como electricidad estática. Los griegos también observaron que si frotaban el ámbar lo suficiente, podían hacer que saltara una chispa eléctrica. En esa época, se pensaba que un medio material llamado "éter" llenaba el espacio.
Mil años después, naturalistas y médicos romanos y árabes también reportaron fenómenos electrostáticos. Escritores antiguos como Plinio el Viejo y Scribonius Largus mencionaron el efecto adormecedor de las descargas eléctricas de peces gato y rayas torpedo. Plinio escribió que los antiguos toscanos creían en nueve dioses que enviaban relámpagos. Los antiguos sabían que las descargas podían viajar a través de objetos conductores. A los pacientes con gota o dolor de cabeza se les trataba con peces eléctricos, esperando que la sacudida los curara.
Varios objetos encontrados en Irak en 1938, de los primeros siglos d. C., llamados batería de Bagdad, se parecen a una celda galvánica. Algunos creen que se usaron para la galvanoplastia. Sin embargo, estas afirmaciones son debatidas debido a la falta de pruebas claras sobre su uso eléctrico.
Edad Media y Renacimiento: Avances en el magnetismo
En la antigüedad, Aristóteles y Tales explicaron la atracción magnética como el trabajo de un "alma" en la piedra. Siglos después, se descubrió la polaridad de la magnetita (efectos opuestos en extremos opuestos), lo que llevó a la invención de la aguja náutica o brújula. Esta invención fue clave para el descubrimiento del Nuevo Mundo y el comercio.
En el siglo XI, el científico chino Shen Kuo (1031-1095) fue el primero en escribir sobre la brújula de aguja magnética. Mencionó que mejoraba la navegación al usar el concepto de norte verdadero. En el siglo XII, los chinos ya usaban la brújula de piedra imán para navegar. En Europa, Alexander Neckam fue el primero en describir la brújula y su uso en 1187.
El magnetismo fue una de las pocas ciencias que avanzaron en la Europa medieval. En el siglo XIII, Peter Peregrinus realizó experimentos sobre magnetismo y escribió el primer tratado que describe las propiedades de los imanes y las agujas de brújula. La brújula seca fue inventada alrededor de 1300 por el italiano Flavio Gioja.
El erudito griego Eustacio de Tesalónica, en el siglo XII, registró que el rey godo Woliver podía echar chispas de su cuerpo. También afirmó que un filósofo podía hacer saltar chispas de su ropa al vestirse, similar a los experimentos de Robert Symmer con medias de seda en 1759.
El médico italiano Gerolamo Cardano escribió sobre la electricidad en 1550, siendo quizás el primero en distinguir entre fuerzas eléctricas y magnéticas.
A finales del siglo XVI, el Dr. William Gilbert, médico de la reina Isabel, amplió el trabajo de Cardano en su libro De Magnete. Él acuñó la palabra latina "electricus" (de Elektron, que significa "ámbar" en griego). La palabra "electricidad" fue usada por primera vez por Sir Thomas Browne en su obra de 1646, Pseudodoxia Epidemica. Gilbert realizó muchos experimentos cuidadosos. Descubrió que muchas sustancias, además del ámbar (como el azufre, la cera y el cristal), podían volverse eléctricas al frotarse. También notó que un cuerpo caliente perdía su electricidad y que la humedad impedía la electrificación, porque la humedad afecta el aislamiento. Además, observó que las sustancias electrificadas atraen a otras sin distinción, mientras que un imán solo atrae el hierro. Por estos descubrimientos, Gilbert es considerado el fundador de la ciencia eléctrica.
Otro pionero fue Robert Boyle, quien en 1675 demostró que la atracción y repulsión eléctrica podían ocurrir en el vacío. Esto significaba que el efecto eléctrico no dependía del aire. También añadió la resina a la lista de sustancias eléctricas.
En 1660, Otto von Guericke inventó uno de los primeros generadores electrostáticos. A finales del siglo XVII, los investigadores ya podían generar electricidad por fricción. Sin embargo, el desarrollo de máquinas electrostáticas avanzó realmente en el siglo XVIII, cuando se convirtieron en herramientas clave para estudiar la electricidad.
Siglo XVIII: La electricidad toma forma
Primeros años del 1700
Isaac Newton creía que la luz estaba hecha de pequeñas partículas, lo que explicaba por qué la luz viaja en línea recta y se refleja. Sin embargo, esta teoría tenía problemas para explicar la refracción (cuando la luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro) y la difracción (cuando la luz se curva al pasar por un borde). Para explicar la refracción, Newton sugirió en su libro Óptica (1704) que existía un "medio etéreo" que transmitía vibraciones más rápido que la luz.
Mejoras en las máquinas eléctricas
La máquina eléctrica fue mejorada por Francis Hauksbee, Litzendorf y el profesor Matthias Georg Bose alrededor de 1750. Litzendorf reemplazó la bola de azufre de Otto von Guericke por una de cristal. Bose fue el primero en usar un "primer conductor", que era una varilla de hierro sostenida por una persona aislada sobre un trozo de resina. El Dr. Ingenhousz inventó máquinas eléctricas de cristal en 1746.
Los experimentos con máquinas eléctricas mejoraron mucho con el descubrimiento de la Botella de Leyden. Este dispositivo, una placa de vidrio cubierta por ambos lados con papel de aluminio, podía acumular una gran carga eléctrica. La máquina eléctrica fue mejorada por Andrew Gordon, quien usó un cilindro de vidrio, y por Giessing de Leipzig, quien añadió un "caucho" de lana.
El colector, con puntas metálicas, fue añadido por Benjamín Wilson alrededor de 1746. En 1762, John Cantón mejoró la eficacia de las máquinas eléctricas rociando una amalgama de zinc sobre la superficie del caucho.
Conductores y aislantes
En 1729, Stephen Gray realizó experimentos que mostraron la diferencia entre materiales que conducen la electricidad (conductores) y los que no (aisladores). Demostró que un hilo metálico o un paquete de hilos conducían la electricidad, pero la seda no. En un experimento, envió corriente por 243 metros de hilo de cáñamo suspendido por lazos de seda. Cuando intentó usar hilos de cobre en lugar de seda, la corriente no se transmitió por el cáñamo, sino que pareció desaparecer en el cobre. A partir de esto, clasificó las sustancias en "no eléctricas" (como cristal, resina y seda) y "eléctricas" (como metal y agua). Las "eléctricas" conducen cargas, mientras que las "no eléctricas" las pierden.
Electricidad vítrea y resinosa
Intrigado por los resultados de Gray, en 1732, C.F. Du Fay comenzó sus propios experimentos. Concluyó que todos los objetos, excepto metales, animales y líquidos, podían electrificarse por frotamiento. Los metales, animales y líquidos podían electrificarse con una máquina eléctrica. Así, Du Fay desmintió la clasificación de Gray.
En 1737, Du Fay y Hauksbee descubrieron de forma independiente que había dos tipos de electricidad estática: una generada al frotar vidrio y otra al frotar resina. Du Fay propuso que la electricidad estaba compuesta por dos fluidos eléctricos, "vítreo" y "resinoso". Estos fluidos se separaban por fricción y se neutralizaban al combinarse. Esta teoría de los dos fluidos llevó más tarde al concepto de cargas eléctricas "positivas" y "negativas" de Benjamin Franklin.
La Botella de Leyden
La Botella de Leyden, un tipo de condensador para almacenar grandes cantidades de energía eléctrica, fue inventada en la Universidad de Leiden por Pieter van Musschenbroek en 1745. William Watson, experimentando con ella en 1747, descubrió que una descarga de electricidad estática es como una corriente eléctrica. La capacidad de almacenar carga fue observada por primera vez por Von Kleist de Leiden en 1754. Von Kleist recibió una fuerte descarga al tocar accidentalmente un clavo en una botella cerca de su máquina eléctrica. De forma similar, el profesor Pieter van Musschenbroek y Cunaeus recibieron una descarga aún más fuerte. Sir William Watson mejoró este dispositivo cubriendo la botella con papel de aluminio. Esta es la famosa Botella de Leyden, llamada así por el abad Nollet de París.
En 1741, Ellicott propuso medir la fuerza de la electrificación por su capacidad de levantar un peso. Sir William Watson, alrededor de 1749, realizó experimentos para determinar la velocidad de la electricidad en un cable. Demostró que las señales podían transmitirse a distancia casi instantáneamente. En Francia, Monnicr ya había hecho experimentos similares, enviando descargas a través de un cable de hierro de 402 metros.
Alrededor de 1750, se hicieron pruebas para ver los efectos de la electricidad en la salud. Mainbray (o Mowbray) en Edimburgo observó que la electrificación aceleraba el crecimiento de dos árboles de mirto. El Abad Menon estudió los efectos de la electricidad continua en hombres y pájaros, encontrando que perdían peso, lo que sugería que la electricidad aceleraba las excreciones. La eficacia de las descargas eléctricas en casos de parálisis se probó en un hospital en Shrewsbury, Inglaterra, con poco éxito. En un caso, un brazo paralizado mejoró, pero el paciente dejó el tratamiento por miedo a las descargas. En otro caso, la parálisis temporal se volvió total después del tratamiento.
Finales del 1700
En 1752, Benjamin Franklin es a menudo considerado una figura clave en la electricidad. Él y William Watson compartieron el descubrimiento de los potenciales eléctricos. Franklin comenzó sus investigaciones con el famoso, aunque peligroso, experimento de volar una cometa durante una tormenta. Una llave atada a la cuerda de la cometa cargó una Botella de Leyden, demostrando la conexión entre el rayo y la electricidad. Después, inventó el pararrayos. A Franklin (o a Ebenezer Kinnersley) se le atribuye la convención de la electricidad positiva y negativa.
Las teorías sobre la electricidad eran vagas en este período. Franklin creía que la electricidad era un fluido invisible que lo impregnaba todo y se distribuía uniformemente. Pensaba que la electricidad al frotar vidrio se debía a un exceso de este fluido, y al frotar cera, a un déficit. Esta teoría se oponía a la de los "dos fluidos" de Robert Symmer (1759), quien creía que los fluidos vítreo y resinoso se repelían entre sí, pero se atraían mutuamente. Al frotar un cuerpo, uno de los fluidos quedaba en exceso y se manifestaba como electricidad.
Antes del experimento de la cometa de Franklin, no se había establecido de forma general la identidad entre la electricidad por fricción (estática) y el rayo. El Dr. Wall, Abbot Nollet, Hawkesbee, Gray y Winckler habían sugerido la similitud, pero Franklin fue quien propuso las pruebas para confirmarla. En una carta de 1752, Franklin describió cómo la llave de la cometa podía cargar una Botella de Leyden, encender alcohol y realizar otros experimentos eléctricos, demostrando la identidad de la electricidad con el rayo. Unos meses antes, el 10 de mayo de 1752, Thomas-François Dalibard en Francia obtuvo resultados similares con una barra de hierro. La demostración de Franklin impulsó el entusiasmo de muchos experimentadores en la segunda mitad del siglo XVIII.
Las observaciones de Franklin ayudaron a científicos como Michael Faraday, Luigi Galvani, Alessandro Volta, André-Marie Ampère y Georg Simon Ohm, cuyos trabajos sentaron las bases de la tecnología eléctrica moderna. Las unidades de medición eléctrica llevan sus nombres en reconocimiento a su labor.
Otros investigadores importantes de este período incluyen a Watson, Boze Smeaton, Le Monnicr, De Romas, Jallabert, Beccaria, Cavallo, John Canton, Robert Symmer, Nollet, Winckler, Richman, el Dr. Wilson, Kinnersley, Priestley, Aepinus, Délavai, Cavendish, Coulomb, Volta y Galvani. Sus experimentos y descubrimientos se encuentran en publicaciones científicas de la época.
Henry Elles fue uno de los primeros en sugerir vínculos entre electricidad y magnetismo. En 1757, afirmó haber escrito a la Royal Society en 1755 sobre las relaciones, diciendo que "hay algunas cosas en el poder del magnetismo muy similares a las de la electricidad", pero que no creía que fueran lo mismo. En 1760, afirmó haber sido el primero en pensar que el "fuego eléctrico" (electricidad) podría ser la causa del trueno.
Entre los experimentos más importantes de este período están los de Francis Aepinus (1724-1802) y Henry Cavendish.
A Aepinus se le atribuye haber sido el primero en ver la relación recíproca entre electricidad y magnetismo. En su obra Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism! (1759), amplió la teoría de Franklin. Propuso que las partículas del fluido eléctrico se repelen entre sí y atraen a las partículas de todos los cuerpos, con una fuerza que disminuye con la distancia. El fluido eléctrico existe en los poros de los cuerpos y se mueve sin obstáculos a través de los conductores, pero con dificultad en los aisladores. Las manifestaciones de la electricidad se deben a la distribución desigual del fluido. Aepinus también formuló una teoría similar para el magnetismo, pero solo para partículas de hierro. Realizó experimentos que mostraron que la turmalina necesita ser calentada para manifestar efectos eléctricos. Los cristales que muestran propiedades eléctricas al cambiar de temperatura se llaman piroeléctricos, como la turmalina, el sulfato de quinina y el cuarzo.
Henry Cavendish desarrolló de forma independiente una teoría de la electricidad muy similar a la de Aepinus. En 1784, fue quizás el primero en usar una chispa eléctrica para explotar hidrógeno y oxígeno y producir agua pura. También descubrió la capacidad inductiva de los dieléctricos (aislantes) y midió la capacidad inductiva específica de la cera de abejas y otras sustancias en 1778.
Alrededor de 1784, Coulomb, quien da nombre a la unidad de cantidad eléctrica, inventó la balanza de torsión. Con ella, descubrió la ley de Coulomb: "La fuerza entre dos pequeños cuerpos electrificados es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia". Esto contradecía la suposición de Aepinus de que era inversamente proporcional solo a la distancia.
Con el descubrimiento de Watson y otros de que la electricidad podía transmitirse a distancia, la idea de usarla para enviar mensajes surgió alrededor de 1753. El primer método fue el de Besage (1774), que usaba 24 conductores aislados, cada uno con una bolita que representaba una letra. Al cargar un conductor, la bolita se movía, transmitiendo el mensaje. Otros métodos de telegrafía con electricidad por fricción también se probaron.
Hasta entonces, solo se conocía la electricidad obtenida por fricción, llamada electricidad estática. Luego llegó la era de la electricidad galvánica o voltaica. Alessandro Volta descubrió que las reacciones químicas podían crear ánodos cargados positivamente y cátodos cargados negativamente. Al conectar un conductor entre ellos, la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) generaba una corriente eléctrica. La diferencia de potencial se mide en Voltios en honor a Volta.
La primera mención de la electricidad voltaica, aunque no reconocida así en su momento, fue probablemente por Sulzer en 1767. Él notó un sabor peculiar al colocar un disco de zinc debajo de la lengua y uno de cobre encima, y hacer que se tocaran. En 1790, el profesor Luigi Galvani de Bolonia, mientras experimentaba con la "electricidad animal" (contracción de patas de rana), observó que los músculos de una rana suspendida en una barandilla de hierro con un gancho de cobre sufrían convulsiones sin causa externa.
Galvani supuso que existía electricidad de tipo opuesto en los nervios y músculos de la rana. Publicó sus descubrimientos, atrayendo la atención de físicos como Alessandro Volta. Volta afirmó que el fenómeno se debía a que los dos metales (cobre y hierro) actuaban como "motores eléctricos", y los músculos de la rana como conductores.
Esto generó un debate: algunos apoyaban a Volta, creyendo que la corriente era por el contacto de los metales; otros, una modificación de la idea de Galvani, creían que era por una afinidad química entre los metales y los ácidos de la pila. Michael Faraday no pudo resolver la controversia, y la diversidad de opiniones continúa hasta hoy. Volta realizó muchos experimentos y finalmente desarrolló la pila de Volta, la precursora de todas las baterías químicas. Fue el primer medio para obtener una corriente continua de electricidad. Volta compartió su invento con la Royal Society de Londres. Poco después, Nicholson y Cavendish (1780) descompusieron agua con la pila de Volta.
Siglo XIX: La era del electromagnetismo
Principios del 1800
En 1800, Alessandro Volta construyó el primer dispositivo para producir una gran corriente eléctrica, conocido como la batería eléctrica. Napoleón lo invitó en 1801 para una demostración y le otorgó muchas medallas.
En 1806, Davy, usando una pila voltaica de unas 250 celdas, descompuso potasa y sosa, demostrando que eran óxidos de potasio y sodio, metales hasta entonces desconocidos. Estos experimentos marcaron el inicio de la electroquímica. Faraday continuó esta investigación y en 1833 anunció su importante ley de los equivalentes electroquímicos: "La misma cantidad de electricidad descompone químicamente cantidades equivalentes de todos los cuerpos que atraviesa". En 1809, Humphry Davy, usando una batería de 2.000 elementos, realizó la primera demostración pública del arco eléctrico con carbón en el vacío.
Es importante notar que pasaron muchos años desde el descubrimiento de la pila voltaica hasta que se reconoció claramente que la electricidad estática y la voltaica eran idénticas. En enero de 1833, Faraday escribió sobre la electricidad del rayo: "No tengo dudas sobre la identidad de la electricidad del rayo con la electricidad común (por frotamiento) y la voltaica". Concluyó que "la electricidad, cualquiera que sea su origen, es idéntica en su naturaleza".
Sin embargo, antes de Faraday, la similitud de la electricidad de diferentes fuentes ya se sospechaba. William Hyde Wollaston escribió en 1801: "Esta similitud en la forma en que la electricidad y el galvanismo (electricidad voltaica) aparecen es emocionante, además la semejanza que se ha trazado entre sus efectos muestra que ambos son esencialmente lo mismo". Wollaston también describió experimentos con un alambre muy fino en una solución de sulfato de cobre por la que pasaba corriente de una máquina eléctrica.
En la primera mitad del siglo XIX, se hicieron muchas contribuciones importantes al conocimiento de la electricidad y el magnetismo. Por ejemplo, en 1819, Hans Christian Oersted de Copenhague descubrió que una corriente eléctrica en un alambre desviaba una aguja magnética cercana.
Este descubrimiento reveló la estrecha relación entre electricidad y magnetismo. André-Marie Ampère rápidamente lo siguió y en 1821 anunció su famosa teoría de la electrodinámica, sobre la fuerza que una corriente ejerce sobre otra debido a sus efectos electromagnéticos:
- Dos partes paralelas de un circuito se atraen si las corrientes van en la misma dirección, y se repelen si van en direcciones opuestas.
- Dos partes de circuitos que se cruzan oblicuamente se atraen si ambas corrientes van hacia o desde el punto de cruce, y se repelen si una va hacia y la otra desde ese punto.
- Cuando un elemento de un circuito ejerce una fuerza sobre otro, esa fuerza siempre tiende a mover el segundo en una dirección perpendicular a su propia dirección.
El profesor Thomas Johann Seebeck de Berlín, en 1821, descubrió que al aplicar calor a la unión de dos metales soldados, se generaba una corriente eléctrica. Esto se llama Termo-Electricidad. El dispositivo de Seebeck consistía en una tira de cobre doblada y soldada a una placa de bismuto. Al calentar la unión, se desviaba una aguja magnética.
Jean Peltier en 1834 descubrió el efecto contrario: cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes, la temperatura en la unión aumenta o disminuye, dependiendo de la dirección de la corriente. Esto se llama efecto Peltier. Las variaciones de temperatura eran proporcionales a la intensidad de la corriente. La ley de Joule, descubierta experimentalmente en 1841 por James Prescott Joule, establece que el calor generado en un circuito eléctrico es directamente proporcional al producto de la resistencia y el cuadrado de la intensidad de la corriente.
En 1822, Sweiprger inventó el primer galvanómetro, un instrumento para medir corrientes eléctricas. Wilhelm Eduard Weber lo mejoró mucho en 1833. En 1825, William Sturgeon de Inglaterra inventó el electroimán de herradura y barra recta. En 1837, Gauss y Weber inventaron juntos un galvanómetro reflectante para telégrafos, precursor de los galvanómetros sensibles usados hoy. Arago en 1824 descubrió que cuando un disco de cobre gira, una aguja magnética suspendida sobre él también gira. Si la aguja está fija, frena el disco. Esto se llama las rotaciones de Arago.
Michael Faraday explicó este fenómeno: las corrientes eléctricas se inducen en el disco de cobre al cortar las líneas de fuerza magnética de la aguja, y estas corrientes reaccionan sobre la aguja. En 1827, Georg Simon Ohm anunció su famosa ley:
Faraday y Henry: La inducción electromagnética
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El descubrimiento de la inducción electromagnética fue hecho casi al mismo tiempo por Michael Faraday y Joseph Henry, aunque de forma independiente. Los resultados de Faraday fueron anteriores, pero Henry fue el primero en usar el principio del transformador. El descubrimiento de Henry de la autoinducción y su trabajo con bobinas de cobre se publicaron en 1835, justo antes de los de Faraday.
En 1831, Michael Faraday, discípulo de Humphry Davy, comenzó sus investigaciones sobre la inducción electromagnética. Sus estudios se extendieron hasta 1855 y se detallan en su publicación Investigaciones Experimentales en Electricidad. Faraday era químico y no tenía formación matemática formal.
El experimento de Faraday que llevó al descubrimiento de la inducción electromagnética fue el siguiente: Construyó una bobina de inducción con conductores primario y secundario enrollados uno al lado del otro y aislados. Conectó una batería de unas 100 celdas al circuito primario y un galvanómetro al secundario. Al principio no observó nada, pero al aumentar la longitud de los conductores, notó una desviación del galvanómetro en el secundario cuando el circuito primario se abría y cerraba. Esta fue la primera observación de la fuerza electromotriz por inducción electromagnética.
También descubrió que se inducían corrientes en un segundo circuito cerrado cuando la intensidad de corriente variaba en el primer conductor, y que la dirección de la corriente en el secundario era opuesta a la del primario. Además, una corriente inducida aparecía en un circuito secundario cuando otro circuito con corriente se movía hacia o desde el primero, o cuando un imán se acercaba o alejaba. En pocos meses, Faraday descubrió experimentalmente casi todas las leyes y hechos conocidos sobre la inducción electromagnética y magnetoeléctrica. De estos descubrimientos dependen el funcionamiento del teléfono, la dinamo y, en general, casi toda la industria eléctrica, incluyendo la luz eléctrica, la tracción eléctrica, los motores eléctricos y la galvanoplastia.
Al investigar cómo las limaduras de hierro se organizan cerca de un imán, Faraday concibió la idea de "líneas de fuerza" magnéticas que se extienden de polo a polo. Al descubrir que los efectos magnéticos acompañan a una corriente eléctrica, supuso que líneas de fuerza magnéticas similares giraban alrededor del alambre. Para explicar la electricidad inducida, asumió que cuando estas líneas de fuerza son "cortadas" por un conductor, se desarrolla una fuerza electromotriz que genera una corriente. Faraday también propuso una "teoría molecular de la electricidad", que sugiere que la electricidad es una manifestación de un estado particular de las moléculas del cuerpo frotado o del éter que lo rodea. Además, descubrió el paramagnetismo y el diamagnetismo, demostrando que todos los sólidos y líquidos son atraídos o repelidos por un imán. Por ejemplo, el hierro, níquel y cobalto son paramagnéticos (atraídos), mientras que el bismuto y el fósforo son diamagnéticos (repelidos).
Brugans de Leiden (1778) y Le Baillif y Becquerel (1827) ya habían descubierto el diamagnetismo en el bismuto y el antimonio. Faraday también redescubrió la capacidad inductiva específica en 1837, ya que los experimentos de Cavendish no se habían publicado. También predijo el retraso de las señales en los cables submarinos largos debido al efecto inductivo del aislamiento. Los 25 años posteriores al descubrimiento de Faraday de la inducción eléctrica fueron muy productivos en el establecimiento de leyes y hechos sobre las corrientes inducidas y el magnetismo. En 1834, Lenz y Jacobi demostraron que la corriente inducida en una bobina es proporcional al número de vueltas. Lenz también anunció su ley, que establece que en la inducción electromagnética, las corrientes inducidas tienen una dirección tal que su reacción tiende a detener el movimiento que las produce.
En 1845, Joseph Henry publicó sus experimentos que mostraban que las corrientes de orden superior podían inducirse desde el secundario de una bobina de inducción al primario de una segunda bobina, y así sucesivamente.
Mediados del 1800
La teoría electromagnética de la luz añadió gran interés a la antigua teoría ondulatoria. No solo explicaba los fenómenos de la luz y el calor radiante mediante ondas transversales en un medio elástico llamado éter, sino que también incluía las corrientes eléctricas, el magnetismo y las fuerzas magnéticas y electrostáticas en una teoría más amplia del éter.
Hasta mediados del siglo XIX, la ciencia eléctrica era un campo poco explorado para la mayoría de los investigadores. Se publicaron manuales como el Tratado de electricidad de Auguste Arthur de la Rive (1851) y otros, pero se centraban en experimentos, no en leyes y hechos. Abria publicó investigaciones sobre las leyes de las corrientes inducidas, pero sin resultados notables. A mediados de 1800, se publicaron Electricidad y Magnetismo de Fleeming Jenkin y el Tratado en Electricidad y Magnetismo de James Clerk Maxwell.
Estos libros fueron innovadores. Jenkin afirmó que la ciencia de las escuelas era muy diferente de la de los electricistas prácticos. Con los libros de Jenkin y Maxwell, se aclararon conceptos como la ley de Ohm, la fuerza electromotriz, la diferencia de potencial, la resistencia, la intensidad de corriente, la capacidad, las líneas de fuerza, la magnetización y la afinidad química. Todos estos conceptos se volvieron medibles y se podían usar para cálculos precisos.
Hacia 1850, Gustav Kirchhoff publicó sus leyes sobre circuitos divididos. También demostró matemáticamente que la electricidad se propaga a lo largo de un cable conductor a la velocidad de la luz. Helmholtz investigó matemáticamente los efectos de la inducción en la fuerza de una corriente, deduciendo ecuaciones que confirmaron el efecto retardador de la autoinducción.
En 1853, Sir William Thomson predijo la naturaleza oscilatoria de la descarga eléctrica de un circuito condensador. Sin embargo, Joseph Henry ya había demostrado en 1842 el carácter oscilatorio de la descarga de la botella de Leyden. Henry escribió: "Los fenómenos nos obligan a admitir la existencia de una descarga principal en una dirección, y después varias acciones reflejas hacia atrás y adelante, cada una más débil que la anterior, hasta que se obtiene el equilibrio". Estas oscilaciones fueron observadas por Fcddersen (1857), quien fotografió la chispa eléctrica, mostrando su carácter alternante. Sir William Thomson también descubrió la convección eléctrica del calor (efecto "Thomson"). Diseñó electrómetros de precisión y el galvanómetro de reflexión y el sifón registrador para cables submarinos.
Hacia 1876, el Prof. H.A. Rowland demostró que una carga estática que gira produce los mismos efectos magnéticos que una corriente eléctrica. Este descubrimiento es importante porque puede ofrecer una teoría razonable del magnetismo: que el magnetismo podría ser el resultado del movimiento de moléculas que transportan cargas estáticas.
Después del descubrimiento de Faraday de que las corrientes eléctricas podían desarrollarse en un conductor al cortar las líneas de fuerza de un imán, se esperaba la construcción de máquinas que aprovecharan este hecho. La primera máquina de este tipo fue la de Pixii en 1832. Consistía en dos bobinas de alambre de hierro frente a las cuales giraban los polos de un imán de herradura. Esto producía una corriente alterna en la bobina. Pixii desarrolló un conmutador para convertir la corriente alterna en corriente continua para el circuito externo. A esta máquina le siguieron mejoras de Ritchie, Saxton, Clarke, Stohrer (1843), Nollet (1849), Shepperd (1856), Van Maldern, Siemens, Wilde y otros.
Un avance notable en la construcción de dinamos fue hecho por S.A. Varley en 1866 y por el Dr. Charles William Siemens y Charles Wheatstone, quienes descubrieron de forma independiente que cuando una bobina de una dinamo gira en el campo de un electroimán, aparece una débil corriente debido al magnetismo residual. Si el circuito de la bobina se conecta al circuito del electroimán, la débil corriente aumenta el magnetismo en el campo, lo que a su vez aumenta la corriente en el electroimán, y así sucesivamente, hasta alcanzar la máxima fuerza electromotriz. Gracias a este principio, la dinamo genera su propio campo magnético, aumentando su eficiencia. Sin embargo, la dinamo no se perfeccionó en esa época.
En 1860, el Dr. Antonio Pacinotti de Pisa ideó la primera máquina eléctrica con una armadura de anillo. Esta máquina se usó primero como motor eléctrico y luego como generador. El descubrimiento del principio de reversibilidad de la dinamo eléctrica (atribuido a Walenn 1860; Pacinotti 1864; Fontaine, Gramme 1873; Deprez 1881, y otros), que permitía usarla como motor o generador, fue uno de los mayores descubrimientos del siglo XIX.
En 1872, Heffner-Altneck ideó el tambor de la armadura, que más tarde se conoció como la dinamo Siemens. A estas máquinas les siguieron las de Schuckert, Gulcher, Fein, Brush, Hochhausen, Edison y muchos otros inventores. Al principio, las dinamos se usaban principalmente como generadores de corriente, y su aplicación más importante era la galvanoplastia, para la cual se usaban máquinas de baja tensión y alta intensidad.
Desde 1887, los generadores de corriente alterna se usaron ampliamente, junto con el desarrollo comercial del transformador. Este dispositivo transformaba corrientes de bajo voltaje y alta intensidad en corrientes de alta tensión y baja intensidad, y viceversa, revolucionando la transmisión de energía eléctrica a largas distancias. La introducción del convertidor rotatorio, que convierte corriente alterna en continua (y viceversa), también generó grandes ahorros en los sistemas eléctricos.
Antes de las dinamos, las baterías voltaicas (o primarias) se usaban mucho para la galvanoplastia y la telegrafía. Había dos tipos: "abiertas" y "cerradas" o "constantes". Las "abiertas" se polarizaban (los gases se liberaban y reducían la corriente) y necesitaban un descanso. Las "cerradas" absorbían los gases rápidamente, manteniendo una salida uniforme. La pila Leclanché y la pila Daniell son ejemplos. Las pilas "abiertas" se usan hoy en día, especialmente en forma de pila seca, en sistemas de alarma y señales. Las baterías tipo Daniell o "gravedad" se usaron mucho en Estados Unidos y Canadá para la telegrafía antes de la dinamo, y siguen usándose. Las baterías de "gravedad" y Edison-Lalande se usan en sistemas de "circuito cerrado".
En el siglo XIX, el término éter luminífero se usaba para describir un medio para la propagación de la luz. La palabra "éter" viene del griego y significa "encender" o "hacer sol". Se pensaba que era la sustancia que llenaba las regiones superiores del espacio.
Maxwell, Hertz y Tesla: Ondas y alta frecuencia
En 1864, James Clerk Maxwell de Edimburgo anunció su teoría electromagnética de la luz, que fue un gran avance en el conocimiento de la electricidad. Maxwell había estudiado electricidad y magnetismo desde 1855-56. Presentó un modelo simplificado del trabajo de Faraday y cómo los dos fenómenos estaban relacionados. Redujo todo el conocimiento a un conjunto de ecuaciones diferenciales con 20 variables. Este trabajo se publicó como On Physical Lines of Force en 1861.
Alrededor de 1862, mientras enseñaba en el King's College, Maxwell calculó que la velocidad de propagación de un campo electromagnético era similar a la velocidad de la luz. Pensó que esto no era una coincidencia y comentó: "Difícilmente podemos evitar la conclusión de que la luz consiste en ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos".
Maxwell demostró que sus ecuaciones predecían la existencia de ondas de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajaban por el espacio vacío a una velocidad predecible. Usando los datos de su época, Maxwell obtuvo una velocidad de 310.740.000 m/s. En su artículo de 1864, Una Teoría Dinámica del Campo Electromagnético, escribió: "El acuerdo de los resultados parece demostrar que la luz y el magnetismo son aspectos de una misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética, propagada a través del campo de acuerdo con las leyes electromagnéticas".
Como ya se mencionó, Faraday, y antes que él, Ampere, habían intuido que el éter lumínico del espacio también era el medio para la acción eléctrica. Se sabía que la velocidad de la electricidad era de aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, igual a la velocidad de la luz, lo que sugería una relación entre electricidad y luz.
Algunos filósofos o matemáticos del siglo XIX, como Maxwell, creían que los fenómenos electromagnéticos podían explicarse por la acción a distancia. Maxwell, siguiendo a Faraday, sostenía que la base de los fenómenos estaba en el medio. Faraday veía líneas de fuerza que atravesaban el espacio, mientras que los matemáticos veían centros de fuerza de atracción a distancia. Faraday buscaba la base de los fenómenos en acciones reales que viajaban por el medio.
Ambos métodos lograron explicar la propagación de la luz como un fenómeno electromagnético, aunque sus conceptos fundamentales eran diferentes. Los matemáticos suponían que los aisladores eran barreras para las corrientes eléctricas. Por ejemplo, en una botella de Leyden, la electricidad se acumulaba en una placa y, por alguna acción oculta a distancia, atraía la electricidad de signo contrario a la otra placa. Maxwell, yendo más allá de Faraday, razonó que si la luz es un fenómeno electromagnético y puede transmitirse a través de dieléctricos (como el vidrio), el fenómeno se debe a la naturaleza de las corrientes electromagnéticas en los dieléctricos. Por lo tanto, sostuvo que al cargar un condensador, la acción no se detenía en el aislante, sino que se establecían "corrientes de desplazamiento" en el medio aislante, que continuaban hasta que la resistencia del medio igualaba la fuerza de la carga. En un conductor de un circuito cerrado, una corriente eléctrica también es un desplazamiento de la electricidad.
El conductor ofrece una resistencia, similar a la fricción, al desplazamiento, y el calor producido es proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente. Esta resistencia se puede comparar con la que sufre un barco al desplazar el agua. La resistencia del dieléctrico es diferente y se ha comparado con la compresión de resortes, que, al comprimirse, reaccionan con una presión hacia atrás. Cuando se retira la presión inicial, la energía gastada en la compresión de los "resortes" regresa al circuito, produciendo una reacción en la dirección opuesta. Por lo tanto, la corriente en un conductor puede ser continua, mientras que las corrientes de desplazamiento en un dieléctrico son momentáneas y, en un circuito con poca resistencia, las corrientes de descarga son oscilatorias o alternas.
Maxwell extendió esta idea de las corrientes de desplazamiento en los dieléctricos al éter del espacio. Suponiendo que la luz es la manifestación de alteraciones de las corrientes eléctricas en el éter, y vibrando al ritmo de las vibraciones de la luz, estas vibraciones por inducción crean vibraciones correspondientes en porciones adyacentes del éter, y así las ondulaciones de la luz se propagan como un efecto electromagnético en el éter. La teoría electromagnética de Maxwell de la luz implicaba la existencia de ondas eléctricas en el espacio, y sus seguidores se dedicaron a demostrarlo experimentalmente.
En 1887, el Prof. Heinrich Hertz demostró la existencia real de tales ondas en una serie de experimentos. El descubrimiento de ondas eléctricas en el espacio llevó a la invención de la telegrafía sin hilos a finales del siglo XIX. Varios sistemas se usaron en barcos, faros y estaciones costeras, permitiendo la transmisión de conocimiento a través de océanos y continentes.
En 1891, Nikola Tesla hizo contribuciones notables al conocimiento de los fenómenos electromagnéticos a alta frecuencia y alto potencial. Entre sus experimentos, Tesla sostenía un tubo de vidrio sin aire y ponía su cuerpo en contacto con un conductor de alta tensión, haciendo que el tubo brillara. En otro experimento, un bulbo suspendido de un solo cable conectado a un circuito de alta tensión y alta frecuencia hacía que un botón de platino dentro del bulbo brillara intensamente, mientras el experimentador estaba sobre una plataforma aislante. Las frecuencias y potenciales en los experimentos de Tesla eran de millones de ciclos y voltios. Para más información, se puede consultar la obra de Tesla Experimentos con Corrientes Alternas de Alto Potencial y Alta Frecuencia.
Finales de siglo: La revolución eléctrica
Las teorías sobre la electricidad cambiaron a finales del siglo XIX. La investigación científica sugería que la materia, en su análisis final, es de naturaleza eléctrica. Esta teoría, llamada teoría electrónica o teoría eléctrica de la materia, supone que el átomo no es indivisible, sino que se compone de cuerpos más pequeños llamados electrones, que son de naturaleza eléctrica. Así, toda la materia es, en última instancia, eléctrica. Los átomos de diferentes elementos consisten en un cierto número de electrones, por ejemplo, 700 en el átomo de hidrógeno y 11.200 en el átomo de oxígeno. Esta teoría no surgió de la noche a la mañana ni de un solo hombre. Muchos científicos habían sugerido que todos los elementos son modificaciones de una sustancia simple hipotética.
El electrón como unidad de carga en electroquímica fue propuesto por G. Johnstone Stoney en 1874, quien también acuñó el término "electrón" en 1894. El plasma fue identificado por primera vez en un Tubo de Crookes y descrito por Sir William Crookes en 1879 (lo llamó "materia radiante"). El estudio de la electricidad llevó al descubrimiento de los fenómenos del tubo de Crookes (rayos catódicos) y más tarde a los Rayos X. Sin la electricidad para excitar el tubo, el descubrimiento de los rayos se habría pospuesto indefinidamente.
A finales de 1890, varios físicos propusieron que la electricidad se componía de unidades discretas, a las que dieron varios nombres, pero su existencia no se había confirmado de forma convincente. Sin embargo, también había indicios de que los rayos catódicos tenían propiedades de onda.
Faraday, Weber, Helmholtz, Clifford y otros tuvieron intuiciones sobre este punto de vista. El trabajo experimental de Zeeman, Goldstein, Crookes y J.J. Thomson lo reforzó. Hace más de 35 años, Weber predijo que los fenómenos eléctricos se debían a la existencia de átomos eléctricos. Helmholtz y otros sostenían que la existencia de átomos eléctricos seguía las leyes de Faraday de la electrólisis. Johnstone Stoney, a quien se debe el término "electrón", mostró que cada ion químico transporta una cantidad definida y constante de electricidad. En 1887, William Kingdon Clifford escribió: "Hay grandes razones para creer que cada átomo material transporta una pequeña corriente eléctrica, si no enteramente compuesto de esta corriente".
En 1896, Thomson realizó experimentos que indicaban que los rayos catódicos eran partículas. Encontró un valor exacto de su relación carga-masa (e/m) y que esta relación era independiente del material del cátodo. Estimó la carga (e) y la masa (m), encontrando que las partículas de los rayos catódicos, a las que llamó "corpúsculos", tenían aproximadamente una milésima de la masa del ion más ligero conocido (hidrógeno). También demostró que las partículas de carga negativa producidas por materiales radiactivos, calentados e iluminados eran universales. La naturaleza de la materia del tubo de Crookes ("rayos catódicos") fue identificada por Thomson en 1897.
A finales de 1800, el experimento de Michelson-Morley fue realizado por Albert Michelson y Edward Morley. Este experimento se considera "la prueba contra la teoría del éter lumínico" y "el punto de partida para los aspectos teóricos de la Segunda Revolución Científica". Por este trabajo, Albert Michelson recibió el Premio Nobel en 1907. Dayton Miller continuó los experimentos, realizando miles de mediciones y desarrollando el interferómetro más exacto del mundo en ese momento. Miller y otros continuaron las observaciones. Varias propuestas intentaron explicar el resultado nulo, pero eran más complejas.
Hacia finales del siglo XIX, los ingenieros eléctricos se convirtieron en una profesión distinta, separada de físicos e inventores. Crearon empresas que investigaron y perfeccionaron las técnicas de transmisión de electricidad, y obtuvieron el apoyo de gobiernos para iniciar la primera red mundial de telecomunicaciones eléctricas, la red de telégrafo eléctrico. Entre los pioneros se encuentran Werner von Siemens, fundador de Siemens AG en 1847, y John Pender, fundador de Cable & Wireless.
El final del siglo XIX produjo gigantes de la ingeniería eléctrica, como Nikola Tesla, inventor del motor de inducción polifásico. La primera demostración pública de un "sistema alternador" fue en 1886. Grandes generadores de corriente alterna de dos fases fueron construidos por J.E.H. Gordon en 1882. Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron alternadores tempranos que producían frecuencias de entre 100 y 300 hertz. En 1891, Nikola Tesla patentó un alternador práctico de "alta frecuencia" (cerca de 15.000 hertzios). Después de 1891, se introdujeron los alternadores polifásicos para suministrar corriente de muchas fases diferentes. Más tarde, los alternadores se diseñaron para frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y cien Hertz, para lámparas de arco, incandescentes y motores eléctricos.
La posibilidad de obtener grandes cantidades de corriente eléctrica de forma económica con las dinamos impulsó el desarrollo de la iluminación incandescente y las lámparas de arco. Antes de que estas máquinas fueran comerciales, las pilas voltaicas eran la única fuente de corriente para la iluminación eléctrica, pero su costo y mantenimiento las hacían prohibitivas. Las lámparas de arco e incandescentes comenzaron a usarse alrededor de 1877.
Incluso en 1880, el uso general de estos tipos de iluminación era limitado. El rápido crecimiento posterior de esta industria es bien conocido. El uso de baterías (originalmente llamadas baterías secundarias o acumuladores) comenzó alrededor de 1879. Estas baterías se usan mucho como auxiliares de la dinamo en casas y subestaciones, en automóviles eléctricos, y en sistemas de encendido y arranque de automóviles, así como en telegrafía de alarma contra incendios y sistemas de señales.
En 1893, la Exposición Internacional de Chicago tuvo un edificio dedicado a exposiciones eléctricas. La empresa General Electric (apoyada por Edison y J.P. Morgan) propuso suministrar energía por un millón de dólares. Sin embargo, Westinghouse, con el sistema de corriente alterna de Tesla, propuso iluminar la Exposición por la mitad de ese costo y ganó la licitación. Fue un momento histórico y el comienzo de una revolución, ya que Nikola Tesla y George Westinghouse introdujeron la energía eléctrica al público iluminando la Exposición.
Segunda revolución industrial: La guerra de las corrientes
El motor de corriente alterna fue clave en la Segunda revolución industrial. El rápido avance de la tecnología eléctrica a finales del siglo XIX y principios del XX llevó a rivalidades comerciales. En la Guerra de las corrientes a finales de la década de 1880, George Westinghouse y Thomas Edison se enfrentaron. Edison promovía la corriente continua (DC o CC) para la distribución de energía, mientras que Westinghouse y Nikola Tesla defendían la corriente alterna (AC). Las patentes de Tesla y su trabajo teórico sentaron las bases de los modernos sistemas de energía eléctrica de corriente alterna, incluyendo los sistemas polifásicos.
Varios inventores ayudaron a desarrollar sistemas comerciales: Samuel Morse (telégrafo de largo alcance), Thomas A. Edison (primera red comercial de distribución de energía eléctrica), George Westinghouse (locomotora eléctrica) y Alexander Graham Bell (teléfono).
En 1871, el telégrafo eléctrico había crecido enormemente y se usaba en todo el mundo civilizado. El sistema más común era el telégrafo electromagnético de S.F.B. Morse. Los cables submarinos que conectaban los hemisferios oriental y occidental también funcionaban con éxito.
Sin embargo, en 1918, al ver la mayoría de las aplicaciones de la electricidad (luz eléctrica, ferrocarriles eléctricos, energía eléctrica), es difícil creer que en 1871 un autor pudiera escribir: "Lo más importante y notable de los usos que se han hecho de la electricidad consiste en su aplicación a los fines telegráficos". Esta afirmación era precisa entonces. En 1876, se inventó el teléfono por Alexander Graham Bell, pero su uso comercial no comenzó en serio hasta años después. Desde entonces, las ramas de la electricidad han avanzado rápidamente.
La corriente alterna reemplazó a la corriente continua en las centrales de generación y distribución de energía eléctrica, extendiendo enormemente el alcance y mejorando la seguridad y eficiencia. El sistema de distribución de corriente continua de bajo voltaje de Edison perdió frente a los dispositivos de CA propuestos por otros, como los sistemas polifásicos de Tesla y las contribuciones de Charles Proteus Steinmetz (quien trabajó para Westinghouse en Pittsburgh desde 1888). El exitoso sistema de las Cataratas del Niágara fue un punto de inflexión para la aceptación de la corriente alterna. Finalmente, la compañía General Electric (formada por la fusión de las empresas de Edison y Thomson-Houston, basada en CA) comenzó a fabricar máquinas de CA.
La generación de energía centralizada fue posible cuando se reconoció que las líneas de corriente alterna podían transportar electricidad a bajo costo a grandes distancias, usando transformadores para cambiar el voltaje. El voltaje se eleva en el punto de generación (por ejemplo, de kilovoltios a cientos de miles de voltios) para la transmisión primaria, y luego se reduce varias veces hasta el bajo voltaje de uso doméstico.
La Exhibición Electrotécnica Internacional de 1891 demostró la transmisión a larga distancia de corriente eléctrica trifásica. Se realizó entre el 16 de mayo y el 19 de octubre en Fráncfort del Meno, presentando la primera transmisión de alta potencia a 175 kilómetros de distancia desde Lauffen am Neckar. Gracias a esta prueba exitosa, la corriente trifásica se estableció para las redes de transmisión eléctrica en todo el mundo.
Se avanzó mucho en la mejora de las instalaciones ferroviarias, y se esperaba que todos los ferrocarriles importantes fueran operados eléctricamente. En otras áreas, se esperaba un progreso igual de rápido en el uso de la energía eléctrica. En todo el mundo, la energía del agua que cae, una fuente natural inagotable, se está convirtiendo en electricidad y transmitiendo por cables a cientos de kilómetros para su uso útil y económico.
El uso extensivo del agua que cae no se limita a las cascadas naturales. En cientos de lugares, donde hay una caída de 12 a 120 metros en un recorrido de 15 a 500 kilómetros, hay cientos de miles de caballos de potencia disponibles para ser aprovechados mediante métodos hidráulicos. Esta energía contribuye a la conservación del carbón. Por ejemplo, se propuso construir una presa en el río Niágara para obtener otra fuente de energía hidráulica. El río Jhelum en Cachemira, India, con una caída de 75 metros en 130 kilómetros y un caudal mínimo de 120.000 litros por segundo, ha comenzado a desarrollar 1.000.000 de caballos de potencia eléctrica. Parte de esta energía se usará para producir nitrato de cal para fertilizantes, combinando piedra caliza con nitrógeno del aire mediante corrientes eléctricas. Los ingenieros daneses han demostrado que esto es viable comercialmente, y que un producto inagotable puede estar disponible para reponer la baja calidad de las tierras agrícolas. El sueño de los ingenieros eléctricos era la producción directa de electricidad a partir del carbón sin la intervención de la máquina de vapor. En Cleveland, Ohio, entre 1877 y 1888, Charles F. Brush diseñó y construyó una gran máquina eólica en su casa, que funcionó de 1886 a 1900. La turbina de viento Brush tenía un rotor de 17 metros de diámetro y estaba montada en una torre de 18 metros de altura. Aunque grande para los estándares actuales, la máquina producía solo 12 kW; giraba relativamente lento, con 144 aspas. La dinamo conectada se usaba para cargar un banco de baterías o para operar hasta 100 bombillas incandescentes, tres lámparas de arco y varios motores en el laboratorio de Brush. La máquina dejó de usarse después de 1900, cuando la electricidad de las estaciones centrales de Cleveland estuvo disponible, y fue abandonada en 1908.
Siglo XX: La era moderna
A principios del siglo XX, Millikan midió la carga del electrón. Lorentz, junto con su alumno Zeeman, ganaron el Premio Nobel de Física en 1902 por su investigación sobre la influencia del magnetismo en la radiación, lo que dio origen a la radiación electromagnética.
Las implicaciones teóricas del electromagnetismo llevaron a Albert Einstein a publicar la teoría de la relatividad especial en 1905. A su vez, la reformulación relativista del electromagnetismo clásico llevó a la formulación de la electrodinámica clásica. Más tarde, al considerar los efectos cuánticos, se formuló la electrodinámica cuántica.
En otra publicación de 1905, Einstein sentó las bases de su teoría del efecto fotoeléctrico (por la cual ganó un Premio Nobel de Física en 1921). Propuso que la luz podía existir en "paquetes" discretos de energía, que más tarde se llamarían fotones.
La teoría de Einstein del efecto fotoeléctrico amplió la solución a la catástrofe ultravioleta, presentada por Max Planck en 1900. Planck demostró que los elementos calientes emiten radiación electromagnética en "paquetes" discretos, lo que lleva a una energía total finita emitida como radiación de cuerpo negro. Ambos resultados contradecían la visión clásica de la luz como una onda continua. Las teorías de Planck y Einstein dieron origen a la mecánica cuántica, que, al ser formulada en 1925, requirió la invención de una teoría cuántica del electromagnetismo. Esta teoría, completada en la década de 1940, se conoce como electrodinámica cuántica (QED) y es una de las teorías más precisas de la física.
Representantes de institutos de ingeniería eléctrica de todo el mundo han adoptado y nombrado varias unidades de electricidad y magnetismo, que luego han sido confirmadas y legalizadas por gobiernos. Así, el "voltio" (V), de Volta, es la unidad práctica de fuerza electromotriz; el "ohmio" (Ω), de Ohm, es la unidad práctica de resistencia; el "amperio" (A), del científico francés Ampere, es la unidad práctica de intensidad de corriente; y el "henrio" (H), de Joseph Henry, es la unidad práctica de inductancia, en reconocimiento a su trabajo en la inducción mutua.
Lorentz y Poincaré: Relatividad y éter
Entre 1900 y 1910, muchos científicos como Wilhelm Wien, Max Abraham, Hermann Minkowski y Gustav Mie creían que todas las fuerzas de la naturaleza eran de origen electromagnético (la "visión del mundo electromagnética"). Esto estaba relacionado con la teoría electrónica desarrollada entre 1892 y 1904 por Hendrik Lorentz. Lorentz separó estrictamente la materia (electrones) del éter. En su modelo, el éter estaba completamente inmóvil y no podía moverse cerca de la materia. A diferencia de modelos electrónicos anteriores, el campo electromagnético del éter actuaba como mediador entre los electrones, y los cambios en este campo no podían propagarse más rápido que la velocidad de la luz. Lorentz explicó teóricamente el Efecto Zeeman basándose en esta teoría, por lo que recibió el Premio Nobel de Física en 1902. Un concepto fundamental de la teoría de Lorentz en 1895 fue el "teorema de los estados correspondientes". Este teorema establece que un observador en movimiento (en relación con el éter) hace las mismas observaciones en su campo "ficticio" que los observadores en reposo en su campo "real". Lorentz extendió este teorema en 1904. Lorentz afirmó que era necesario cambiar las variables de espacio-tiempo al cambiar el marco de referencia e introdujo conceptos físicos como la contracción de la longitud (1892) para explicar el experimento de Michelson-Morley, y el concepto matemático de la Simultaneidad (1895) para explicar la aberración de la luz y el experimento de Fizeau. Esto llevó a la formulación de las transformaciones de Lorentz por Joseph Larmor (1897, 1900) y Lorentz (1899, 1904).
Continuando el trabajo de Lorentz, Henri Poincaré entre 1895 y 1905 formuló en varias ocasiones el Principio de relatividad y trató de armonizarlo con la electrodinámica. Declaró que la simultaneidad era solo una convención conveniente que dependía de la velocidad de la luz, y que la constancia de la velocidad de la luz sería un postulado útil para simplificar las leyes de la naturaleza. En 1900, interpretó el tiempo local de Lorentz como el resultado de la sincronización del reloj por señales luminosas, e introdujo el momento electromagnético atribuyendo energía electromagnética a la masa "ficticia" 
. Finalmente, en junio y julio de 1905, declaró el principio de relatividad como una ley general de la naturaleza, que incluía la gravitación. Corrigió algunos errores de Lorentz y demostró la covarianza de Lorentz de las ecuaciones electromagnéticas. Poincaré también descubrió que existen fuerzas no eléctricas para estabilizar la configuración electrónica y afirmó que la gravedad también es una fuerza eléctrica. Aunque la visión del mundo electromagnética de Poincaré no fue válida, ya que mantuvo la noción de un éter y todavía distinguía entre el tiempo "aparente" y el "real", no llegó a inventar lo que hoy se llama relatividad especial.
El "Año Milagroso" de Einstein
En 1905, mientras trabajaba en la oficina de patentes, Albert Einstein publicó cuatro artículos en Anales de Física, la principal revista alemana de física. Estos documentos son conocidos como los documentos Annus Mirabilis (documentos del Año Milagroso):
- Su artículo sobre la naturaleza de las partículas de la luz propuso que algunos resultados experimentales, como el efecto fotoeléctrico, podían entenderse si la luz interactuaba con la materia como "paquetes" discretos (cuantos) de energía. Esta idea había sido introducida por Max Planck en 1900 como una manipulación matemática y parecía contradecir las teorías ondulatorias de la luz de la época. Este fue el único trabajo de Einstein que él mismo llamó "revolucionario".
- Su artículo sobre el movimiento browniano explicó el movimiento aleatorio de objetos muy pequeños como prueba directa de la acción molecular, apoyando la teoría atómica.
- Su artículo sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento introdujo la teoría de la relatividad especial. Demostró que la independencia observada de la velocidad de la luz del estado de movimiento de los observadores requería cambios fundamentales en la noción de simultaneidad. Las consecuencias incluyen la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud (en la dirección del movimiento) en relación con el observador. Este documento también sostuvo que la idea de un éter luminífero era innecesaria.
- En su artículo sobre la equivalencia masa-energía (antes consideradas conceptos distintos), Einstein dedujo de sus ecuaciones de la relatividad especial la famosa expresión:
, que sugiere que pequeñas cantidades de masa podrían convertirse en grandes cantidades de energía.
Estos cuatro documentos son reconocidos como grandes logros, por lo que 1905 es conocido como el año maravilloso de Einstein. En su momento, sin embargo, no fueron percibidos como importantes por la mayoría de los físicos, y muchos los rechazaron. Algunos de estos trabajos, como la teoría de los cuantos de luz, siguieron siendo polémicos durante años.
Electricidad inalámbrica: El futuro de la energía
El término "electricidad inalámbrica" describe la capacidad de proporcionar energía eléctrica a objetos a distancia sin usar cables. El término WiTricity fue acuñado en 2005 por Dave Gerding y usado en un proyecto dirigido por Marin Soljacic en 2007.
Investigadores del MIT demostraron con éxito la capacidad de encender una bombilla de 60 vatios de forma inalámbrica. Usaron dos bobinas de cobre de 60 cm de diámetro a 2 metros de distancia, con una eficiencia de aproximadamente el 45%. Esta tecnología podría usarse en muchas aplicaciones: consumo, industria, medicina y militar. Su objetivo es reducir la dependencia de las baterías. Otras aplicaciones incluyen la transmisión de la información, ya que no interfiere con las ondas de radio y podría usarse como un dispositivo de comunicación económico y eficaz sin necesidad de licencias.
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El físico danés Hans Christian Ørsted, realizando el experimento que le permitió descubrir la relación entre la electricidad y el magnetismo en 1820.
