Historia de la teoría electromagnética

La máquina eléctrica fue mejorada posteriormente por Francis Hauksbee , su alumno Litzendorf y por el profesor Georg Matthias Bose , alrededor de 1750. Litzendorf, investigando para Christian August Hausen , sustituyó una bola de vidrio por la bola de azufre de Guericke . Bose fue el primero en emplear el "conductor primario" en tales máquinas, que consistía en una varilla de hierro sostenida en la mano de una persona cuyo cuerpo estaba aislado al pararse sobre un bloque de resina. Ingenhousz , durante 1746, inventó máquinas eléctricas hechas de vidrio plano. ^{[ 35 ]} Los experimentos con la máquina eléctrica fueron ayudados en gran medida por el descubrimiento de que una placa de vidrio, recubierta por ambos lados con papel de estaño, acumularía carga eléctrica cuando se conectaba a una fuente de fuerza electromotriz . La máquina eléctrica pronto fue mejorada aún más por Andrew Gordon , un escocés, profesor en Erfurt, quien sustituyó un cilindro de vidrio en lugar de un globo de vidrio; y por Giessing de Leipzig, quien añadió una «goma» que consistía en un cojín de material lanoso. El colector, que consistía en una serie de puntas metálicas, fue añadido a la máquina por Benjamin Wilson alrededor de 1746, y en 1762, John Canton de Inglaterra (también inventor del primer electroscopio de bola de médula en 1754 ^{[ 36 ]} ) mejoró la eficiencia de las máquinas eléctricas espolvoreando una amalgama de estaño sobre la superficie de la goma. ^{[ 11 ]}

En 1729, Stephen Gray realizó una serie de experimentos que demostraron la diferencia entre conductores y no conductores (aislantes), mostrando, entre otras cosas, que un alambre metálico e incluso un hilo de embalaje conducían electricidad, mientras que la seda no. En uno de sus experimentos, envió una corriente eléctrica a través de 244 metros de hilo de cáñamo suspendido a intervalos por bucles de hilo de seda. Cuando intentó realizar el mismo experimento sustituyendo la seda por un alambre de latón finamente hilado, descubrió que la corriente eléctrica ya no se transportaba a través del cordón de cáñamo, sino que parecía desvanecerse en el alambre de latón. A partir de este experimento, clasificó las sustancias en dos categorías: "eléctricas", como el vidrio, la resina y la seda (lo que ahora llamamos aislantes), y "no eléctricas", como el metal y el agua (lo que ahora llamamos conductores). Las sustancias "no eléctricas" conducían cargas, mientras que las "eléctricas" las retenían. ^{[ 11 ] [ 37 ]}

Intrigado por los resultados de Gray, en 1732, C.F. du Fay comenzó a realizar varios experimentos. En su primer experimento, Du Fay concluyó que todos los objetos, excepto los metales, los animales y los líquidos, podían electrificarse frotándolos, y que los metales, los animales y los líquidos podían electrificarse mediante una máquina eléctrica, desacreditando así la clasificación de Gray de las sustancias como "eléctricas" y "no eléctricas".

En 1733, Du Fay descubrió lo que creía que eran dos tipos de electricidad por fricción: una generada al frotar vidrio y la otra al frotar resina. ^{[ 38 ]} A partir de esto, Du Fay teorizó que la electricidad consiste en dos fluidos eléctricos, "vítreo" y "resinoso", que se separan por fricción y se neutralizan entre sí al combinarse. ^{[ 39 ]} Esta concepción de la electricidad también fue respaldada por Christian Gottlieb Kratzenstein en sus trabajos teóricos y experimentales. La teoría de los dos fluidos fue posteriormente refutada y reemplazada por el concepto de cargas eléctricas positivas y negativas ideado por Benjamin Franklin. ^{[ 11 ]}

La botella de Leyden , un tipo de condensador para energía eléctrica en grandes cantidades, fue inventada independientemente por Ewald Georg von Kleist el 11 de octubre de 1744 y por Pieter van Musschenbroek en 1745-1746 en la Universidad de Leiden (este último lugar da nombre al dispositivo). ^{[ 38 ] [ 40 ]} William Watson , al experimentar con la botella de Leyden, descubrió en 1747 que una descarga de electricidad estática era equivalente a una corriente eléctrica . La capacitancia fue observada por primera vez por Von Kleist de Leyden en 1754. ^{[ 41 ]} Von Kleist sostenía, cerca de su máquina eléctrica, una pequeña botella, en cuyo cuello había un clavo de hierro. Al tocar accidentalmente el clavo de hierro con la otra mano, recibió una fuerte descarga eléctrica. De manera muy similar, Musschenbroeck, asistido por Cunaens, recibió una descarga más fuerte de una botella de vidrio algo similar. Sir William Watson, de Inglaterra, mejoró notablemente este dispositivo al cubrir la botella, o jarra, por dentro y por fuera con papel de aluminio. Este aparato eléctrico se reconoce fácilmente como la conocida botella de Leyden, llamada así por el abad Nollet de París, en honor al lugar de su descubrimiento. ^{[ 11 ]}

En 1741, John Ellicott propuso medir la fuerza de la electrificación por su capacidad para elevar un peso en un platillo de una balanza mientras el otro se sostenía sobre el cuerpo electrificado y era atraído hacia él por su fuerza de atracción. Ya en 1746, Jean-Antoine Nollet (1700-1770) había realizado experimentos sobre la velocidad de propagación de la electricidad. Al involucrar a 200 monjes cartujos conectados de mano en mano por cables de hierro ^{[ 42 ]} formando un círculo de aproximadamente 1,6  km, pudo demostrar que esta velocidad es finita, aunque muy alta. ^{[ 43 ] [ 44 ]} En 1749, Sir William Watson realizó numerosos experimentos para determinar la velocidad de la electricidad en un cable. Estos experimentos, aunque quizás no fueran la intención, también demostraron la posibilidad de transmitir señales a distancia mediante electricidad. En estos experimentos, la señal parecía recorrer los 12.276 pies de longitud del cable aislado instantáneamente. Le Monnier, en Francia, había realizado previamente experimentos algo similares, enviando descargas eléctricas a través de un cable de hierro de 1319 pies de longitud. ^{[ 11 ]}

Hacia 1750 se realizaron los primeros experimentos de electroterapia . Varios experimentadores llevaron a cabo pruebas para determinar los efectos fisiológicos y terapéuticos de la electricidad. Un ejemplo típico de este esfuerzo fue Kratzenstein en Halle , quien en 1744 escribió un tratado sobre el tema. Demainbray en Edimburgo examinó los efectos de la electricidad en las plantas y concluyó que el crecimiento de dos mirtos se aceleró con la electrificación. Estos mirtos fueron electrificados "durante todo el mes de octubre de 1746, y brotaron ramas y flores antes que otros arbustos de la misma especie no electrificados". ^{[ 45 ]} El abad Ménon en Francia probó los efectos de la aplicación continua de electricidad en hombres y aves y descubrió que los sujetos del experimento perdieron peso, lo que aparentemente demostraba que la electricidad aceleraba las excreciones. ^{[ 46 ] [ 47 ]} La eficacia de las descargas eléctricas en casos de parálisis se probó en el hospital del condado de Shrewsbury, Inglaterra , con un éxito bastante pobre. ^{[ 48 ]}

Benjamin Franklin impulsó sus investigaciones y teorías sobre la electricidad mediante el famoso, aunque extremadamente peligroso, experimento de hacer volar una cometa a través de un cielo amenazado por una tormenta. Una llave atada a la cuerda de la cometa produjo una chispa y cargó una botella de Leyden, estableciendo así la relación entre el rayo y la electricidad. ^{[ 49 ]} Tras estos experimentos, inventó un pararrayos . Se considera que Franklin (con mayor frecuencia) o Ebenezer Kinnersley de Filadelfia (con menor frecuencia) establecieron la convención de la electricidad positiva y negativa.

En aquella época, las teorías sobre la naturaleza de la electricidad eran bastante vagas, y las predominantes resultaban más o menos contradictorias. Franklin consideraba que la electricidad era un fluido imponderable que lo impregnaba todo y que, en condiciones normales, se distribuía uniformemente en todas las sustancias. Suponía que las manifestaciones eléctricas obtenidas al frotar vidrio se debían a un exceso de este fluido en la sustancia, mientras que las producidas al frotar cera se debían a una deficiencia del mismo. Esta explicación fue refutada por los defensores de la teoría de los "dos fluidos", como Robert Symmer en 1759. Según esta teoría, las electricidades vítrea y resinosa se consideraban fluidos imponderables, cada uno compuesto por partículas que se repelen mutuamente, mientras que las partículas de las electricidades opuestas se atraen entre sí. Cuando los dos fluidos se unen como resultado de su atracción mutua, su efecto sobre los objetos externos se neutraliza. El acto de frotar un cuerpo descompone los fluidos, uno de los cuales permanece en exceso sobre el cuerpo y se manifiesta como electricidad vítrea o resinosa. ^{[ 11 ]}

Hasta el momento del histórico experimento de la cometa de Franklin , ^{[ 50 ]} la identidad de la electricidad desarrollada por frotamiento y por máquinas electrostáticas ( electricidad por fricción ) con el rayo no se había establecido generalmente. El Dr. Wall, ^{[ 51 ]} Abbot Nollet , Hauksbee , ^{[ 52 ]} Stephen Gray ^{[ 53 ]} y John Henry Winkler ^{[ 54 ]} habían sugerido de hecho la semejanza entre los fenómenos de "electricidad" y "rayo", habiendo Gray insinuado que solo diferían en grado. Sin embargo, fue sin duda Franklin quien propuso por primera vez pruebas para determinar la identidad de los fenómenos. En una carta a Peter Comlinson de Londres, el 19 de octubre de 1752, Franklin, refiriéndose a su experimento de la cometa, escribió:

"En esta llave se puede cargar el frasco (vaso de Leyden); y del fuego eléctrico así obtenido se pueden encender espíritus, y realizar todos los demás experimentos eléctricos que normalmente se llevan a cabo con la ayuda de un globo o tubo de vidrio frotado, y de este modo se demuestra completamente la similitud de la materia eléctrica con la del rayo." ^{[ 55 ]}

El 10 de mayo de 1742, Thomas-François Dalibard , en Marly (cerca de París), utilizando una varilla de hierro vertical de 40 pies de longitud, obtuvo resultados que coincidían con los registrados por Franklin y que se produjeron algo antes de la fecha del experimento de Franklin. La importante demostración de Franklin sobre la similitud entre la electricidad por fricción y el rayo impulsó los esfuerzos de los numerosos experimentadores en este campo durante la segunda mitad del siglo XVIII para avanzar en el progreso de la ciencia . ^{[ 11 ]}

En 1751, Franklin demostró la magnetización de agujas de coser mediante una descarga eléctrica de una botella de Leyden. Esta conexión entre electricidad y magnetismo le fue sugerida por un informe sobre un rayo que cayó en Yorkshire, Inglaterra, en 1731 y que dañó una caja de cuchillos y tenedores. ^{[ 6 ] : 81} Cuando los cuchillos se colocaron posteriormente sobre clavos, "los cuchillos adhirieron los clavos". ^{[ 56 ]}

Henry Elles fue uno de los primeros en sugerir vínculos entre la electricidad y el magnetismo. En 1757 afirmó haber escrito a la Royal Society en 1755 sobre dichos vínculos, aseverando que «hay algunas cosas en el poder del magnetismo muy similares a las de la electricidad», pero que «de ninguna manera las consideraba iguales». En 1760 afirmó de manera similar que en 1750 había sido el primero en «pensar cómo el fuego eléctrico podría ser la causa del trueno». ^{[ 57 ]} Entre las investigaciones y experimentos eléctricos más importantes de este período se encuentran los de Franz Aepinus , un destacado erudito alemán (1724-1802), y Henry Cavendish de Londres, Inglaterra. ^{[ 11 ]}

Se atribuye a Franz Aepinus el haber concebido por primera vez la idea de la relación recíproca entre electricidad y magnetismo. En su obra Tentamen Theoria Electricitatis et Magnetism , ^{[ 58 ]} publicada en San Petersburgo en 1759, ofrece la siguiente ampliación de la teoría de Franklin, que en algunos aspectos coincide notablemente con las ideas actuales: «Las partículas del fluido eléctrico se repelen entre sí, atraen y son atraídas por las partículas de todos los cuerpos con una fuerza que disminuye en proporción a la distancia; el fluido eléctrico existe en los poros de los cuerpos; se mueve sin obstáculos a través de materiales no eléctricos (conductores), pero se mueve con dificultad en aislantes; las manifestaciones de la electricidad se deben a la distribución desigual del fluido en un cuerpo, o al acercamiento de cuerpos cargados de forma desigual con dicho fluido». Aepinus formuló una teoría del magnetismo similar, con la salvedad de que, en el caso de los fenómenos magnéticos, los fluidos solo actuaban sobre las partículas de hierro. También realizó numerosos experimentos eléctricos que aparentemente demostraban que, para manifestar efectos eléctricos, la turmalina debía calentarse entre 37,5  °C y 100  °C. De hecho, la turmalina permanece sin electrificar cuando su temperatura es uniforme, pero manifiesta propiedades eléctricas cuando su temperatura aumenta o disminuye. Los cristales que manifiestan propiedades eléctricas de esta manera se denominan piroeléctricos ; además de la turmalina, estos incluyen el sulfato de quinina y el cuarzo. ^{[ 11 ]}

Henry Cavendish concibió de forma independiente una teoría de la electricidad muy similar a la de Epino. ^{[ 59 ]} En 1784, fue quizás el primero en utilizar una chispa eléctrica para producir una explosión de hidrógeno y oxígeno en las proporciones adecuadas para crear agua pura. Cavendish también descubrió la capacidad inductiva de los dieléctricos (aislantes) y, ya en 1778, midió la capacidad inductiva específica de la cera de abejas y otras sustancias comparándola con un condensador de aire.

Hacia 1784, C.A. Coulomb ideó la balanza de torsión , descubriendo lo que hoy se conoce como la ley de Coulomb : la fuerza ejercida entre dos pequeños cuerpos electrificados varía inversamente con el cuadrado de la distancia, y no como había supuesto Epinus en su teoría de la electricidad, sino simplemente inversamente con la distancia. Según la teoría propuesta por Cavendish, "las partículas se atraen y se atraen inversamente con una potencia menor que el cubo de la distancia". ^{[ 11 ]} Gran parte del campo de la electricidad quedó prácticamente anexado por el descubrimiento de Coulomb de la ley de los inversos del cuadrado.

A través de los experimentos de William Watson y otros que demostraron que la electricidad podía transmitirse a distancia, la idea de hacer un uso práctico de este fenómeno comenzó, alrededor de 1753, a cautivar las mentes de las personas curiosas. Con este fin, se hicieron sugerencias sobre el empleo de la electricidad en la transmisión de información. El primero de los métodos ideados para este propósito fue probablemente el de Georges Lesage en 1774. ^{[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]} Este método consistía en 24 cables, aislados entre sí y cada uno con una bola de médula conectada a su extremo más alejado. Cada cable representaba una letra del alfabeto. Para enviar un mensaje, el cable deseado se cargaba momentáneamente con electricidad de una máquina eléctrica, tras lo cual la bola de médula conectada a ese cable salía disparada. También se probaron otros métodos de telegrafía en los que se empleaba electricidad por fricción, algunos de los cuales se describen en la historia del telégrafo . ^{[ 11 ]}

La era de la electricidad galvánica o voltaica representó una ruptura revolucionaria con el enfoque histórico en la electricidad por fricción. Alessandro Volta descubrió que las reacciones químicas podían utilizarse para crear ánodos con carga positiva y cátodos con carga negativa . Al conectar un conductor entre ellos, la diferencia de potencial eléctrico (también conocida como voltaje) generaba una corriente entre ellos a través del conductor. La diferencia de potencial entre dos puntos se mide en voltios en reconocimiento al trabajo de Volta. ^{[ 63 ] [ 11 ]}

La primera mención de la electricidad voltaica, aunque no reconocida como tal en aquel entonces, probablemente la hizo Johann Georg Sulzer en 1767, quien, al colocar un pequeño disco de zinc bajo su lengua y otro de cobre sobre ella, observó un sabor peculiar cuando los metales respectivos se tocaban por sus bordes. Sulzer supuso que al entrar en contacto los metales vibraban, actuando sobre los nervios de la lengua para producir los efectos observados. En 1790, el profesor Luigi Alyisio Galvani de Bolonia, mientras realizaba experimentos sobre " electricidad animal ", observó el temblor de las patas de una rana en presencia de una máquina eléctrica. Observó que el músculo de una rana, suspendido de una balaustrada de hierro mediante un gancho de cobre que atravesaba su columna dorsal, sufría convulsiones vigorosas sin causa externa alguna, estando la máquina eléctrica ausente en ese momento. ^{[ 11 ]}

Para explicar este fenómeno, Galvani supuso que existía electricidad de tipo opuesto en los nervios y músculos de la rana, constituyendo estos últimos las capas cargadas de una botella de Leyden. Galvani publicó los resultados de sus descubrimientos, junto con su hipótesis, que captó la atención de los físicos de la época. ^{[ 63 ]} El más destacado de ellos fue Volta, profesor de física en Pavía , quien sostuvo que los resultados observados por Galvani se debían a que los dos metales, cobre y hierro, actuaban como electromotores , y que los músculos de la rana desempeñaban el papel de conductor, completando el circuito. Esto dio lugar a una larga discusión entre los defensores de las posturas contrapuestas. Un grupo coincidió con Volta en que la corriente eléctrica era el resultado de una fuerza electromotriz de contacto entre los dos metales; el otro adoptó una modificación de la postura de Galvani y afirmó que la corriente era el resultado de una afinidad química entre los metales y los ácidos presentes en la pila. Michael Faraday escribió en el prefacio de sus Investigaciones experimentales , en relación con la cuestión de si el contacto metálico produce parte de la electricidad de la pila voltaica: «No veo aún motivo para modificar la opinión que he expresado;... pero el punto en sí es de tal importancia que pretendo, a la primera oportunidad, retomar la investigación y, si puedo, presentar pruebas, ya sea a favor o en contra, que sean irrefutables para todos». ^{[ 11 ]}

Sin embargo, ni siquiera el propio Faraday resolvió la controversia, y si bien las opiniones de los defensores de ambos lados de la cuestión sufrieron modificaciones, según lo exigieron las investigaciones y los descubrimientos posteriores, hasta 1918 la diversidad de opiniones sobre estos puntos siguió manifestándose. Volta realizó numerosos experimentos en apoyo de su teoría y finalmente desarrolló la pila o batería, ^{[ 64 ]} que fue la precursora de todas las baterías químicas posteriores y poseía el mérito distintivo de ser el primer medio por el cual se pudo obtener una corriente eléctrica continua y prolongada. Volta comunicó una descripción de su pila a la Royal Society de Londres y poco después Nicholson y Cavendish (1780) produjeron la descomposición del agua mediante la corriente eléctrica, utilizando la pila de Volta como fuente de fuerza electromotriz. ^{[ 11 ]}

En 1800, Alessandro Volta construyó el primer dispositivo para producir una gran corriente eléctrica, posteriormente conocido como pila eléctrica . Napoleón , informado de sus trabajos, lo convocó en 1801 para una demostración de sus experimentos. Recibió numerosas medallas y condecoraciones, entre ellas la Legión de Honor .

En 1806, Davy , empleando una pila voltaica de aproximadamente 250 celdas, o pares, descompuso la potasa y la sosa, demostrando que estas sustancias eran respectivamente los óxidos de potasio y sodio, metales que hasta entonces se desconocían. Estos experimentos marcaron el inicio de la electroquímica , cuya investigación continuó Faraday, y sobre la cual, en 1833, anunció su importante ley de los equivalentes electroquímicos, a saber: « La misma cantidad de electricidad —es decir, la misma corriente eléctrica— descompone cantidades químicamente equivalentes de todos los cuerpos que atraviesa; por lo tanto, los pesos de los elementos separados en estos electrolitos son entre sí como sus equivalentes químicos ». En 1809, Humphry Davy, empleando una batería de 2000 elementos de una pila voltaica, realizó la primera demostración pública de la luz de arco eléctrico , utilizando carbón vegetal encerrado en el vacío. ^{[ 11 ]}

Es importante señalar que no fue hasta muchos años después del descubrimiento de la pila voltaica que se reconoció y demostró claramente la similitud entre la electricidad animal y friccional y la electricidad voltaica. Así, tan tarde como en enero de 1833 encontramos a Faraday escribiendo ^{[ 65 ]} en un artículo sobre la electricidad del rayo eléctrico . « Tras examinar los experimentos de Walsh, ^{[ 66 ] [ 67 ]} Ingenhousz , Henry Cavendish , Sir H. Davy y el Dr. Davy, no me queda duda alguna sobre la identidad de la electricidad del torpedo con la electricidad común (friccional) y voltaica; y supongo que a los demás les quedará tan poca duda como para justificar que me abstenga de entrar extensamente en la prueba filosófica de dicha identidad. Las dudas planteadas por Sir Humphry Davy han sido disipadas por su hermano, el Dr. Davy; los resultados de este último son los opuestos a los del primero. ... La conclusión general que, creo, debe extraerse de esta recopilación de hechos (una tabla que muestra la similitud de las propiedades de las electricidades con nombres diversos) es que la electricidad, cualquiera que sea su origen, es idéntica en su naturaleza .» ^{[ 11 ]}

Es apropiado señalar, sin embargo, que antes de la época de Faraday, la similitud de la electricidad derivada de diferentes fuentes era más que una simple sospecha. Así, ^William Hyde Wollaston [ ^{68 ]} escribió en 1801: ^{[ 69 ]} « Esta similitud en los medios por los cuales tanto la electricidad como el galvanismo (electricidad voltaica) parecen excitarse, además de la semejanza que se ha observado entre sus efectos, demuestra que ambos son esencialmente lo mismo y confirma una opinión ya planteada por otros: que todas las diferencias que se pueden descubrir en los efectos de este último pueden deberse a que es menos intenso, pero se produce en mucha mayor cantidad ». En el mismo artículo, Wollaston describe ciertos experimentos en los que utiliza un alambre muy fino en una solución de sulfato de cobre a través del cual hace pasar corrientes eléctricas desde una máquina eléctrica. Esto resulta interesante en relación con el uso posterior de alambres finos dispuestos de forma casi similar en receptores electrolíticos de radiotelegrafía. ^{[ 11 ]}

En la primera mitad del siglo XIX se realizaron importantes aportaciones al conocimiento mundial sobre electricidad y magnetismo. Por ejemplo, en 1820 Hans Christian Ørsted, de Copenhague, descubrió el efecto de desviación de una corriente eléctrica que recorría un cable sobre una aguja magnética suspendida. ^{[ 11 ]}

Este descubrimiento dio una pista sobre la relación íntima posteriormente demostrada entre electricidad y magnetismo, que fue rápidamente seguida por Ampère , quien algunos meses más tarde, en septiembre de 1820, presentó los primeros elementos de su nueva teoría, que desarrolló en los años siguientes culminando con la publicación en su 1827 " Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l'experience " (Memoria sobre la teoría matemática de los fenómenos electrodinámicos, deducida de forma única de la experiencia) anunciando su célebre teoría de la electrodinámica, relativa a la fuerza que una corriente ejerce sobre otra, por sus efectos electromagnéticos, a saber ^{[ 11 ].}

1. Dos tramos paralelos de un circuito se atraen entre sí si las corrientes que circulan por ellos fluyen en la misma dirección, y se repelen entre sí si las corrientes fluyen en direcciones opuestas.
2. Dos tramos de circuitos que se cruzan oblicuamente se atraen entre sí si ambas corrientes fluyen hacia el punto de cruce o desde él, y se repelen si una fluye hacia ese punto y la otra desde él.
3. Cuando un elemento de un circuito ejerce una fuerza sobre otro elemento del mismo circuito, esa fuerza siempre tiende a empujar al segundo en una dirección perpendicular a su propia dirección.

Ampere introdujo multitud de fenómenos en la teoría mediante sus investigaciones sobre las fuerzas mecánicas entre conductores que transportan corrientes y imanes. James Clerk Maxwell , en su obra " Tratado sobre electricidad y magnetismo ", lo denominó "el Newton de la electricidad". ^{[ 70 ]}

El físico alemán Seebeck descubrió en 1821 que al aplicar calor a la unión de dos metales soldados, se genera una corriente eléctrica. Este fenómeno se denomina termoelectricidad . El dispositivo de Seebeck consiste en una tira de cobre doblada en ambos extremos y soldada a una placa de bismuto. Una aguja magnética se coloca paralela a la tira de cobre. Al aplicar el calor de una lámpara a la unión del cobre y el bismuto, se genera una corriente eléctrica que desvía la aguja. ^{[ 11 ]}

Por esta época, Siméon Denis Poisson abordó el difícil problema de la magnetización inducida, y sus resultados, aunque expresados ​​de forma diferente, siguen siendo la base de la teoría, como una primera aproximación importantísima. Sus contribuciones a la ciencia se manifestaron en la aplicación de las matemáticas a la física. Quizás las más originales, y sin duda las de mayor influencia, fueron sus memorias sobre la teoría de la electricidad y el magnetismo, que prácticamente dieron origen a una nueva rama de la física matemática .

En 1828, George Green escribió «Ensayo sobre la aplicación del análisis matemático a las teorías de la electricidad y el magnetismo». En este ensayo introdujo varios conceptos importantes, entre ellos un teorema similar al teorema de Green moderno, la idea de las funciones potenciales tal como se utilizan actualmente en física y el concepto de lo que hoy se conoce como funciones de Green . George Green fue el primero en crear una teoría matemática de la electricidad y el magnetismo, y su teoría sentó las bases para el trabajo de otros científicos como James Clerk Maxwell, William Thomson y otros.

Peltier descubrió en 1834 un efecto opuesto a la termoelectricidad: al hacer pasar una corriente entre dos metales diferentes, la temperatura en la unión de los metales disminuye o aumenta según la dirección de la corriente. Este fenómeno se conoce como efecto Peltier . Se observó que las variaciones de temperatura son proporcionales a la intensidad de la corriente y no al cuadrado de esta, como ocurre con el calor generado por la resistencia ordinaria de un conductor. Esta segunda ley es la ^ley I²R , descubierta experimentalmente en 1841 por el físico inglés Joule . En otras palabras, esta importante ley establece que el calor generado en cualquier parte de un circuito eléctrico es directamente proporcional al producto de la resistencia R de dicha parte del circuito y al cuadrado de la intensidad de la corriente I que circula por él. ^{[ 11 ]}

En 1822, Johann Schweigger ideó el primer galvanómetro . Este instrumento fue posteriormente mejorado considerablemente por Wilhelm Weber (1833). En 1825, William Sturgeon de Woolwich, Inglaterra, inventó el electroimán de herradura y barra recta, recibiendo por ello la medalla de plata de la Sociedad de las Artes. ^{[ 71 ]} En 1837, Carl Friedrich Gauss y Weber (ambos destacados trabajadores de este período) inventaron conjuntamente un galvanómetro reflectante para fines telegráficos. Este fue el precursor del galvanómetro reflectante Thomson y otros galvanómetros extremadamente sensibles que se utilizaron en la señalización submarina y que aún se emplean ampliamente en mediciones eléctricas. Arago, en 1824, realizó el importante descubrimiento de que cuando un disco de cobre gira en su propio plano, y si una aguja magnética se suspende libremente sobre un pivote sobre el disco, la aguja girará con el disco. Si, por otro lado, la aguja está fija, tenderá a retardar el movimiento del disco. Este efecto se denominó rotaciones de Arago . ^{[ 11 ] [ 72 ] [ 73 ]}

Charles Babbage , Peter Barlow , John Herschel y otros hicieron intentos infructuosos para explicar este fenómeno. La verdadera explicación fue reservada para Faraday, a saber, que las corrientes eléctricas se inducen en el disco de cobre por el corte de las líneas de fuerza magnéticas de la aguja, y que dichas corrientes, a su vez, reaccionan en la aguja. Georg Simon Ohm realizó su trabajo sobre la resistencia en los años 1825 y 1826, y publicó sus resultados en 1827 en el libro Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet . ^{[ 74 ] [ 75 ]} Se inspiró considerablemente en el trabajo de Fourier sobre la conducción del calor para la explicación teórica de su trabajo. Para los experimentos, inicialmente utilizó pilas voltaicas , pero más tarde empleó un termopar , ya que este proporcionaba una fuente de voltaje más estable en términos de resistencia interna y diferencia de potencial constante. Utilizó un galvanómetro para medir la corriente y sabía que el voltaje entre los terminales del termopar era proporcional a la temperatura de la unión. Luego añadió cables de prueba de distinta longitud, diámetro y material para completar el circuito. Descubrió que sus datos podían modelarse mediante una ecuación simple con una variable compuesta por la lectura de un galvanómetro, la longitud del conductor de prueba, la temperatura de la unión del termopar y una constante de todo el sistema. A partir de esto, Ohm determinó su ley de proporcionalidad y publicó sus resultados. En 1827, anunció la ahora famosa ley que lleva su nombre , a saber:

Ohm puso orden en una serie de hechos desconcertantes que relacionaban la fuerza electromotriz y la corriente eléctrica en los conductores, que todos los electricistas anteriores solo habían logrado vincular cualitativamente de forma vaga mediante afirmaciones bastante imprecisas. Ohm descubrió que los resultados podían resumirse en una ley tan simple, y gracias a su descubrimiento, gran parte del campo de la electricidad quedó incorporado a la teoría.

El descubrimiento de la inducción electromagnética fue realizado casi simultáneamente, aunque de forma independiente, por Michael Faraday , quien fue el primero en realizar el descubrimiento en 1831, y Joseph Henry en 1832. ^{[ 77 ] [ 78 ]} El descubrimiento de Henry sobre la autoinducción y su trabajo sobre conductores espirales utilizando una bobina de cobre se hicieron públicos en 1835, justo antes que los de Faraday. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]}

En 1831 comenzaron las trascendentales investigaciones de Michael Faraday , el famoso discípulo y sucesor de Humphry Davy al frente de la Royal Institution de Londres, sobre la inducción eléctrica y electromagnética. Las notables investigaciones de Faraday, el príncipe de los experimentalistas , sobre electrostática, electrodinámica e inducción de corrientes. Estas tardaron bastante en pasar del estado experimental rudimentario a un sistema compacto que expresara la esencia real. Faraday no era un matemático competente, ^{[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]} pero de haberlo sido, sus investigaciones se habrían visto enormemente facilitadas, se habría ahorrado mucha especulación inútil y habría anticipado muchos trabajos posteriores. Por ejemplo, conociendo la teoría de Ampère, sus propios resultados lo habrían conducido fácilmente a la teoría de Neumann y al trabajo relacionado de Helmholtz y Thomson. Los estudios e investigaciones de Faraday abarcaron desde 1831 hasta 1855, y una descripción detallada de sus experimentos, deducciones y especulaciones se encuentra en sus trabajos recopilados, titulados «Investigaciones experimentales en electricidad». Faraday era químico de profesión. No era, ni remotamente, matemático en el sentido común; de hecho, cabe preguntarse si en todos sus escritos existe una sola fórmula matemática. ^{[ 11 ]}

El experimento que llevó a Faraday al descubrimiento de la inducción electromagnética se realizó de la siguiente manera: construyó lo que entonces se denominaba bobina de inducción , cuyos cables primario y secundario estaban enrollados en una bobina de madera, uno al lado del otro y aislados entre sí. En el circuito del cable primario colocó una batería de aproximadamente 100 pilas. En el cable secundario insertó un galvanómetro. En su primera prueba no observó ningún resultado, el galvanómetro permaneció inmóvil, pero al aumentar la longitud de los cables notó una desviación del galvanómetro en el cable secundario cuando se cerraba y se interrumpía el circuito del cable primario. Este fue el primer caso observado del desarrollo de la fuerza electromotriz por inducción electromagnética. ^{[ 11 ]}

También descubrió que se generan corrientes inducidas en un segundo circuito cerrado al variar la intensidad de la corriente en el primer conductor, y que la dirección de la corriente en el circuito secundario es opuesta a la del primer circuito. Asimismo, descubrió que se induce una corriente en un circuito secundario cuando otro circuito que transporta corriente se mueve hacia o desde el primer circuito, y que el acercamiento o alejamiento de un imán a un circuito cerrado induce corrientes momentáneas en este último. En resumen, en el lapso de unos pocos meses, Faraday descubrió experimentalmente prácticamente todas las leyes y hechos conocidos actualmente sobre la inducción electromagnética y la inducción magnetoeléctrica. De estos descubrimientos depende, casi con excepción, el funcionamiento del teléfono, la máquina dinamo y, relacionada con ella, prácticamente todas las gigantescas industrias eléctricas del mundo, incluyendo la iluminación eléctrica , la tracción eléctrica, el funcionamiento de motores eléctricos para fines energéticos, la galvanoplastia , la electrotipia , etc. ^{[ 11 ]}

En sus investigaciones sobre la peculiar manera en que las limaduras de hierro se disponen sobre un cartón o vidrio cerca de los polos de un imán, Faraday concibió la idea de " líneas de fuerza " magnéticas que se extienden de polo a polo del imán y a lo largo de las cuales las limaduras tienden a colocarse. Al descubrirse que los efectos magnéticos acompañan el paso de una corriente eléctrica por un cable, también se supuso que líneas de fuerza magnéticas similares giraban alrededor del cable. Para mayor comodidad y para explicar la electricidad inducida, se supuso entonces que cuando estas líneas de fuerza son " cortadas " por un cable al pasar sobre ellas, o cuando las líneas de fuerza, al ascender y descender, cortan el cable, se desarrolla una corriente eléctrica, o para ser más exactos, se desarrolla una fuerza electromotriz en el cable que genera una corriente en un circuito cerrado. Faraday propuso lo que se ha denominado la teoría molecular de la electricidad ^{[ 85 ]} , que supone que la electricidad es la manifestación de una condición peculiar de la molécula del cuerpo frotado o del éter que lo rodea. Faraday también descubrió experimentalmente el paramagnetismo y el diamagnetismo , es decir, que todos los sólidos y líquidos son atraídos o repelidos por un imán. Por ejemplo, el hierro, el níquel, el cobalto, el manganeso, el cromo, etc., son paramagnéticos (atraídos por el magnetismo), mientras que otras sustancias, como el bismuto, el fósforo, el antimonio, el zinc, etc., son repelidas por el magnetismo o son diamagnéticas . ^{[ 11 ] [ 86 ]}

Brugans de Leyden en 1778 y Le Baillif y Becquerel en 1827 ^{[ 87 ]} habían descubierto previamente el diamagnetismo en el caso del bismuto y el antimonio. Faraday también redescubrió la capacidad inductiva específica en 1837, ya que los resultados de los experimentos de Cavendish no se habían publicado en ese momento. También predijo ^{[ 88 ]} el retardo de las señales en cables submarinos largos debido al efecto inductivo del aislamiento del cable, es decir, la capacidad estática del cable. ^{[ 11 ]} En 1816, el pionero del telégrafo Francis Ronalds también había observado retardo de la señal en sus líneas telegráficas enterradas, atribuyéndolo a la inducción. ^{[ 89 ] [ 90 ]}

Los 25 años inmediatamente posteriores a los descubrimientos de Faraday sobre la inducción electromagnética fueron fructíferos en la promulgación de leyes y hechos relacionados con las corrientes inducidas y el magnetismo. En 1834, Heinrich Lenz y Moritz von Jacobi demostraron independientemente el hecho, ahora conocido, de que las corrientes inducidas en una bobina son proporcionales al número de espiras de la misma. Lenz también anunció en ese momento su importante ley de que, en todos los casos de inducción electromagnética, las corrientes inducidas tienen una dirección tal que su reacción tiende a detener el movimiento que las produce, una ley que quizás se deducía de la explicación de Faraday sobre las rotaciones de Arago. ^{[ 11 ] [ 91 ]}

La bobina de inducción fue diseñada por primera vez por Nicholas Callan en 1836. En 1845, Joseph Henry , el físico estadounidense, publicó un informe de sus valiosos e interesantes experimentos con corrientes inducidas de alto orden, demostrando que se podían inducir corrientes desde el secundario de una bobina de inducción al primario de una segunda bobina, de allí a su cable secundario, y así sucesivamente al primario de una tercera bobina, etc. ^{[ 92 ]} Heinrich Daniel Ruhmkorff desarrolló aún más la bobina de inducción, la bobina de Ruhmkorff fue patentada en 1851, ^{[ 93 ]} y utilizó largos devanados de alambre de cobre para lograr una chispa de aproximadamente 2  pulgadas (50  mm) de longitud. En 1857, tras examinar una versión muy mejorada realizada por el inventor estadounidense Edward Samuel Ritchie , ^{[ 94 ] [ 95 ]} Ruhmkorff mejoró su diseño (al igual que otros ingenieros), utilizando aislamiento de vidrio y otras innovaciones para permitir la producción de chispas de más de 300 milímetros (12 pulgadas) de longitud. ^{[ 96 ]} 

Hasta mediados del siglo XIX, de hecho hasta aproximadamente 1870, la ciencia eléctrica era, podría decirse, un libro cerrado para la mayoría de los trabajadores eléctricos. Antes de este tiempo, se habían publicado varios manuales sobre electricidad y magnetismo, en particular el exhaustivo « Tratado sobre electricidad » de Auguste de La Rive , ^{[ 98 ]} en 1851 (francés) y 1853 (inglés); la «Introducción a la electrostática, la teoría del magnetismo y la electrodinámica» de August Beer , ^{[ 99 ]} el « Galvanismo » de Wiedemann y la « Reibungsal-elektricitat» de Reiss . ^{[ 100 ]} Pero estas obras consistían principalmente en detalles de experimentos con electricidad y magnetismo, y poco en las leyes y los hechos de esos fenómenos. Henry d'Abria ^{[ 101 ] [ 102 ]} publicó los resultados de algunas investigaciones sobre las leyes de las corrientes inducidas, pero debido a la complejidad de la investigación no produjo resultados muy notables. ^{[ 103 ]} Alrededor de mediados del siglo XIX, se publicaron la obra de Fleeming Jenkin sobre electricidad y magnetismo ^{[ 104 ]} y el « Tratado sobre electricidad y magnetismo » de Clerk Maxwell . ^{[ 11 ]}

Estos libros se apartaban de lo convencional. Como afirma Jenkin en el prefacio de su obra, la ciencia que se enseñaba en las escuelas era tan distinta de la del electricista práctico que resultaba imposible proporcionar a los estudiantes libros de texto suficientes, ni siquiera aproximadamente suficientes. Un estudiante, según él, podía dominar el extenso y valioso tratado de De la Rive y, sin embargo, sentirse como en un país desconocido, escuchando una lengua desconocida en compañía de hombres prácticos. Como ha señalado otro autor, con la llegada de los libros de Jenkin y Maxwell se eliminaron todos los obstáculos para los estudiantes de electricidad: « el significado completo de la ley de Ohm se vuelve claro; la fuerza electromotriz, la diferencia de potencial, la resistencia, la corriente, la capacitancia, las líneas de fuerza, la magnetización y la afinidad química eran medibles, se podía razonar sobre ellas y se podían realizar cálculos con tanta certeza como los cálculos en dinámica ». ^{[ 11 ] [ 105 ]}

Hacia 1850, Kirchhoff publicó sus leyes relativas a los circuitos ramificados o divididos. También demostró matemáticamente que, según la teoría electrodinámica vigente en aquel entonces, la electricidad se propagaría a lo largo de un conductor perfecto a la velocidad de la luz. Helmholtz investigó matemáticamente los efectos de la inducción sobre la intensidad de una corriente y dedujo de ella ecuaciones que fueron confirmadas experimentalmente, mostrando, entre otros puntos importantes, el efecto retardador de la autoinducción bajo ciertas condiciones del circuito. ^{[ 11 ] [ 106 ]}

En 1853, Sir William Thomson (más tarde Lord Kelvin ) predijo, como resultado de cálculos matemáticos, la naturaleza oscilatoria de la descarga eléctrica de un circuito condensador. Sin embargo, a Henry le corresponde el mérito de discernir, como resultado de sus experimentos en 1842, la naturaleza oscilatoria de la descarga de la botella de Leyden . Escribió: ^{[ 107 ]} Los fenómenos nos obligan a admitir la existencia de una descarga principal en una dirección, y luego varias acciones reflejas hacia atrás y hacia adelante, cada una más débil que la anterior, hasta que se alcanza el equilibrio . Estas oscilaciones fueron observadas posteriormente por BW Feddersen (1857) ^{[ 108 ] [ 109 ]} quien, utilizando un espejo cóncavo giratorio, proyectó una imagen de la chispa eléctrica sobre una placa sensible, obteniendo así una fotografía de la chispa que indicaba claramente la naturaleza alternante de la descarga. Sir William Thomson también fue el descubridor de la convección eléctrica del calor (el efecto "Thomson" ). Diseñó para mediciones eléctricas de precisión sus electrómetros de cuadrante y absoluto. El galvanómetro reflectante y el registrador de sifón , aplicados a la señalización de cables submarinos, también se deben a él. ^{[ 11 ]}

Hacia 1876, el físico estadounidense Henry Augustus Rowland, de Baltimore, demostró el importante hecho de que una carga estática transportada produce los mismos efectos magnéticos que una corriente eléctrica. ^{[ 110 ] [ 111 ]} La importancia de este descubrimiento radica en que puede proporcionar una teoría plausible del magnetismo, a saber, que el magnetismo puede ser el resultado del movimiento dirigido de filas de moléculas que transportan cargas estáticas. ^{[ 11 ]}

Tras el descubrimiento de Faraday de que se podían generar corrientes eléctricas en un cable haciéndolo cortar transversalmente las líneas de fuerza de un imán, era de esperar que se intentara construir máquinas para aprovechar este hecho en el desarrollo de corrientes voltaicas. ^{[ 112 ]} La primera máquina de este tipo fue obra de Hippolyte Pixii , en 1832. Consistía en dos bobinas de alambre de hierro, frente a las cuales se hacían girar los polos de un imán de herradura. Como esto producía una corriente alterna en las bobinas del alambre , Pixii diseñó un dispositivo conmutador (conmutador) que convertía la corriente alterna de las bobinas o armadura en corriente continua en el circuito externo. Esta máquina fue seguida por formas mejoradas de máquinas magnetoeléctricas gracias a Edward Samuel Ritchie , Joseph Saxton , Edward M. Clarke (1834), Emil Stohrer ( 1843), Floris Nollet (1849), Shepperd (1856), Van Maldern , Werner von Siemens , Henry Wilde y otros. ^{[ 11 ]}

Un avance notable en el arte de la ^{construcción} de dinamos fue realizado por Samuel Alfred Varley en 1866 ^{[ 113 ]} y por Siemens y Charles Wheatstone [ ^{114 ],} quienes descubrieron independientemente que cuando una bobina de alambre, o armadura, de la máquina dinamo gira entre los polos (o en el "campo") de un electroimán, se genera una corriente débil en la bobina debido al magnetismo residual en el hierro del electroimán, y que si el circuito de la armadura se conecta con el circuito del electroimán, la corriente débil desarrollada en la armadura aumenta el magnetismo en el campo. Esto incrementa aún más las líneas de fuerza magnéticas en las que gira la armadura, lo que incrementa aún más la corriente en el electroimán, produciendo así un incremento correspondiente en el magnetismo del campo, y así sucesivamente, hasta que se alcanza la fuerza electromotriz máxima que la máquina es capaz de desarrollar. Mediante este principio, la máquina dinamo desarrolla su propio campo magnético , aumentando así considerablemente su eficiencia y su funcionamiento económico. Sin embargo, la máquina eléctrica de dinamo no estaba perfeccionada en absoluto en el momento mencionado. ^{[ 11 ]}

En 1860, el Dr. Antonio Pacinotti de Pisa realizó una importante mejora al diseñar la primera máquina eléctrica con armadura anular. Esta máquina se utilizó inicialmente como motor eléctrico, pero posteriormente como generador de electricidad. El descubrimiento del principio de reversibilidad de la dinamoeléctrica (atribuido a Walenn en 1860, Pacinotti en 1864, Fontaine y Gramme en 1873, Deprez en 1881, entre otros), que permite su uso como motor eléctrico o como generador de electricidad, se considera uno de los mayores descubrimientos del siglo XIX. ^{[ 11 ]}

En 1872, Hefner-Alteneck ideó la armadura de tambor . Esta máquina, en una forma modificada, se conoció posteriormente como la dinamo Siemens. A estas máquinas les siguieron las de Schuckert , Gulcher , ^{[ 115 ]} Fein, ^{[ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]} Brush , Hochhausen , Edison y las dinamos de muchos otros inventores. ^{[ 119 ]} En los inicios de la construcción de dinamos, las máquinas se configuraban principalmente como generadores de corriente continua, y quizás la aplicación más importante de dichas máquinas en ese momento era la galvanoplastia, para la cual se empleaban máquinas de bajo voltaje y alta intensidad de corriente. ^{[ 11 ] [ 120 ]}

A partir de 1887, los generadores de corriente alterna comenzaron a operar a gran escala, y el desarrollo comercial del transformador, mediante el cual las corrientes de baja tensión y alta intensidad se transforman en corrientes de alta tensión y baja intensidad, y viceversa, revolucionó con el tiempo la transmisión de energía eléctrica a largas distancias. Asimismo, la introducción del convertidor rotatorio (junto con el transformador reductor), que convierte la corriente alterna en corriente continua (y viceversa), ha generado grandes ahorros en el funcionamiento de los sistemas de energía eléctrica. ^{[ 11 ] [ 121 ]}

Antes de la introducción de las máquinas dinamoeléctricas, las baterías voltaicas, o primarias, se utilizaban ampliamente en la galvanoplastia y la telegrafía. Existen dos tipos distintos de celdas voltaicas: las de circuito abierto y las de circuito cerrado o de corriente constante. En resumen, las de circuito abierto son aquellas que, al funcionar en circuito cerrado, se polarizan tras un breve periodo de tiempo; es decir, se liberan gases en la celda que se depositan en la placa negativa y generan una resistencia que reduce la intensidad de la corriente. Tras un breve intervalo de circuito abierto, estos gases se eliminan o absorben y la celda vuelve a estar lista para funcionar. Las celdas de circuito cerrado son aquellas en las que los gases se absorben tan rápidamente como se liberan, por lo que la salida de la celda es prácticamente uniforme. Las celdas Leclanché y Daniell son ejemplos conocidos de celdas voltaicas de circuito abierto y cerrado, respectivamente. Las baterías de tipo Daniell o de gravedad se empleaban casi universalmente en Estados Unidos y Canadá como fuente de fuerza electromotriz en la telegrafía antes de la llegada de la máquina dinamo. ^{[ 11 ]}

A finales del siglo XIX, el término éter luminífero , que significa éter portador de luz , era un medio hipotético para la propagación de la luz. ^{[ 122 ]} La palabra éter proviene del latín , a su vez del griego αιθήρ, de una raíz que significa encender, arder o brillar. Significa la sustancia que, en la antigüedad, se creía que llenaba las regiones superiores del espacio, más allá de las nubes.

En 1864, James Clerk Maxwell de Edimburgo anunció su teoría electromagnética de la luz, que fue quizás el paso más importante en el conocimiento mundial de la electricidad. ^{[ 123 ]} Maxwell había estudiado y comentado sobre el campo de la electricidad y el magnetismo ya en 1855/6 cuando se leyó Sobre las líneas de fuerza de Faraday ^{[ 124 ]} ante la Sociedad Filosófica de Cambridge . El artículo presentaba un modelo simplificado del trabajo de Faraday y cómo se relacionaban los dos fenómenos. Redujo todo el conocimiento existente en un conjunto vinculado de ecuaciones diferenciales con 20 ecuaciones en 20 variables. Este trabajo se publicó más tarde como Sobre las líneas físicas de fuerza en marzo de 1861. ^{[ 125 ]} Para determinar la fuerza que actúa sobre cualquier parte de la máquina debemos encontrar su momento y luego calcular la tasa a la que cambia este momento. Esta tasa de cambio nos dará la fuerza. El método de cálculo que es necesario emplear fue dado por primera vez por Lagrange y posteriormente desarrollado, con algunas modificaciones, por las ecuaciones de Hamilton . Generalmente se le conoce como el principio de Hamilton ; cuando se utilizan las ecuaciones en su forma original, se las conoce como ecuaciones de Lagrange . Ahora bien, Maxwell demostró lógicamente cómo estos métodos de cálculo podían aplicarse al campo electromagnético. ^{[ 126 ]} La energía de un sistema dinámico es en parte cinética y en parte potencial . Maxwell supone que la energía magnética del campo es energía cinética y la energía eléctrica , potencial . ^{[ 127 ]}

Hacia 1862, mientras impartía clases en el King's College, Maxwell calculó que la velocidad de propagación de un campo electromagnético es aproximadamente igual a la de la luz. Consideró que esto era más que una simple coincidencia y comentó: « Difícilmente podemos evitar la conclusión de que la luz consiste en las ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos » . ^{[ 128 ]}

Profundizando en el problema, Maxwell demostró que las ecuaciones predicen la existencia de ondas de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan por el espacio vacío a una velocidad que podía predecirse mediante experimentos eléctricos sencillos; utilizando los datos disponibles en aquel momento, Maxwell obtuvo una velocidad de 310.740.000 m/s . En su artículo de 1864, Una teoría dinámica del campo electromagnético , Maxwell escribió: «La concordancia de los resultados parece demostrar que la luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga a través del campo según las leyes electromagnéticas» . ^{[ 129 ]}

Como ya se ha señalado aquí, Faraday, y antes que él, Ampère y otros, intuían que el éter luminífero del espacio era también el medio para la acción eléctrica. Se sabía, mediante cálculos y experimentos, que la velocidad de la electricidad era aproximadamente de 186.000 millas por segundo; es decir, igual a la velocidad de la luz, lo que en sí mismo sugiere la idea de una relación entre la electricidad y la luz. Varios filósofos o matemáticos anteriores, como los denomina Maxwell, del siglo XIX, sostenían la opinión de que los fenómenos electromagnéticos podían explicarse mediante la acción a distancia. Maxwell, siguiendo a Faraday, sostenía que la sede de los fenómenos estaba en el medio. Los métodos de los matemáticos para llegar a sus resultados eran sintéticos, mientras que los métodos de Faraday eran analíticos. Faraday veía en su mente líneas de fuerza que atravesaban todo el espacio, donde los matemáticos veían centros de fuerza que se atraían a distancia. Faraday buscaba la sede de los fenómenos en acciones reales que tenían lugar en el medio; Estaban satisfechos de haberlo encontrado en un poder de acción a distancia sobre los fluidos eléctricos. ^{[ 130 ]}

Como señala Maxwell, ambos métodos habían logrado explicar la propagación de la luz como un fenómeno electromagnético, si bien las concepciones fundamentales sobre las magnitudes implicadas diferían radicalmente. Los matemáticos asumían que los aislantes eran barreras para las corrientes eléctricas; que, por ejemplo, en una botella de Leyden o un condensador eléctrico, la electricidad se acumulaba en una placa y que, mediante alguna acción oculta a distancia, una electricidad de tipo opuesto era atraída hacia la otra placa.

Maxwell, yendo más allá de Faraday, razonó que si la luz es un fenómeno electromagnético y se transmite a través de dieléctricos como el vidrio, dicho fenómeno debe tener la naturaleza de corrientes electromagnéticas en los dieléctricos. Por lo tanto, sostuvo que, en la carga de un condensador, por ejemplo, la acción no se detenía en el aislante, sino que se generaban corrientes de desplazamiento en el medio aislante, las cuales continuaban hasta que la fuerza de resistencia del medio igualaba la fuerza de carga. En un circuito cerrado de conductores, una corriente eléctrica también es un desplazamiento de electricidad.

El conductor ofrece cierta resistencia, similar a la fricción, al paso de la electricidad, y se genera calor en él, proporcional al cuadrado de la corriente (como ya se ha indicado), la cual fluye mientras persista la fuerza eléctrica impulsora . Esta resistencia puede compararse con la que encuentra un barco al desplazarse en el agua durante su navegación. La resistencia del dieléctrico es de naturaleza diferente y se ha comparado con la compresión de multitud de resortes, los cuales, al comprimirse, ceden con una contrapresión creciente, hasta que la contrapresión total iguala la presión inicial. Al retirar la presión inicial, la energía gastada al comprimir los "resortes" se devuelve al circuito, simultáneamente con el retorno de los resortes a su estado original, produciendo así una reacción en sentido contrario. En consecuencia, la corriente debida al desplazamiento de electricidad en un conductor puede ser continua, mientras que las corrientes de desplazamiento en un dieléctrico son momentáneas y, en un circuito o medio que contiene poca resistencia en comparación con la capacitancia o la inductancia, las corrientes de descarga son de naturaleza oscilatoria o alterna. ^{[ 131 ]}

Maxwell extendió esta visión de las corrientes de desplazamiento en dieléctricos al éter del espacio libre. Suponiendo que la luz es la manifestación de alteraciones de las corrientes eléctricas en el éter, y que vibra a la frecuencia de las vibraciones de la luz, estas vibraciones, por inducción, generan vibraciones correspondientes en porciones adyacentes del éter, y de esta manera las ondulaciones correspondientes a las de la luz se propagan como un efecto electromagnético en el éter. La teoría electromagnética de la luz de Maxwell implicaba, obviamente, la existencia de ondas eléctricas en el espacio libre, y sus seguidores se propusieron demostrar experimentalmente la veracidad de la teoría. Para 1871, Maxwell ya podía reflexionar sobre la filosofía de la ciencia. ^{[ 132 ] [ 133 ] : 214}

En 1887, el físico alemán Heinrich Hertz, mediante una serie de experimentos, demostró la existencia real de las ondas electromagnéticas , mostrando que las ondas electromagnéticas transversales en el espacio libre pueden viajar a cierta distancia, tal como predijeron Maxwell y Faraday. Hertz publicó su trabajo en un libro titulado: Ondas eléctricas: investigaciones sobre la propagación de la acción eléctrica con velocidad finita a través del espacio . ^{[ 134 ]} El descubrimiento de las ondas electromagnéticas en el espacio condujo al desarrollo de la radio a finales del siglo XIX.

El electrón como unidad de carga en electroquímica fue propuesto por G. Johnstone Stoney en 1874, quien también acuñó el término electrón en 1894. ^{[ 135 ]} El plasma fue identificado por primera vez en un tubo de Crookes , y así lo describió Sir William Crookes en 1879 (lo llamó "materia radiante"). ^{[ 136 ]} No debe pasarse por alto el papel de la electricidad en el descubrimiento de esos hermosos fenómenos del tubo de Crookes (debido a Sir William Crookes), a saber, los rayos catódicos, ^{[ 137 ]} y posteriormente en el descubrimiento de los rayos X o Roentgen , ya que sin la electricidad como excitador del tubo el descubrimiento de los rayos podría haberse pospuesto indefinidamente. Se ha señalado aquí que el Dr. William Gilbert fue denominado el fundador de la ciencia eléctrica. Sin embargo, esto debe considerarse una afirmación comparativa. ^{[ 11 ]}

Oliver Heaviside fue un erudito autodidacta que reformuló las ecuaciones de campo de Maxwell en términos de fuerzas eléctricas y magnéticas y flujo de energía, y fue co-formulador independiente del análisis vectorial .

A finales de la década de 1890, varios físicos propusieron que la electricidad, tal como se observaba en los estudios de conducción eléctrica en conductores, electrolitos y tubos de rayos catódicos , consistía en unidades discretas, a las que se les daban diversos nombres, pero la realidad de estas unidades no se había confirmado de manera concluyente. Sin embargo, también había indicios de que los rayos catódicos tenían propiedades ondulatorias. ^{[ 11 ]}

Faraday, Weber , Helmholtz , Clifford y otros vislumbraron esta visión; y los trabajos experimentales de Zeeman , Goldstein , Crookes, J.J. Thomson y otros la reforzaron considerablemente. Weber predijo que los fenómenos eléctricos se debían a la existencia de átomos eléctricos, cuya influencia entre sí dependía de su posición y aceleraciones y velocidades relativas. Helmholtz y otros también sostuvieron que la existencia de átomos eléctricos se derivaba de las leyes de electrólisis de Faraday , y Johnstone Stoney, a quien se debe el término "electrón", demostró que cada ion químico del electrolito descompuesto lleva una cantidad definida y constante de electricidad, y puesto que estos iones cargados están separados en los electrodos como sustancias neutras, debe haber un instante, por breve que sea, en el que las cargas deben ser capaces de existir por separado como átomos eléctricos; mientras que en 1887, Clifford escribió: "Hay muchas razones para creer que cada átomo material lleva consigo una pequeña corriente eléctrica, si es que no está compuesto enteramente de esta corriente". ^{[ 11 ]}

En 1896, J.J. Thomson realizó experimentos que indicaban que los rayos catódicos eran realmente partículas, halló un valor preciso para su relación carga-masa e/m y descubrió que e/m era independiente del material del cátodo. Realizó buenas estimaciones tanto de la carga e como de la masa m, y determinó que las partículas de rayos catódicos, a las que denominó "corpúsculos", tenían quizás una milésima parte de la masa del ion menos masivo conocido (hidrógeno). Además, demostró que las partículas con carga negativa producidas por materiales radiactivos, materiales calentados y materiales iluminados eran universales. La naturaleza de la materia de los " rayos catódicos " del tubo de Crookes fue identificada por Thomson en 1897. ^{[ 138 ]}

A finales del siglo XIX, Albert A. Michelson y Edward W. Morley llevaron a cabo el experimento de Michelson-Morley en lo que hoy es la Universidad Case Western Reserve . Generalmente se considera la evidencia en contra de la teoría de un éter luminífero . El experimento también ha sido denominado "el punto de partida de los aspectos teóricos de la Segunda Revolución Científica". ^{[ 139 ]} Principalmente por este trabajo, Michelson recibió el Premio Nobel en 1907. Dayton Miller continuó con los experimentos, realizando miles de mediciones y desarrollando finalmente el interferómetro más preciso del mundo en ese momento. Miller y otros, como Morley, continuaron con observaciones y experimentos relacionados con los conceptos. ^{[ 140 ]} Diversas teorías propuestas sobre el arrastre del éter podrían explicar el resultado nulo, pero estas eran más complejas y tendían a utilizar coeficientes y supuestos físicos aparentemente arbitrarios. ^{[ 11 ]}

A finales del siglo XIX, los ingenieros eléctricos se habían consolidado como una profesión independiente, separada de los físicos e inventores. Crearon empresas que investigaron, desarrollaron y perfeccionaron las técnicas de transmisión de electricidad, y obtuvieron el apoyo de gobiernos de todo el mundo para la creación de la primera red mundial de telecomunicaciones eléctricas: la red telegráfica . Entre los pioneros de este campo se encontraban Werner von Siemens , fundador de Siemens AG en 1847, y John Pender , fundador de Cable & Wireless .

William Stanley realizó la primera demostración pública de un transformador que permitió la distribución comercial de corriente alterna en 1886. ^{[ 141 ]} Un electricista británico, JEH Gordon , construyó grandes generadores de corriente alterna bifásica ^{[ 142 ]} en 1882. Lord Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrollaron alternadores primitivos, que producían frecuencias entre 100 y 300 hercios. Después de 1891, se introdujeron alternadores polifásicos para suministrar corrientes de múltiples fases diferentes. ^{[ 143 ]} Los alternadores posteriores se diseñaron para frecuencias de corriente alterna variables entre dieciséis y aproximadamente cien hercios, para su uso con iluminación de arco, iluminación incandescente y motores eléctricos. ^{[ 144 ]}

La posibilidad de obtener corriente eléctrica en grandes cantidades y de forma económica mediante máquinas dinamoeléctricas impulsó el desarrollo de la iluminación incandescente y de arco. Hasta que estas máquinas alcanzaron una base comercial, las baterías voltaicas fueron la única fuente de corriente disponible para la iluminación y la energía eléctrica. Sin embargo, el costo de estas baterías y las dificultades para mantenerlas en funcionamiento fiable impidieron su uso práctico para la iluminación. La fecha de inicio del uso de lámparas de arco e incandescentes se sitúa alrededor de 1877. ^{[ 11 ]}

Sin embargo, incluso en 1880, se había avanzado poco en el uso generalizado de estas lámparas; el rápido crecimiento posterior de esta industria es de conocimiento general. ^{[ 145 ]} El uso de baterías de almacenamiento , que originalmente se denominaban baterías secundarias o acumuladores, comenzó alrededor de 1879. Dichas baterías se utilizan ahora a gran escala como auxiliares de la máquina dinamo en centrales eléctricas y subestaciones, en automóviles eléctricos y en cantidades inmensas en sistemas de encendido y arranque de automóviles, así como en sistemas de telegrafía de alarma contra incendios y otros sistemas de señalización. ^{[ 11 ]}

Para la Exposición Internacional Colombina de 1893 en Chicago, General Electric propuso alimentar toda la feria con corriente continua . Westinghouse superó ligeramente la oferta de GE y aprovechó la feria para presentar su sistema basado en corriente alterna, demostrando cómo este sistema podía alimentar motores polifásicos y todas las demás exhibiciones de CA y CC de la feria. ^{[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ]}

La Segunda Revolución Industrial, también conocida como Revolución Tecnológica, fue una fase de rápida industrialización que tuvo lugar en el último tercio del siglo XIX y principios del XX. Junto con la expansión de los ferrocarriles , la producción de hierro y acero , el uso generalizado de maquinaria en la fabricación, el aumento considerable del uso de la energía de vapor y el petróleo , este período fue testigo de la expansión del uso de la electricidad y la adaptación de la teoría electromagnética para el desarrollo de diversas tecnologías.

En la década de 1880 se produjo la expansión de los sistemas de energía eléctrica comerciales a gran escala, utilizados inicialmente para iluminación y posteriormente para energía electromotriz y calefacción. Los primeros sistemas empleaban corriente alterna y corriente continua . La generación de energía centralizada a gran escala fue posible cuando se reconoció que las líneas de energía eléctrica de corriente alterna podían utilizar transformadores para aprovechar el hecho de que cada duplicación del voltaje permitiría que un cable del mismo tamaño transmitiera la misma cantidad de energía cuatro veces a mayor distancia. Los transformadores se utilizaban para elevar el voltaje en el punto de generación (un valor representativo es el voltaje del generador en el rango de kilovoltios bajos) a un voltaje mucho mayor (decenas de miles a varios cientos de miles de voltios) para la transmisión primaria, seguido de varias transformaciones descendentes, para uso comercial y doméstico. ^{[ 11 ]} Entre 1885 y 1890 se desarrollaron corrientes polifásicas combinadas con inducción electromagnética y motores de inducción de CA prácticos . ^{[ 149 ]}

La Exposición Electrotécnica Internacional de 1891 presentó la transmisión a larga distancia de corriente eléctrica trifásica de alta potencia. Se celebró entre el 16 de mayo y el 19 de octubre en el emplazamiento en desuso de las tres antiguas estaciones de ferrocarril del oeste de Fráncfort del Meno. La exposición presentó la primera transmisión a larga distancia de corriente eléctrica trifásica de alta potencia, generada a 175  km de distancia en Lauffen am Neckar. Como resultado de esta exitosa prueba de campo, la corriente trifásica se consolidó en las redes de transmisión eléctrica de todo el mundo. ^{[ 11 ]}

Mucho se hizo en la dirección de la mejora de las instalaciones terminales ferroviarias, y es difícil encontrar un ingeniero de ferrocarriles de vapor que hubiera negado que todos los ferrocarriles de vapor importantes de este país no funcionarían eléctricamente. En otras direcciones, se esperaba que el progreso de los acontecimientos en cuanto a la utilización de la energía eléctrica fuera igualmente rápido. En todas partes del mundo, la energía del agua en caída, la máquina de movimiento perpetuo de la naturaleza, que se ha estado desperdiciando desde el principio del mundo, ahora se está convirtiendo en electricidad y transmitiéndose por cable a cientos de kilómetros hasta puntos donde se emplea de manera útil y económica. ^{[ 11 ] [ 150 ]}

El primer molino de viento para la producción de electricidad fue construido en Escocia en julio de 1887 por el ingeniero eléctrico escocés James Blyth . ^{[ 151 ]} Al otro lado del Atlántico, en Cleveland, Ohio, una máquina más grande y de ingeniería compleja fue diseñada y construida entre 1887 y 1888 por Charles F. Brush , ^{[ 152 ]} esta fue construida por su compañía de ingeniería en su casa y operó desde 1886 hasta 1900. ^{[ 153 ]} La turbina eólica de Brush tenía un rotor de 56 pies (17 m) de diámetro y estaba montada sobre una torre de 60 pies (18 m). Aunque grande para los estándares actuales, la máquina solo tenía una potencia nominal de 12 kW; giraba relativamente despacio ya que tenía 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 cayó en desuso después de 1900 cuando la electricidad estuvo disponible desde las estaciones centrales de Cleveland, y fue abandonada en 1908. ^{[ 154 ]}   

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 llamada "visión electromagnética del mundo"). Esto estaba relacionado con la teoría del electrón desarrollada entre 1892 y 1904 por Hendrik Lorentz . Lorentz introdujo una estricta separación entre la materia (electrones) y el éter, de modo que, en su modelo, el éter permanece completamente inmóvil y no se mueve en las proximidades de la materia ponderable. A diferencia de otros modelos de electrones anteriores, el campo electromagnético del éter actúa como mediador entre los electrones, y los cambios en este campo no pueden propagarse a una velocidad superior a la de la luz.

En 1896, tres años después de presentar su tesis sobre el efecto Kerr , Pieter Zeeman desobedeció las órdenes directas de su supervisor y utilizó equipos de laboratorio para medir la división de las líneas espectrales por un campo magnético intenso. Lorentz explicó teóricamente el efecto Zeeman basándose en su teoría, por la cual ambos recibieron el Premio Nobel de Física en 1902. Un concepto fundamental de la teoría de Lorentz en 1895 fue el "teorema de los estados correspondientes" para términos de orden v/c. Este teorema establece que un observador en movimiento (con respecto al éter) realiza las mismas observaciones que un observador en reposo. Este teorema fue extendido a términos de todos los órdenes por Lorentz en 1904. Lorentz notó que era necesario cambiar las variables espacio-temporales al cambiar de marcos e introdujo conceptos como la contracción de longitud física (1892) para explicar el experimento de Michelson-Morley, y el concepto matemático de tiempo local (1895) para explicar la aberración de la luz y el experimento de Fizeau . Esto resultó en la formulación de la llamada transformación de Lorentz por Joseph Larmor (1897, 1900) y Lorentz (1899, 1904). ^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]} Como Lorentz señaló más tarde (1921, 1928), consideraba el tiempo indicado por los relojes que descansaban en el éter como el tiempo "verdadero", mientras que el tiempo local era visto por él como una hipótesis de trabajo heurística y un artificio matemático. ^{[ 159 ] [ 160 ]} Por lo tanto, los historiadores modernos consideran que el teorema de Lorentz es una transformación matemática de un sistema "real" que reposa en el éter a un sistema "ficticio" en movimiento. ^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]}

Continuando la labor de Lorentz, Henri Poincaré, entre 1895 y 1905, formuló en numerosas ocasiones el principio de relatividad e intentó armonizarlo con la electrodinámica. Declaró que la simultaneidad era solo una convención conveniente que dependía de la velocidad de la luz, por lo que la constancia de la velocidad de la luz sería un postulado útil para simplificar al máximo las leyes de la naturaleza. En 1900 interpretó el tiempo local de Lorentz como el resultado de la sincronización de relojes mediante señales luminosas e introdujo el momento electromagnético comparando la energía electromagnética con lo que denominó un "fluido ficticio" de masa.${\displaystyle m=E/c^{2}}$Finalmente, en junio y julio de 1905, declaró el principio de relatividad como una ley general de la naturaleza, incluyendo la gravitación. Corrigió algunos errores de Lorentz y demostró la covarianza de Lorentz de las ecuaciones electromagnéticas. Poincaré también sugirió la existencia de fuerzas no eléctricas que estabilizan la configuración electrónica y afirmó que la gravitación es también una fuerza no eléctrica, contrariamente a la visión electromagnética del mundo. Sin embargo, los historiadores señalaron que aún utilizaba la noción de éter y distinguía entre tiempo «aparente» y «real», por lo que no inventó la relatividad especial en su comprensión moderna. ^{[ 158 ] [ 161 ] [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ]}

En 1905, mientras trabajaba en la oficina de patentes, Albert Einstein publicó cuatro artículos en Annalen der Physik , la principal revista alemana de física. Estos son los artículos que la historia ha llegado a conocer como los artículos del Annus Mirabilis :

• Su artículo sobre la naturaleza corpuscular de la luz planteó la idea de que ciertos resultados experimentales, en particular el efecto fotoeléctrico , podían entenderse simplemente a partir del postulado de que la luz interactúa con la materia como "paquetes" discretos ( cuantos ) de energía, una idea que Max Planck había introducido en 1900 como una manipulación puramente matemática y que parecía contradecir las teorías ondulatorias contemporáneas de la luz ( Einstein 1905a ) . Este fue el único trabajo de Einstein que él mismo calificó de "revolucionario".
• Su artículo sobre el movimiento browniano explicaba el movimiento aleatorio de objetos muy pequeños como evidencia directa de la acción molecular, apoyando así la teoría atómica . ( Einstein 1905b )
• Su artículo sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento introdujo la teoría radical de la relatividad especial , que demostró que la independencia observada de la velocidad de la luz respecto al estado de movimiento del observador requería cambios fundamentales en la noción de simultaneidad . Entre las consecuencias de esto se incluye la ralentización y contracción del marco espacio-temporal de un cuerpo en movimiento (en la dirección del movimiento) con respecto al marco del observador. Este artículo también argumentó que la idea de un éter luminífero —una de las principales entidades teóricas de la física de la época— era superflua. ( Einstein, 1905c )
• En su artículo sobre la equivalencia masa-energía (considerados anteriormente conceptos distintos), Einstein dedujo de sus ecuaciones de la relatividad especial lo que más tarde se convertiría en la conocida expresión:${\displaystyle E=mc^{2}}$lo que sugiere que pequeñas cantidades de masa podrían convertirse en enormes cantidades de energía. ( Einstein 1905d )

Hoy en día, los cuatro artículos son reconocidos como logros extraordinarios, y por ello 1905 se conoce como el « Año Maravilloso » de Einstein. Sin embargo, en aquel momento, la mayoría de los físicos no los consideraron importantes, y muchos de los que sí los reconocieron los rechazaron de plano. Parte de este trabajo, como la teoría de los cuantos de luz, siguió siendo objeto de controversia durante años. ^{[ 166 ] [ 167 ]}

La primera formulación de una teoría cuántica que describe la interacción entre la radiación y la materia se debe a Paul Dirac , quien, durante 1920, fue el primero en calcular el coeficiente de emisión espontánea de un átomo . ^{[ 168 ]} Paul Dirac describió la cuantización del campo electromagnético como un conjunto de osciladores armónicos con la introducción del concepto de operadores de creación y aniquilación de partículas. En los años siguientes, con las contribuciones de Wolfgang Pauli , Eugene Wigner , Pascual Jordan , Werner Heisenberg y una elegante formulación de la electrodinámica cuántica debida a Enrico Fermi , ^{[ 169 ]} los físicos llegaron a creer que, en principio, sería posible realizar cualquier cálculo para cualquier proceso físico que involucrara fotones y partículas cargadas. Sin embargo, estudios posteriores realizados por Felix Bloch con Arnold Nordsieck , ^{[ 170 ]} y Victor Weisskopf , ^{[ 171 ]} en 1937 y 1939, revelaron que tales cálculos eran fiables solo en un primer orden de la teoría de perturbaciones , un problema ya señalado por Robert Oppenheimer . ^{[ 172 ]} En órdenes superiores de la serie surgieron infinitos, lo que hizo que tales cálculos carecieran de sentido y generó serias dudas sobre la consistencia interna de la propia teoría. Sin una solución conocida para este problema en ese momento, parecía que existía una incompatibilidad fundamental entre la relatividad especial y la mecánica cuántica .

En diciembre de 1938, los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann enviaron un manuscrito a Naturwissenschaften informando que habían detectado el elemento bario tras bombardear uranio con neutrones ; ^{[ 173 ]} simultáneamente, comunicaron estos resultados a Lise Meitner . Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch interpretaron correctamente estos resultados como fisión nuclear . ^{[ 174 ]} Frisch lo confirmó experimentalmente el 13  de enero de 1939. ^{[ 175 ]} En 1944, Hahn recibió el Premio Nobel de Química por el descubrimiento de la fisión nuclear. Algunos historiadores que han documentado la historia del descubrimiento de la fisión nuclear creen que Meitner debería haber recibido el Premio Nobel junto con Hahn. ^{[ 176 ] [ 177 ] [ 178 ]}

Las dificultades con la teoría cuántica aumentaron hasta finales de 1940. Las mejoras en la tecnología de microondas permitieron tomar mediciones más precisas del desplazamiento de los niveles de un átomo de hidrógeno , ^{[ 179 ]} ahora conocido como desplazamiento de Lamb y momento magnético del electrón. ^{[ 180 ]} Estos experimentos expusieron inequívocamente discrepancias que la teoría no podía explicar. Con la invención de las cámaras de burbujas y las cámaras de chispas en la década de 1950, la física experimental de partículas descubrió un gran y creciente número de partículas llamadas hadrones . Parecía que tal gran número de partículas no podían ser todas fundamentales .

Poco después del fin de la guerra en 1945, Bell Labs formó un Grupo de Física del Estado Sólido, liderado por William Shockley y el químico Stanley Morgan; entre otros miembros del equipo se encontraban John Bardeen y Walter Brattain , el físico Gerald Pearson, el químico Robert Gibney, el experto en electrónica Hilbert Moore y varios técnicos. Su misión era buscar una alternativa de estado sólido a los frágiles amplificadores de tubo de vacío de vidrio . Sus primeros intentos se basaron en las ideas de Shockley sobre el uso de un campo eléctrico externo sobre un semiconductor para afectar su conductividad. Estos experimentos fracasaron en todas las ocasiones, independientemente de las configuraciones y los materiales utilizados. El grupo se encontraba estancado hasta que Bardeen propuso una teoría que invocaba estados superficiales que impedían que el campo penetrara en el semiconductor. El grupo cambió su enfoque para estudiar estos estados superficiales y se reunían casi a diario para discutir el trabajo. La relación entre los miembros del grupo era excelente y las ideas se intercambiaban libremente. ^{[ 181 ]}

En cuanto a los problemas en los experimentos con electrones, Hans Bethe ofreció una solución . En 1947, mientras viajaba en tren de Nueva York a Schenectady , ^{[ 182 ]} después de dar una charla en la conferencia de Shelter Island sobre el tema, Bethe completó el primer cálculo no relativista del desplazamiento de las líneas del átomo de hidrógeno medido por Lamb y Retherford. ^{[ 183 ]} ​​A pesar de las limitaciones del cálculo, la concordancia fue excelente. La idea era simplemente añadir infinitos a las correcciones de masa y carga que, en realidad, estaban fijadas a un valor finito por los experimentos. De esta forma, los infinitos se absorben en esas constantes y producen un resultado finito en buena concordancia con los experimentos. Este procedimiento se denominó renormalización .

Basándose en la intuición de Bethe y en trabajos fundamentales sobre el tema de Shin'ichirō Tomonaga , ^{[ 184 ]} Julian Schwinger , ^{[ 185 ] [ 186 ]} Richard Feynman ^{[ 187 ] [ 188 ] [ 189 ]} y Freeman Dyson , ^{[ 190 ] [ 191 ]} finalmente fue posible obtener formulaciones totalmente covariantes que eran finitas en cualquier orden en una serie de perturbaciones de electrodinámica cuántica. Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger y Richard Feynman fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobel de Física en 1965 por su trabajo en esta área. ^{[ 192 ]} Sus contribuciones, y las de Freeman Dyson , fueron sobre formulaciones covariantes e invariantes de gauge de electrodinámica cuántica que permiten cálculos de observables en cualquier orden de la teoría de perturbaciones . La técnica matemática de Feynman, basada en sus diagramas , inicialmente parecía muy diferente del enfoque de Schwinger y Tomonaga, basado en operadores y teoría de campos, pero Freeman Dyson demostró posteriormente que ambos enfoques eran equivalentes. ^{[ 190 ]} La renormalización , la necesidad de atribuir un significado físico a ciertas divergencias que aparecen en la teoría a través de integrales , se ha convertido posteriormente en uno de los aspectos fundamentales de la teoría cuántica de campos y ha llegado a considerarse un criterio para la aceptabilidad general de una teoría. Aunque la renormalización funciona muy bien en la práctica, Feynman nunca se sintió del todo cómodo con su validez matemática, llegando incluso a referirse a ella como un "juego de conchas" y "hocus pocus". ^{[ 193 ]} La QED ha servido como modelo y plantilla para todas las teorías cuánticas de campos posteriores. Peter Higgs , Jeffrey Goldstone y otros, Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam demostraron independientemente cómo la fuerza nuclear débil y la electrodinámica cuántica podían fusionarse en una única fuerza electrodébil .

Robert Noyce reconoció a Kurt Lehovec el principio de aislamiento de la unión p-n causado por la acción de una unión pn polarizada (el diodo) como un concepto clave detrás del circuito integrado . ^{[ 194 ]} Jack Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958 y demostró con éxito el primer circuito integrado funcional el 12 de septiembre de 1958. ^{[ 195 ]} En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como "un cuerpo de material semiconductor... en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados". ^{[ 196 ]} Kilby ganó el Premio Nobel de Física 2000 por su parte de la invención del circuito integrado. ^{[ 197 ]} Robert Noyce también concibió su propia idea de un circuito integrado medio año después que Kilby. El chip de Noyce resolvió muchos problemas prácticos que el de Kilby no había resuelto. El chip de Noyce, fabricado en Fairchild Semiconductor , estaba hecho de silicio , mientras que el chip de Kilby estaba hecho de germanio .

Philo Farnsworth desarrolló el Fusor Farnsworth-Hirsch , o simplemente fusor, un aparato diseñado por Farnsworth para crear fusión nuclear . A diferencia de la mayoría de los sistemas de fusión controlada, que calientan lentamente un plasma confinado magnéticamente , el fusor inyecta iones de alta temperatura directamente en una cámara de reacción, evitando así una considerable complejidad. Cuando el Fusor Farnsworth-Hirsch se presentó por primera vez al mundo de la investigación de la fusión a finales de la década de 1960, fue el primer dispositivo que pudo demostrar claramente que producía reacciones de fusión. En aquel momento, había grandes esperanzas de que pudiera convertirse rápidamente en una fuente de energía práctica. Sin embargo, al igual que con otros experimentos de fusión, su desarrollo como fuente de energía ha resultado difícil. No obstante, el fusor se ha convertido desde entonces en una fuente de neutrones práctica y se produce comercialmente para este fin. ^{[ 198 ]}

La imagen especular de un electroimán produce un campo con polaridad opuesta. Por lo tanto, los polos norte y sur de un imán tienen la misma simetría que la izquierda y la derecha. Antes de 1956, se creía que esta simetría era perfecta y que un técnico no podría distinguir los polos norte y sur de un imán excepto por referencia a la izquierda y la derecha. En ese año, T. D. Lee y C. N. Yang predijeron la no conservación de la paridad en la interacción débil. Para sorpresa de muchos físicos, en 1957 C. S. Wu y colaboradores de la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. demostraron que, bajo condiciones adecuadas para la polarización de los núcleos, la desintegración beta del cobalto-60 libera preferentemente electrones hacia el polo sur de un campo magnético externo y una cantidad algo mayor de rayos gamma hacia el polo norte. Como resultado, el aparato experimental no se comporta de manera comparable con su imagen especular. ^{[ 199 ] [ 200 ] [ 201 ]}

El primer paso hacia el Modelo Estándar fue el descubrimiento de Sheldon Glashow , en 1960, de una forma de combinar las interacciones electromagnética y débil . ^{[ 202 ]} En 1967, Steven Weinberg ^{[ 203 ]} y Abdus Salam ^{[ 204 ]} incorporaron el mecanismo de Higgs ^{[ 205 ] [ 206 ] [ 207 ]} a la teoría electrodébil de Glashow , dándole su forma moderna. Se cree que el mecanismo de Higgs da origen a las masas de todas las partículas elementales en el Modelo Estándar. Esto incluye las masas de los bosones W y Z , y las masas de los fermiones , es decir, los quarks y los leptones . Después de que las corrientes débiles neutras causadas por el intercambio de bosones Z fueron descubiertas en el CERN en 1973, ^{[ 208 ] [ 209 ] [ 210 ] [ 211 ]} la teoría electrodébil fue ampliamente aceptada y Glashow, Salam y Weinberg compartieron el Premio Nobel de Física de 1979 por su descubrimiento. Los bosones W y Z fueron descubiertos experimentalmente en 1981, y se encontró que sus masas eran como predecía el Modelo Estándar. La teoría de la interacción fuerte , a la que muchos contribuyeron, adquirió su forma moderna alrededor de 1973-74, cuando los experimentos confirmaron que los hadrones estaban compuestos de quarks con carga fraccionaria. Con el establecimiento de la cromodinámica cuántica en la década de 1970, se finalizó un conjunto de partículas fundamentales y de intercambio, lo que permitió establecer un " modelo estándar " basado en las matemáticas de la invariancia de gauge , que describió con éxito todas las fuerzas excepto la gravedad, y que sigue siendo generalmente aceptado dentro del dominio al que está diseñado para aplicarse.

El «modelo estándar» agrupa la teoría de la interacción electrodébil y la cromodinámica cuántica en una estructura denominada grupo de gauge SU(3)×SU(2)×U(1) . La formulación de la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles en el modelo estándar se debe a Abdus Salam , Steven Weinberg y, posteriormente, a Sheldon Glashow . Tras el descubrimiento, realizado en el CERN , de la existencia de corrientes débiles neutras , ^{[ 212 ] [ 213 ] [ 214 ] [ 215 ]} mediadas por el bosón Z previsto en el modelo estándar, los físicos Salam, Glashow y Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física de 1979 por su teoría electrodébil. ^{[ 216 ]} Desde entonces, los descubrimientos del quark bottom (1977), el quark top (1995), el neutrino tau (2000) y el bosón de Higgs (2012) han dado credibilidad al Modelo Estándar.

Existe una variedad de tecnologías energéticas emergentes . Para 2007, los condensadores eléctricos de doble capa de estado sólido a escala micrométrica, basados ​​en conductores superiónicos avanzados, se utilizaban en electrónica de bajo voltaje, como la nanoelectrónica de voltaje muy inferior al normal y tecnologías relacionadas (el  nodo tecnológico de 22 nm de CMOS y posteriores). Asimismo, la batería de nanocables , una batería de iones de litio, fue inventada por un equipo liderado por el Dr. Yi Cui en 2007.

Una Teoría de Gran Unificación (GUT, por sus siglas en inglés) es un modelo de física de partículas en el que, a altas energías, la fuerza electromagnética se fusiona con las otras dos interacciones de gauge del Modelo Estándar : las fuerzas nucleares débil y fuerte . Se han propuesto numerosas candidatas, pero ninguna cuenta con respaldo experimental directo. Las GUT suelen considerarse pasos intermedios hacia una " Teoría del Todo " (TOE, por sus siglas en inglés), una supuesta teoría de la física teórica que explica y relaciona completamente todos los fenómenos físicos conocidos y que, idealmente, tiene capacidad predictiva para el resultado de cualquier experimento que pudiera llevarse a cabo. Sin embargo, ninguna teoría de este tipo ha sido aceptada aún por la comunidad científica.

El monopolo magnético ^{[ 222 ]} en la teoría cuántica de la carga magnética comenzó con un artículo del físico Paul AM Dirac en 1931. ^{[ 223 ]} La detección de monopolos magnéticos es un problema abierto en la física experimental. En algunos modelos teóricos , es improbable que se observen monopolos magnéticos, porque son demasiado masivos para ser creados en aceleradores de partículas , y también demasiado raros en el Universo para entrar en un detector de partículas con mucha probabilidad.

Tras más de veinte años de investigación intensiva, el origen de la superconductividad de alta temperatura aún no está claro, pero parece que, en lugar de mecanismos de atracción electrón-fonón , como en la superconductividad convencional, se trata de mecanismos electrónicos genuinos (por ejemplo, mediante correlaciones antiferromagnéticas ), y en lugar de apareamientos de onda s , los apareamientos de onda d ^{[ 224 ]} son ​​sustanciales. ^{[ 225 ]} Uno de los objetivos de toda esta investigación es la superconductividad a temperatura ambiente . ^{[ 226 ]}