El disco de Aragó: análisis electrodinámico de rotores discoidales conductores

Abstract

(English) In this thesis, important ideas like electricity, magnetism, electric motors, special relativity, and history are explained. This is because, on the one hand, the historical memory of Francesc Aragó, a 19th-century scientist whose experiments were essential in the development of electromagnetism and special relativity, is recovered. His technical knowledge and curiosity allowed him to conduct two crucial experiments of the 19th century, the Aragó disk and the determination of the constancy of the speed of light. At first, these experiments seem completely disconnected from each other, as they did in the 19th century. However, as presented in this thesis, they are related by the common denominator of relative speed, an essential aspect of special relativity.

The Aragó disk was a controversial experiment on rotational magnetism, forgotten today, but it caused great excitement in the 19th century. So much so that Faraday abandoned his experiments on chemical electrolysis to study the Aragó disk. The final result was the Faraday disk and, therefore, the origin of all generators and electric motors. However, the Faraday disk also presents controversies, such as the so-called Faraday paradox, which we have developed in this thesis and resolved through its relationship with the principle of conservation of angular momentum and the application of the second law of thermodynamics. With the purpose of experimenting, deducing, and analyzing to achieve a better theoretical understanding of rotational motion related to magnetism, an Aragó disk and two Faraday disks have been constructed, one as a generator and the other as a motor. Based on these results, new electrodynamic devices have been designed and built, based on the research on the Faraday disk conducted by Dr. Albert Serra. These experiments have provided indications for the construction of new electric motors that operate at high intensities and without an externally applied magnetic field. We have built this electric motors and called them Electrodynamic Turbines.

In its study, the theory of special relativity has been applied to understand the relativistic origin of the magnetic field and has been applied in the construction of an experiment that we have called the relativistic coil. Concluding that relativity provides a new vision of electromagnetic behavior in a coil. A historiographical study has been carried out on the attempts to determine the relative speed between the Earth and the stars. Observations that influenced Aragó and his measurement of the speed of light as a universal constant.

Einstein, in his 1905 article "On the Electrodynamics of Moving Bodies," only refers to one experiment, which is the Faraday disk. And regarding the principle of the constancy of the speed of light, which Einstein adopts, it is based on the experiment to determine the speed of light conducted by Aragó and Fresnel. We conclude that Francesc Aragó decisively influenced the science of his time in a key aspect for subsequent centuries, electromagnetism. So much so that two of his experiments were essential for Einstein's inspiration in developing the theory of special relativity

(Català) En aquesta tesi es desenvolupen conceptes tan amplis com l'electricitat, el magnetisme, motors elèctrics, la relativitat especial i la historiografia. Això és així perquè, d'una banda, es recupera la memòria històrica de Francesc Aragó, científic del segle XIX, els experiments del qual van ser essencials en el desenvolupament de l'electromagnetisme i de la relativitat especial. La seva habilitat i curiositat li van permetre realitzar dos experiments crucials del segle XIX, el disc d'Aragó i la determinació de la velocitat de la llum com una constant universal. Al principi semblen experiments totalment desconnectats l'un de l'altre, i així semblava al segle XIX. No obstant això, com es demostra en aquesta tesi, estan relacionats amb el denominador comú de la velocitat relativa, aspecte essencial en la relativitat especial.

El disc d'Aragó va ser un experiment controvertit sobre el magnetisme de rotació, oblidat avui en dia, però va causar una gran expectació al segle XIX. Tant és així que Faraday va abandonar els seus experiments sobre electròlisi química per dedicar-se a l'estudi del disc d'Aragó. El resultat final va ser el disc de Faraday i, per tant, l'origen de tots els generadors i motors elèctrics. No obstant això, el disc de Faraday presenta també controvèrsies, com la denominada paradoxa de Faraday, que hem desenvolupat en aquesta tesi i resolt mitjançant la seva relació amb el principi de conservació del moment angular i l'aplicació de la segona llei de la termodinàmica.

Amb el propòsit d'experimentar, deduir i analitzar per aconseguir una millor comprensió teòrica sobre el moviment de rotació relacionat amb el magnetisme, s'ha construït un disc d'Aragó i dos discos de Faraday, un com a generador i l'altre com a motor. A partir d'aquests resultats s'han dissenyat i construït nous dispositius electrodinàmics, basats en les investigacions sobre el disc de Faraday realitzades pel Dr. Albert Serra. Aquests experiments han proporcionat indicis sobre la construcció de nous motors elèctrics que funcionen a altes intensitats i sense camp magnètic extern aplicat. Motors elèctrics que s'han construït i denominat com a Turbines Electrodinàmiques. De la qual s'ha obtingut una patent d'invenció amb el número ES-2527783_B1.

En el seu estudi s'ha aplicat la teoria de la relativitat especial per comprendre l'origen relativista del camp magnètic i s'ha aplicat en la construcció d'un experiment que ha denominat la bobina relativista. Concloent que la relativitat aporta una nova visió del comportament electromagnètic en una bobina.

S'ha realitzat un estudi historiogràfic sobre els intents per determinar la velocitat relativa entre la Terra i les estrelles. Observacions que influeixen en Aragó i la seva mesura de la velocitat de la llum com una constant universal. Einstein en el seu article de 1905 Sobre l'electrodinàmica dels cossos en moviment només fa referència a un experiment i és el disc de Faraday. I pel que fa al principi de la constància de la velocitat de la llum en el buit, que Einstein adopta, es basa en l'experiment per determinar la velocitat de la llum realitzat per Aragó i Fresnel. Concloem que Francesc Aragó va influir decisivament en la ciència de la seva època en un aspecte clau per als segles posteriors, l'electromagnetisme. Tant és així, que dos dels seus experiments van ser essencials per a la inspiració d'Einstein en l'elaboració de la teoria de la relativitat especial.

(Español) En esta tesis se desarrollan conceptos tan amplios como la electricidad, el magnetismo, motores eléctricos, la relatividad especial y la historiografía. Esto es así porque por una parte se recupera la memoria histórica de Francesc Aragó, científico del siglo XIX, cuyos experimentos fueron esenciales en el desarrollo del electromagnetismo y de la relatividad especial. Su habilidad y curiosidad le permitieron realizar dos experimentos cruciales del siglo XIX, el disco de Aragó y la determinación de la velocidad de la luz como una constante universal. En un principio parecen experimentos totalmente desconectados uno del otro, y así parecía en el siglo XIX. Sin embargo, como se demuestra en esta tesis, están relacionados con el denominador común de la velocidad relativa, aspecto esencial en la relatividad especial.

El disco de Aragó fue un experimento controvertido sobre el magnetismo de rotación, olvidado hoy en día, pero causó una gran expectación en el siglo XIX. Tanto es así que Faraday abandono sus experimentos sobre electrólisis química para dedicarse al estudio del disco de Aragó. El resultado final fue el disco de Faraday y por tanto el origen de todos los generados y motores eléctricos. Sin embargo el disco de Faraday presenta también controversias, como la denominada paradoja de Faraday, que hemos desarrollado en esta tesis y resuelto mediante su relación con el principio de conservación del momento angular y la aplicación de la segunda ley de la termodinámica.

Con el propósito de experimentar, deducir y analizar para conseguir una mejor comprensión teórica sobre el movimiento de rotación relacionado con el magnetismo, se ha construido un disco de Aragó y dos discos de Faraday, uno como generador y otro como motor. A partir de estos resultados se han diseñado y construido nuevos dispositivos electrodinámicos, basados en las investigaciones sobre el disco de Faraday realizados por el Dr. Albert Serra. Estos experimentos han proporcionado indicios sobre la construcción de nuevos motores eléctricos que funcionan a altas intensidades y sin campo magnético externo aplicado. Motores eléctricos que se han construido y denominado como Turbinas Electrodinámicas.

En su estudio se ha aplicado la teoría de la relatividad especial para comprender el origen relativista del campo magnético y se ha aplicado en la construcción de un experimento que denominado la bobina relativista. Concluyendo que la relatividad aporta una nueva visión del comportamiento electromagnético en una bobina.

Se ha realizado un estudio historiográfico sobre los intentos por determinar la velocidad relativa entre la Tierra y las estrellas. Observaciones que influyen en Aragó y su medida de la velocidad de la luz como una constante universal. Einstein en su articulo de 1905 Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento solamente hace referencia a un experimento y es el disco de Faraday. Y en cuanto se refiere al principio de la constancia de la velocidad de la luz en el vacío, que Einstein adopta, se basa en el experimento para determinar la velocidad de la luz realizado por Aragó y Fresnel. Concluimos que Francesc Aragó influyó decisivamente en la ciencia de su época en un aspecto clave para los siglos posteriores, el electromagnetismo. Tanto es así, que dos de sus experimentos fueron esenciales para la inspiración de Einstein en la elaboración de la teoría de la relatividad especial.