El electromagnetismo es la rama de la física que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Se trata además de una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la gravitatoria, la nuclear fuerte y la nuclear débil.
Definición y Características Fundamentales de las Ondas Electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas, a diferencia de las ondas mecánicas, no requieren de un medio para propagarse, no obstante, las ondas electromagnéticas portan energía de una región del espacio a otra. El campo electromagnético tiene dos componentes, la componente eléctrica y la componente magnética. Las ondas electromagnéticas se crean como resultado de las vibraciones entre un campo eléctrico y un campo magnético. Las ondas electromagnéticas nacen cuando un campo eléctrico entra en contacto con un campo magnético. De ahí que se conozcan como ondas electromagnéticas. El campo eléctrico y el campo magnético de una onda electromagnética son perpendiculares (en ángulo recto) entre sí. Éstas son ondas que se propagan por el espacio en línea recta cuando no encuentran obstáculos a su paso.
La función de las ondas electromagnéticas es el transporte de energía de una zona del espacio a otra. Las ondas electromagnéticas son invisibles, pero su tránsito es constante y es esencial para que funcionen muchos dispositivos que se utilizan en el día a día. Una onda electromagnética puede viajar a través de cualquier elemento y objeto, ya sea aire, un material sólido o el vacío. Las ondas electromagnéticas viajan a una velocidad constante de 3.00 x 108 ms-1 en el vacío. No se desvían ni por el campo eléctrico ni por el campo magnético. La velocidad de la luz también es una referencia para medir la velocidad de la onda electromagnética.
La radiación electromagnética es el producto de la variación periódica de los campos eléctrico y magnético. Un campo es una región del espacio en la que la materia está sometida a algún tipo de fuerza. La luz visible es un tipo de radiación electromagnética. A veces se comporta como una onda que se propaga en el espacio, y otras veces se comporta como un conjunto de fotones. Como ya hemos visto, la radiación electromagnética puede ser descrita como una onda. La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos consecutivos de la onda. La frecuencia (ν) se define como el número de máximos que pasan por un punto en un tiempo determinado. Debido a que la velocidad de la luz es constante e igual a c, existe una relación directa entre la frecuencia y la longitud de onda, ya que dada una longitud de onda determinada, si sabemos que la onda se desplaza a velocidad c, para saber el número de veces que pasa un máximo por un punto, sólo hace falta dividir la velocidad de la luz entre la longitud de onda. Otra característica importante de las ondas es que transportan energía. La energía de una onda electromagnética está directamente relacionada con su frecuencia, de forma que E = hν, y, utilizando la relación entre la frecuencia y la longitud de onda, podemos tener también que E = hc/λ, donde h es la constante de Planck, cuyo valor es h=6.63*10-34 J.seg. De esta expresión se puede observar que, a diferencia de las ondas mecánicas, la energía de las ondas electromagnéticas es directamente proporcional a su frecuencia de propagación. Los distintos tipos de radiación electromagnética dependen directamente de las características de la onda, que son: frecuencia, longitud de onda y amplitud o intensidad. La polarización de las ondas electromagnéticas está definida por el vector de campo eléctrico. Un campo vectorial es aquél que está descrito en todo momento por un vector, que le proporciona una dirección y una magnitud.
Primeras Evidencias de la Naturaleza Ondulatoria de la Luz
Antes de los trabajos de Maxwell, los experimentos ya indicaban que la luz era un fenómeno ondulatorio, aunque la naturaleza de las ondas era aún desconocida. En 1801, Thomas Young (1773-1829) demostró que cuando se separaba un haz de luz por dos rendijas estrechas y luego se recombinaba, se formaba un patrón compuesto por franjas brillantes y oscuras en una pantalla. Young explicó este comportamiento suponiendo que la luz estaba compuesta por ondas que se sumaban constructivamente en algunos puntos y destructivamente en otros. Posteriormente, Jean Foucault (1819-1868), con sus mediciones de la velocidad de la luz en diversos medios, y Augustin Fresnel (1788-1827), con sus detallados experimentos de interferencia y difracción de la luz, aportaron nuevas pruebas concluyentes de que la luz era una onda.
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Las Ecuaciones de Maxwell y la Unificación Electromagnética
James Clerk Maxwell (1831-1879) fue uno de los principales contribuyentes a la física del siglo XIX. Las cuatro leyes básicas de la electricidad y el magnetismo se habían descubierto experimentalmente gracias a los trabajos de físicos como Oersted, Coulomb, Gauss y Faraday. Sin embargo, la ley de Ampère en su forma habitual presentaba inconsistencias en ciertas situaciones, como en un condensador de placas paralelas. Para resolver esto, Maxwell propuso una modificación.
La Corriente de Desplazamiento
Una fuente de emf se conecta bruscamente a través de un condensador de placas paralelas de manera que se desarrolla una corriente I dependiente del tiempo en el cable. Supongamos que aplicamos la ley de Ampère al bucle C mostrado en un momento anterior a la carga completa del condensador, de forma que I≠0. Está claro que la ley de Ampère en su forma habitual no funciona aquí. Maxwell introdujo el concepto de corriente de desplazamiento para modificar la ley de Ampère de manera que funcione en todas las situaciones. La corriente de desplazamiento es análoga a una corriente real en la ley de Ampère, entrando en la ley de Ampère de la misma manera. Sin embargo, se produce por un campo eléctrico cambiante. Contabilice un campo eléctrico cambiante que produce un campo magnético, al igual que una corriente real, pero la corriente de desplazamiento puede producir un campo magnético incluso cuando no hay corriente real. Ahora podemos examinar esta versión modificada de la ley de Ampère para confirmar que se mantiene independientemente de si se elige la superficie S1 o la superficie S2. El campo eléctrico E correspondiente al flujo ΦE está entre las placas del condensador. Ahora debemos demostrar que para la superficie S2, por la que no circula ninguna corriente real, la corriente de desplazamiento conduce al mismo valor μ0I para el lado derecho de la ecuación de la ley de Ampère. La ley de Gauss para la carga eléctrica requiere una superficie cerrada y no puede aplicarse normalmente a una superficie como S1 sola o la S2 sola. Pero las dos superficies S1 y S2 forman una superficie cerrada y pueden utilizarse en la ley de Gauss. Como el campo eléctrico es cero en S1, la contribución de flujo a través de la S1 es cero. Un condensador de placas paralelas con una capacitancia C cuyas placas tienen un área A y una distancia de separación d está conectado a un resistor R y a una batería de voltaje V. La corriente comienza a fluir en t=0.
Las Cuatro Ecuaciones de Maxwell
Las ecuaciones de Maxwell y la ley de la fuerza de Lorentz abarcan conjuntamente todas las leyes de la electricidad y el magnetismo. Las fuerzas magnéticas y eléctricas se han examinado en módulos anteriores. La ecuación de fuerza de Lorentz combina la fuerza del campo eléctrico y del campo magnético sobre la carga en movimiento. Las cuatro leyes fundamentales que describen la relación entre electricidad y magnetismo son:
- El flujo eléctrico que atraviesa cualquier superficie cerrada es igual a la carga eléctrica Qin encerrada en la superficie. La ley de Gauss describe la relación entre una carga eléctrica y el campo eléctrico que produce.
- El flujo del campo magnético a través de cualquier superficie cerrada es cero. Esto equivale a la afirmación de que las líneas de campo magnético son continuas, sin principio ni fin. Cualquier línea de campo magnético que entre en la región encerrada por esta superficie también debe salir de ella.
- Un campo magnético cambiante induce una fuerza electromotriz (emf) y, por tanto, un campo eléctrico. La dirección de la emf se opone al cambio. Esta tercera ecuación de Maxwell es la ley de inducción de Faraday e incluye la ley de Lenz.
- Los campos magnéticos son generados por cargas en movimiento o por campos eléctricos cambiantes.
Predicción de las Ondas Electromagnéticas
La simetría que Maxwell introdujo en su marco matemático fue clave. La ley de Faraday describe cómo los campos magnéticos cambiantes producen campos eléctricos. La corriente de desplazamiento introducida por Maxwell resulta, en cambio, de un campo eléctrico cambiante y da cuenta de que un campo eléctrico cambiante produce un campo magnético. Las ecuaciones para los efectos de los cambios en los campos eléctricos y en los campos magnéticos solo difieren en su forma cuando la ausencia de monopolos magnéticos hace que falten términos. Para ver cómo la simetría introducida por Maxwell explica la existencia de ondas eléctricas y magnéticas combinadas que se propagan por el espacio, imagine un campo magnético que varía en el tiempo B0(t) producido por la corriente alterna de alta frecuencia. Según la ley de Faraday, el campo magnético cambiante a través de una superficie induce un campo eléctrico variable en el tiempo E0(t) en el límite de esa superficie. A su vez, el campo eléctrico cambiante E0(t) crea un campo magnético B1(t) según la ley de Ampère modificada. Este campo cambiante induce E1(t), que induce B2(t), y así sucesivamente. Tenemos entonces un proceso autocontinuado que lleva a la creación de campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo en regiones cada vez más alejadas. De esa manera, se sabía que la luz era una onda, y Maxwell había predicho la existencia de ondas electromagnéticas que viajaban a la velocidad de la luz. La conclusión parecía ineludible: La luz debe ser una forma de radiación electromagnética. Pero la teoría de Maxwell demostró que otras longitudes de onda y frecuencias distintas a las de la luz eran posibles para las ondas electromagnéticas. Demostró que la radiación electromagnética con las mismas propiedades fundamentales que la luz visible debería existir a cualquier frecuencia. La aplicación posterior de la teoría de la relatividad de Einstein a la teoría completa y simétrica de Maxwell demostró que las fuerzas eléctricas y magnéticas no están separadas, sino que son manifestaciones diferentes de la misma cosa: la fuerza electromagnética.
La Confirmación Experimental de Heinrich Hertz
El físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894) fue el primero en generar y detectar ciertos tipos de ondas electromagnéticas en el laboratorio. Heinrich Hertz fue el físico que confirmó experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas, un hito que revolucionó la física. Heinrich Hertz fue un físico alemán que nació en 1857 en Hamburgo. Empezó estudiando ingeniería, pero acabó decidiendo formarse en física en Múnich y Berlín. Durante su proceso de formación, fue auxiliar de Hermann von Helmholtz, quien le acabó descubriendo el premio de la Academia de Ciencias de Berlín.
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Hertz utilizó un circuito RLC (resistor-inductor-condensador) de corriente alterna que resuena a una frecuencia conocida y lo conectó a un bucle de cable. Al otro lado del laboratorio, Hertz colocó otro bucle unido a otro circuito RLC, que podía sintonizarse (como el dial de una radio) a la misma frecuencia de resonancia que la primera y, por tanto, podía hacerse que recibiera ondas electromagnéticas. Finalmente, logró transmitir ondas electromagnéticas entre una antena emisora (oscilador) y una antena receptora (resonador). Para ello, necesitó tan solo dar forma circular a un alambre, sin que sus extremos se lleguen a tocar por unos pocos milímetros. Esto demostró que cuando la chispa saltaba en la bobina de inducción se establecían campos eléctricos y magnéticos que cambiaban rápidamente y se propagaban en el espacio en forma de ondas electromagnéticas que tenían la misma frecuencia que la oscilación de la descarga. En este sentido, cuando las ondas electromagnéticas llegaban a la anilla que actuaba de receptor, se generaba otra chispa.
Hertz también estudió los patrones de reflexión, refracción e interferencia de las ondas electromagnéticas que generó, confirmando su carácter ondulatorio. Pudo determinar las longitudes de onda a partir de los patrones de interferencia, y conociendo sus frecuencias, pudo calcular la velocidad de propagación mediante la ecuación v=fλ, donde v es la velocidad de una onda, f es su frecuencia y λ es su longitud de onda. Hertz pudo así demostrar que las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz. Hertz también logró medir la longitud de la onda y la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas. Del mismo modo que los estudios de Maxwell impactaron en las investigaciones de Heinrich Hertz, sus descubrimientos sobre la existencia de las ondas electromagnéticas influyeron Guglielmo Marconi, quien acabaría inventando la radio.
El Espectro Electromagnético y su Impacto
El espectro electromagnético es el conjunto de la radiación electromagnética de todas las longitudes de onda. Pero el espectro electromagnético no tiene una frecuencia máxima o mínima, sino que se extiende indefinidamente, más allá de los estrechos límites de sensibilidad del ojo humano. En orden creciente de frecuencias (y por tanto, de energía) el espectro está compuesto por las ondas de radio, el infrarrojo, la luz visible, el ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Una onda de radio es una onda electromagnética. Podemos utilizar el valor aproximado de la velocidad de la luz al propagarse en el vacío, c=3×108 m/s, para calcular la longitud de onda de una transmisión de radio. Las ondas de radio procedentes de fuentes extraterrestres puede estar polarizada lineal o circularmente o incluso puede ser una mezcla de ambas.
En nuestra vida cotidiana, estamos expuestos a diversos tipos de ondas electromagnéticas, que van desde las ondas de radio hasta los rayos X. Estas ondas pueden ser producidas por numerosos aparatos electrónicos, como teléfonos móviles, ordenadores, radios, hornos microondas, antenas de televisión, estaciones base, etc. Es esencial comprender las distintas fuentes de ondas a las que estamos expuestos en nuestro entorno cotidiano. Desde las ondas electromagnéticas, como las que emiten los teléfonos móviles o las estaciones base, hasta las ondas naturales, nuestra exposición es omnipresente. Sin embargo, es importante destacar que la mayoría de ellos se consideran seguros para la salud humana, siempre que cumplamos los límites de exposición recomendados por los organismos reguladores.
La luz está considerada como una onda electromagnética. Un ejemplo es lo que llamamos “luz visible” que en realidad es un conjunto de ondas electromagnéticas de diferentes energías y longitudes de onda que van de los 380 a 780 nanómetros. Otros ejemplos de ondas electromagnéticas (que son invisibles, por cierto) son las ondas de radio y televisión, telefonía móvil, radiación infrarroja, radar, rayos ultravioleta, microondas, rayos X y rayos gamma, entre otros.
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Aplicaciones y Descubrimientos Clave
El espectro electromagnético ha contribuido al desarrollo tecnológico y al uso de aplicaciones en el campo de las telecomunicaciones, medicina, investigación, alimentación e incluso nuestra vida diaria. Diariamente realizamos diferentes actividades, como trabajar, estudiar y divertirnos. No es un secreto que la tecnología ha facilitado nuestra vida diaria. Inventos como la radiografía (1895), la radio (1907), el wifi (1971) y los celulares (1973) son algunos ejemplos de aplicaciones tecnológicas que han dado forma al mundo de hoy. Uno de los sectores que se benefició significativamente por el desarrollo del espectro electromagnético fue el de las telecomunicaciones.
En el diagrama del espectro electromagnético se encuentran las ondas de microondas que se caracterizan por ser cortas y suelen ser absorbidas por las moléculas que tienen un momento dipolar en los líquidos. En un horno de microondas se aprovechan las características de las ondas para calentar los alimentos. Por otro lado, las ondas infrarrojas se dividen en onda corta, media, media rápida y larga. Algunas de sus aplicaciones más comunes se dan en equipos de visión nocturna y controles remotos, así como secado de pinturas y precalentamiento de soldaduras en la industria, entre otras. Después se encuentra la luz ultravioleta, caracterizada por ser muy energética, pues es capaz de romper enlaces químicos convirtiendo a las moléculas excepcionalmente reactivas.
Existen otras frecuencias del espectro electromagnético, como los rayos X y gamma que se constituyen por fotones y por lo tanto pertenecen a la categoría de radiación electromagnética. El descubrimiento del espectro electromagnético se debe en gran parte a Wilhelm Conrad Röntgen, ingeniero mecánico y físico de origen alemán quien estudió en la Universidad de Wurzburgo. El 8 de noviembre de 1895, Röntgen produjo radiación electromagnética en las longitudes de onda correspondiente a los rayos X. En aquella época se desconocían los efectos que producían los rayos X, hasta que los primeros radiólogos experimentaron quemaduras en las manos por la falta de medidas de protección. Por otro lado, es posible producir calor y rayos X mediante dispositivos que permiten desacelerar electrones de alta velocidad. Los rayos gamma son producidos generalmente por elementos radiactivos o por procesos subatómicos, como la aniquilación de un par positrón-electrón. También se generan en fenómenos astrofísicos de gran violencia, como en lo que llamamos radiación cósmica, procedente del espacio exterior. La radiación ionizante es capaz de penetrar en la materia profundamente, por ello puede producir un daño grave en el núcleo de las células. Sin embargo, con el uso responsable de la tecnología hemos podido sacarle mucho provecho a la radiación ionizante. Como podrás notar diariamente nos desenvolvemos en un mapa de conexiones invisibles que hemos aprovechado para facilitar nuestra vida cotidiana.