El trabajo más notable en el campo del electromagnetismo fue

El trabajo más notable
en el campo del electromagnetismo
fue realizado hace 100 años por el
célebre físico escocés James Clerk
Maxwell. Basándose en las leyes
experimentales descubiertas por
Coulomb, Ampere y Faraday, y
añadiendo
a
ellas
nuevas
concepciones creadas por el mismo,
este científico desarrollo un conjunto
de ecuaciones que actualmente se
conoce
como ecuaciones de Maxwell, en las
cuales se sintetizan todos los
conocimientos adquiridos acerca de
los fenómenos electromagnéticos
hasta aquella época. Podemos decir
que las ecuaciones de Maxwell en
electricidad, desempeñan el mismo
papel que las de Newton en la
mecánica.
La
consecuencia
más
importante a que se llegó mediante
esas ecuaciones fue la previsión de
la existencia de las ondas
electromagnéticas, que actualmente Se conocen ampliamente y son utilizadas en
alto grado en la ciencia y la tecnología. A continuación se muestra en forma muy
simplificada como llegó a esa conclusión, y como, más tarde, sus conceptos fueron
confirmados en forma experimental.
James Clerk Maxwell (1831 – 1879)
Físico escocés, cuyo destacado papel en el estudio de la electricidad y
magnetismo, es comparable al desempeño por Newton en la mecánica, en virtud
del carácter fundamental de las leyes que estableció. Maxwell realizó también
importantes contribuciones en otros campos de la Física, como un estudio de la
percepción visual del color y produjo una de las primeras fotografías en colores), y
una teoría acerca de los anillos de Saturno.
Pero fue en el campo de electromagnetismo donde sus trabajos tuvieron mayor
importancia, debiendo destacarse la previsión de la existencia de las ondas
electromagnéticas así como uno de los triunfos más notables de la ciencia, el
establecimiento
de
la
naturaleza
electromagnética
de
la
luz.
Campo eléctrico inducido. En la figura
se muestra una espira circular colocada en
un campo magnético B entrante en la
pagina.
Al provocar une variación en este campo,
el flujo magnético que pasa por la espira
cambiara también , y como ya sabemos,
en dicha espira se establecerá una
corriente inducida; es decir los electrones
libres que existen en la espira, y que
inicialmente se hallaban en reposo,
entraran en movimiento. Por tanto, es
obligado concluir que un campo eléctrico
actúa sobre dichos electrones poniéndolos en movimiento, y que tal campo
eléctrico solo pudo haber surgido a consecuencia de la variación del campo
magnético. En la figura se muestran algunas líneas de fuerza de este campo
eléctrico creado por la variación del campo magnético, y que recibe el nombre
de campo eléctrico inducido.
Con base en nuestra conclusión, podemos afirmar que:
Si un campo magnético existente en cierta región del espacio, sufre
una variación en el tiempo, tal variación hará aparecer en esa región,
un campo eléctrico inducido.
Este hecho constituye uno de los principios básicos del
Electromagnetismo, y es claro, entonces que un campo eléctrico puede ser
producido no únicamente por cargas eléctricas en reposo sino también por un
campo magnético variable.
Observemos que no es necesaria la existencia de una espira metálica,
como en la figura anterior, para que aparezca el campo eléctrico. La espira
simplemente muestra que dicho campo en realidad se halla presente, pues, si
no existiera, no habría corriente inducida en la espira.
Campo magnético inducido. Al analizar los hechos que
acabamos de Describir, Maxwell tuvo la idea de tal vez, el fenómeno inverso
podría verificarse. En otras palabras, propuso la hipótesis de que un campo
eléctrico variable podría a su vez generar un campo magnético.
Para aclarar el significado de esta idea, consideremos dos placas
metálicas, separadas de cierta distancia en el aire y conectada a una batería,
como se observa en la figura. Cuando se efectúa esta conexión, la placa
conectada al polo positivo de la batería va adquiriendo carga positiva,
mientras que la otra se va cargando
negativamente. Como sabemos, las cargas
en los polos crean un campo eléctrico en el
espacio que existe entre ellas. Conforme va
aumentando el valor de las cargas de las
placas, la intensidad de este campo
eléctrico también se incrementa; es decir,
entre las placas hay un campo eléctrico
variable en el tiempo. En estas condiciones,
de acuerdo con Maxwell, en la región entre
placas aparecerá un campo magnético
denominado campo magnético inducido.
En la figura también se indican algunas
líneas del campo eléctrico variable y del
campo magnético inducido en virtud de la variación del campo eléctrico.
Por lo tanto, la hipótesis de Maxwell dice que:
Si un campo eléctrico existente en cierta región del espacio, sufre una
variación en el tiempo, tal variación hará aparecer en esa región, un campo
magnético inducido.
Por tanto, conforme a las ideas propuestas por Maxwell, un campo magnético
puede ser producido no únicamente por una corriente eléctrica (cargas
eléctricas en movimiento), sino también por un campo eléctrico variable.
Que es una onda electromagnética. A continuación
examinaremos la consecuencia más importante de las ideas de Maxwell que,
como dijimos, consistió en prever la existencia de las ondas electromagnéticas
Supongamos que en cierta región del espacio existe un campo magnético B,
variable en el tiempo. Por ejemplo, considérese el campo que existe entre los
polos de un electroimán, cuyas espiras son alimentadas por un generador de
corriente alterna (de alta frecuencia), como se observa en la figura.Este campo
B, al ser generado por una corriente
alterna, será un campo oscilante, o sea
que su magnitud y su sentido varían en
forma periódica en el transcurso del
tiempo. Entonces, como hay variación
en el campo magnético, en los
alrededores del electroimán aparecerá
un campo eléctrico inducido E. A su
vez, este campo variara en el tiempo, y
de acuerdo con la hipótesis
de
Maxwell,
originara
un
campo
magnético
inducido,
y
así
sucesivamente.
De manera que se puede tener la
propagación, en el espacio, de una alteración o perturbación constituida por
los campos variables E y B, y que es radiada en todas direcciones desde el
electroimán. La figura 25-23 ilustra la radiación de estos campos, mostrando
también los vectores E y B en un punto dado, y la velocidad V con la cual se
propagan a través del espacio.
Maxwell mostró, por medio de sus ecuaciones, que esta perturbación
electromagnética, al propagarse, debería presentar todas las características de
un movimiento ondulatorio. Por lo tanto, de acuerdo con Maxwell, dicha
radiación electromagnética experimentara reflexión, refracción, difracción e
interferencia, exactamente como sucede con todas las ondas. Por este motivo,
la perturbación constituida por la propagación de campos eléctricos y
magnéticos ha recibido el nombre de ondas electromagnéticas.
En la figura, se presenta
una onda electromagnética que se
propaga hacia la derecha.
Observemos que está constituida
por los campos E y B que oscilan
en forma periódica, de manera
similar a los puntos de una
cuerda en la cual se propaga un
onda mecánica. Como vemos en
la figura los vectores E y B son
perpendiculares entre si, y ambos son normales a la dirección de propagación
de la onda.
Velocidad de propagación de una onda electromagnética.
Es importante destacar que, al contrario de las ondas magnéticas (por
ejemplo, el sonido) que hemos estudiado en capítulos anteriores, una onda
electromagnética no necesita un medio material para propagarse.
Como un campo eléctrico y un campo magnético pueden establecerse en un
espacio inmaterial, es claro que una onda electromagnética podrá propagarse
en el vació.
Uno de los resultados de mayor repercusión obtenido por Maxwell a
partir de sus ecuaciones, fue la determinación del valor de la velocidad de
propagación de una onda electromagnética.
Sus cálculos demostraron que, en el vacío (o en el aire), esta onda se propaga
a una velocidad V que vale:
La importancia de este resultado se debe a que este valor coincide
con el de la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Esta concordancia
llevó a Maxwell a sospechar que la luz era una onda electromagnética. Los
físicos del siglo pasado ya habían establecidos que la luz es un fenómeno
ondulatorio, pero no sabían expresar con seguridad de que tipo de onda se
trataba, es decir, cual era la naturaleza de la onda luminosa. Actualmente
sabemos que la sospecha de Maxwell era justificada:
La luz es en realidad una onda electromagnética. El establecimiento
de la naturaleza electromagnética de la luz se considera uno de los grandes
triunfos de la teoría de Maxwell, pues este hecho vino a unificar la óptica y el
electromagnetismo. Por tanto, puesto que los fenómenos luminarias tienen su
origen en fenómenos electromagnético, la óptica se puede considerar como
una rama de electromagnetismo, y sus leyes (Reflexión, refracción, difracción,
etc.) Se pueden deducir a partir de las ecuaciones de Maxwell.
Debido a su muerte prematura, en 1879, a los 48 años de edad,
Maxwell no alcanzo a ver la confirmación de sus postulados. La existencia de
las onda electromagnéticas solo pudo ser comprobada en forma experimental
a fines del siglo pasado, por el físico alemán Heinrich Hertz. Este científico
logro obtener en su laboratorio, ondas electromagnéticas (o hertzianas) con
todas las propiedades previstas por Maxwell. Los experimentos de Hertz,
además de confirmar las hipótesis de Maxwell, contribuyeron a establecer que
la luz es, en efecto, una onda electromagnética. Entonces, es muy importante
destacar que:
Al calcular la velocidad de propagación de una onda
electromagnética en el vacío, Maxwell encontró un resultado igual a la
velocidad de la luz. Este hecho lo llevó a sospechar que la luz era una onda
electromagnética. Los experimentos de Hertz, y otros ulteriores,
demostraron que la idea de Maxwell era correcta.
La unificación de las teorías físicas
Un hecho de gran relevancia para el avance de la física se han
analizado en secciones anteriores: dos importantes ramas de esta ciencia, la
óptica y la electricidad, que se estudiaban a base en principios independientes,
pasaron a describirse a partir de una misma teoría, sintetizada por las
ecuaciones de Maxwell. Ocurrió, entonces, la unificación (o síntesis) de esos 2
importantes campos de la física.
En otros tiempos de la historia de la física, se observaron también
unificaciones tan importantes como esa e inclusive en la actualidad, nuevas
síntesis continúan siendo propuestas e investigadas con el fin de describir el
mayor número posible de fenómenos naturales cada vez más con un número
menor de principios fundamentales. A continuación se analizara, de manera
sucinta, la importante unificación que hasta hoy los físicos han logrado
establecer durante la evolución de esta interesante área del conocimiento.
la primera unificación que se citará, denominada Síntesis Newtoniana,
estableció la universalidad de las leyes de la Mecánica.
Como se observó, la Física Aristotélica afirmaban que la leyes referentes a
los movimientos de los cuerpos celestes eran diferentes a a las que
obedecían los cuerpos en la superficie de la tierra.
Al publicar, “Los Principios”, Newton demostró que las leyes básicas
establecidas podrían utilizarse para describir los movimientos de cualquier
cuerpo (celeste o terrestre)
Otra importante unificación en los campos de la física se refiere a
los experimentos de Oersted, y estudios posteriores realizados por Ampere
y Faraday, demostraron que los fenómenos eléctricos y magnéticos tenían
un mismo origen.
La electricidad y el magnetismo fueron, entonces, unificados,
lo cual dio origen a un nuevo campo de estudios más amplios,
denominados Electromagnetismo. Como se indicó al principio, los trabajos
de Maxwell, casi 50 años después, convirtieron al campo del
electromagnetismo mucho más amplio e incorporaron también la óptica a
esta área.
A principios del siglo 20, después de haber ocurrido las síntesis
mencionadas, todo parecía indicar que solamente dos tipos de fuerzas
estaban presentes en cualquier fenómeno natural:
La fuerza de origen gravitacional y la fuerza de origen
electromagnético. Durante gran parte de su vida, Albert Einstein trato de
establecer la unificación de esas fuerzas, buscando una teoría, que pudiera
describirlas con base en un mismo principio fundamental. La búsqueda de
la teoría del campo unificado, hasta ahora no ha tenido éxito a pesar de que
muchos científicos de la actualidad continúan investigando en este sentido.
Con el avance de la física nuclear los científicos
comprobaron la existencia de otros dos tipos de fuerza que se manifiestan
solamente entre partículas que constituyen el núcleo atómico. Esas fuerzas se
denominaron “fuerza nuclear débil” y “fuerza nuclear fuerte”.
La fuerza nuclear débil entre dos partículas es casi 100.000 veces
menor que la fuerza electromagnética y que también se manifiesta entre ella,
pero su alcance es muy pequeño pero no actúa cuando las partículas están
separadas por distancias superiores a
10 centimetros. Esta fuerza se
manifiesta, prácticamente, entre cualquier tipo de partícula. Por otra parte, la
fuerza nuclear fuerte se manifiesta solamente entre algunas partículas
nucleares, pero su alcance es considerablemente mayor, pues se manifiesta
para distancia de hasta
centímetros.
Actualmente, gracias a los trabajos encabezados por el físico
pakistaní, radicado en Inglaterra, Abdus Salam se obtuvo una gran victoria
relacionada con la unificación de las fuerzas de la naturaleza.
A pesar de que los intentos
de unificación de las
fuerzas electromagnéticas y
gravitacionales
hayan
fracasado, este científico
logró establecer una teoría
en la cual se llegaba a la
síntesis entre la fuerza
electromagnética
y
la
fuerza nuclear débil. Esas
ideas
pudieron
comprobarse
experimentalmente gracias
a los potentes aceleradores
de partículas del SER. la
importancia del trabajo de
Salam, y su repercusión en
la comunidad científica internacional, pueden avalarse por el hecho de que
este científico haya recibido el premio Nobel de Física en 1979.
Otros intentos para unificar las fuerzas de la naturaleza continúan
realizándose y hay indicios según algunos investigadores, de que la
unificación total entre dichas fuerza pueda alcanzarse dentro de algún tiempo.
La teoría a la que se debe esa unificación usualmente se conoce
con la sigla “TOE”, del inglés, “THEORY OF EVERY THING” es decir,
“Teoría de todas las cosas”.
En el recuadro de la figura se ofrece una visión global de las
principales unificaciones ocurridas en el campo de la física y que se acaban
de tratar.
Espectro electro magnético:
Que es el espectro electro
magnético.
Desde la época de Maxwell
hasta nuestros días se a producido un gran
avance en los conocimientos relacionados
con las ondas electro magnéticas. De
manera que en la actualidad sabemos que
existen varios tipos de esas ondas; las
cuales a pesar de ser todas de la misma
naturaleza (constituidas por los campos E y
B que oscilan en el tiempo y se propagan
en el espacio), presentan en ocasiones
características muy diferentes. En general,
los
diversos
tipos
de
ondas
electromagnéticas difieren en el valor de su
frecuencia, y también por la forma en que
se producen y también por la forma como
se producen. En la figura se representan en
una escala los diversos tipos de ondas
electromagnéticas
que se conocen.
Observemos que según el valor de su frecuencia, reciben una denominación
especial:
Ondas de radio, onda infrarrojas, rayos x , etc. El conjunto de todos
estos tipos de onda o radiaciones se denomina espectro electro magnético. Por
lo tanto, la figura 25-25 es una representación de tal espectro. Todas las ondas
que constituyen esta gama se propagan, en el vacío, con la misma velocidad
(V= 3.0
m/s 9, y son originadas por la aceleración de una carga eléctrica.
Entonces, siempre que una carga electrica es acelerada, radia cierto
tipo de onda electromagnetica, lo cual depende del valor de la aceleración de
la carga. A continuación examinaremos algunas de las características de cada
clase de onda que constituyen el espectro magnético.
Ondas de radio
En la figura 25-25vemos que
las ondas electromagnéticas
qe presentan las frecuencias
más bajas -¡hasta de
hz (Hertz), es
decir, 100.000.000 de vibraciones por
segundo!- son las ondas de radio. Reciben
esta denominacion por ser las que emplean
las estaciones de radiocomunicación o
radiodifusion,
para
realizar
sus
transmisiones. En toda estación de radio
existen circuitos eléctricos especiales que
provocan la oscilación de electrones en la antena emisora. Por tanto, tales
electrones son acelerados en forma continua, y por ello, emiten las ondas
de radio que transportan los mensajes o programas de una estación.
Las ondas electromagnéticas que emplean las emisoras de
televisión tienen las mismas características que las radioondas, Pero, como
vemos en la tabla del espectro, sus frecuencias son más elevadas que las que
normalmente utilizan las emisoras de radio.
Microondas. Al considerar
frecuencias más elevadas que las de las
ondas de radio, se llega a las ondas
electromagnéticas
denominadas
microondas. Estas tienen frecuencias
comprendidas, aproximadamente, entre
10 elevado a 8 Hz y 10 elevado a 12 Hz,
como indica la tabla del espectro.
.
Las microondas se emplean mucho en la telecomunicación, para
transportar señales de TV, o bien,
transmisiones telefónicas. De hecho,
actualmente los sistemas radiotelefónicos
que existen en todo el mundo y que
comunican a las ciudades entre sí, se
enlazan mediante microondas. Además, las
transmisiones de TV “vía satélite”, de un
país a otro, también se llevan a cabo con el
empleo de este tipo de ondas.
Radiación infrarroja. La siguiente región del espectro electromagnético está
constituida por las ondas infrarrojas, que son ondas electromagnéticas con
frecuencias de aproximadamente
Hz a
Hz.
La radiación infrarroja es emitida en gran cantidad por los átomos de los
cuerpos calientes, los cuales se encuentran en una constante e intensa
vibración. El calor que sentimos cuando estamos cerca de un metal candente
se debe en gran parte a los rayos infrarrojos que emite y que son absorbidos
por nuestro cuerpo. Este proceso de transmisión de calor recibe así mismo el
nombre de “radiación térmica o “calorífica”.
Radiación visible. Las ondas electromagnéticas cuyas frecuencias están
comprendidas entre 4.6 x
Hz y 6.7 x
Hz constituyen una región del
espectro electromagnético que tiene una importancia especial para nosotros.
Esta radiación es capaz de estimular la visión humana pues se trata de las
ondas luminosas o luz.
Observemos en la escala del espectro electromagnético, que las radiaciones
luminosas constituyen una región muy estrecha. Por lo tanto, nuestros ojos no
son capaces de percibir la mayor parte de las radiaciones que integran el
espectro.
Como se observa, las frecuencias menores de la radiación visible
nos dan la sensación del color rojo. Al aumentar la frecuencia de las ondas
tendremos, sucesivamente, las que corresponden a los colores naranja,
amarillo, verde, azul, añil, y al final de la región visible, al color violeta.
Ahora es claro que la denominación “infrarroja” se debe a que las
frecuencias de esta radiación se localizan en una región situada
inmediatamente antes de la frecuencia que corresponde a la radiación roja.
Radiación ultravioleta. Las ondas electromagnéticas con frecuencias
inmediatamente superiores a las de la región visible se denominan ondas
ultravioletas. Esta denominación indica que las frecuencias de estas ondas son
superiores a la frecuencia de la radiación violeta. Observemos la escala que
representa el espectro electromagnético, que la región ultravioleta alcanza
frecuencias hasta de
Hz.
Los rayos ultravioletas son
emitidos por átomos excitados,
como, por ejemplo, en las
lámparas de vapor de mercurio (y
que acompañan a la emisión de
luz). Como ya dijimos, esta
radiación no es visible, y puede
hasta dañar los tejidos del ojo
humano. Sólo se pueden detectar
mediante otros procesos, como por
ejemplo, la impresión de ciertos
tipos de placas fotográficas.
Rayos X.
Este tipo de radiación está constituido por las ondas
electromagnéticas de frecuencias superiores a las de la radiación ultravioleta.
Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por el físico alemán Wilhelm
Röntgen, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1901 por este logro. La
denominación “rayos X” fue utilizada por Röntgen porque desconocía la
naturaleza de las radiaciones que acababa de descubrir (la “X” indica que eran
incognitos o desconocidos)
Estas ondas pueden producirse en dispositivos especiales (tubos de rayos X),
en estos tubos, la placa A, que se indican en la figura 25-28b, emite un haz de
electrones. Estas partículas son aceleradas por medio de un voltaje elevado
existente entre A y el blanco u objetivo de tungsteno, B. Al llegar a este, los
electrones son bruscamente detenidos, es decir, experimentan una fuerte
desaceleración. Debido e ello emite ondas electromagnéticas de alta
frecuencia situadas en la región que corresponde a los rayos X.
Röntgen hallo que los rayos X tienen una propiedad de atravesar, con cierta
facilidad, sustancias de baja densidad (como los músculos de una persona), y
de ser absorbido por materiales de densidad elevada (como los huesos del
cuerpo humano). Debido a esta propiedad, poco después de su
descubrimiento, los rayos X comenzaron a ser ampliamente utilizados en
medicina para obtener vistas de los órganos internos. el propio Röntgen fue el
primero en encontrar tal uso para los rayos X al obtener la radiografía de los
huesos de la mano de una persona .
En la actualidad, los rayos X tienen un campo muy amplio de aplicaciones,
además de su empleo en las radiografías, pues se utilizan también en el
tratamiento médico del cáncer, en la investigación de la estructura cristalina
de los sólidos, en pruebas industriales, y en muchos otro campos de la ciencia
y la tecnología.
Rayos gamma. Por último, en la escala del espectro, vemos las ondas
electromagnéticas que muestran las frecuencias más altas conocidas, son los
rayos gamma (o gama). Esta radiación es emitida por los núcleos atómicos
de los elementos al desintegrarse. Estas sustancias, como quizá ya sabe, se lo
denominan elementos radioactivos.
Un núcleo atómico, al desintegrarse, emite tres tipos de radiaciones, que se
denominan alfa, beta y gama. Al hacer pasar estas radiaciones por un campo
eléctrico. Los rayos alfa se desvían hacia el lado opuesto (son partículas de
carga positiva), los rayos beta se desvían hacia el lado opuesto (son partículas
de carga negativa), y los rayos gama no sufren deviación alguna, pues no son
partículas electrizadas, sino ondas electromagnéticas de alta frecuencia.
Los rayos gama (al igual que los rayos X) pueden ocasionar daños irreparables
a las células animales. En la explosión de una bomba de energía nuclear (por
ejemplo una “bomba atómica”) se produce una colosal emisión de estas
radiaciones, siendo esta una de las causas del peligro que este tipo de armas
representa para la humanidad. A los científicos y técnicos que trabajan en los
laboratorios donde existen radiaciones gama (o X) se obliga a utilizar sistemas
especiales para protegerse contra dosis excesivas de exposición a estas
radiaciones.
Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación- Laser
Que es un “rayo laser”. El laser es un tipo especial de radiación
electromagnética visible cuyas aplicaciones tecnológicas y científicas
aumentan cada día.
El termino laser está formado por las iniciales de las siguientes
palabras en inglés: “light amplificativo by estimulated emission of radiation”,
que significa “amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación”.
Un haz de rayos laser se diferencia de la luz común porque presentan algunas
características propias que se analizaran en seguida.
El haz de laser se presenta siempre con intensidad muy alta, es
decir, hay alta concentración de energía en áreas muy pequeñas (haces muy
delgados). Por ejemplo, un laser de potencia baja, cerca de algunos mili-watts,
presentan brillo considerable, muy superior al de la luz emitida por un foco de
60 watts. Además, ese intenso haz está constituido por rayos prácticamente
paralelos, que pueden propagarse por distancias muy grandes sin dispersarse
(los rayos se mantienen casi paralelos, con divergencia muy baja )
La luz de laser es monocromática, es decir está constituida por radiaciones
que presentan una frecuencia única de valor determinado. Con la luz común
sería muy difícil obtener este grado de mono-cromaticidad, porque presentan
como una mezcla de radiaciones de varias frecuencias.