UNIFICACIÓN DE LA ELECTRICIDAD, EL MAGNETISMO
Y LA ÓPTICA: CAMPO ELECTROMAGNÉTICO
Comparación entre campo eléctrico y campo magnético
Ya conocemos la mayor parte de las características del campo eléctrico y del campo magnético, que hemos resumido en la tabla siguiente, de modo que resalten las diferencias.
Consideramos como ecuación básica para el campo eléctrico la que define su intensidad (es decir ); por analogía la equivalente en el campo magnético es , donde comprobamos que la carga ha de ser móvil para interaccionar con un campo magnético.
CAMPO ELÉCTRICO CAMPO MAGNÉTICO RELACIÓN
Originado por cargas eléctricas fijas o móviles.
Originado sólo por cargas móviles (carácter relativo).
Toda carga produce un campo eléctrico, pero si se mueve genera también un campo magnético.
Pueden existir cargas aisladas; las cargas pueden ser positivas o negativas.
No pueden existir polos
aislados. Diferencia: Es imposible aislarun polo magnético. Analogía: En ambos campos hay atracciones y repulsiones. Ecuación fundamental: Ecuación fundamental: En el campo magnético la
carga ha de ser móvil.
La fuerza eléctrica es central, mientras que la magnética no es central.
El campo es conservativo. Se puede definir la energía potencial de dos cargas y el potencial en un punto.
El campo no es conservativo. En el campo magnético no se puede definir un potencial magnético.
Las líneas del campo eléctrico salen de las cargas positivas y terminan en las negativas.
Las líneas del campo magnético
son cerradas. Las líneas de son abiertas ylas de son cerradas.
Campo eléctrico de un dipolo de cargas y campo magnético de una espira (sección transversal)
La idea de campo electromagnético
Veamos ahora la relación existente entre el campo eléctrico y el campo magnético. En primer lugar, el descubrimiento de Oersted relaciona el campo magnético con las corrientes que lo producen; en segundo lugar, las leyes de Faraday y de Lenz muestran cómo una variación del campo magnético genera una tensión inducida y por tanto un campo eléctrico; dicha tensión inducida genera a su vez un campo magnético (ley de Lenz). Luego si un campo magnético variable
en el tiempo lleva asociado un campo eléctrico inducido, ¿no podrá un campo eléctrico variable inducir a su vez un campo magnético?
James C. Maxwell (1837-1879) intuyó que así debía ser. En un trabajo muy importante, sintetizó todas las leyes básicas de la electricidad y el magnetismo en cuatro ecuaciones, que se conocen bajo el nombre de ecuaciones de Maxwell y en 1873 publicó “Treatise on Electricity and Magnetism”, donde estableció su teoría electromagnética.
Entre otras aportaciones de su teoría electromagnética, Maxwell señaló que la oscilación de una carga eléctrica origina un campo eléctrico variable y éste a su vez un campo magnético que varía al unísono; así se produce un campo electromagnético que se radia al exterior, propagándose con velocidad constante. Este campo físico podemos desdoblarlo en dos vectores, y
, perpendiculares entre sí y a su vez perpendiculares a la dirección de propagación.
Ondas electromagnéticas
Como ya hemos estudiado toda onda conlleva una propagación de energía y está asociada a la variación de una determinada magnitud, una distancia, una presión, etc. La onda electromagnética se corresponde con la variación en el tiempo de un campo electromagnético, cuya velocidad de propagación es la de la luz ; este campo se propaga tanto en el vacío como en los medios materiales.
El caso más sencillo es el de una onda electromagnética armónica plana y linealmente polarizada. Esta onda puede describirse como un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, y que varían con la posición y el tiempo. La figura muestra una representación de los vectores y en diferentes puntos a lo largo del eje x, tomado como dirección de propagación de la onda.
Los valores de los campos varían periódicamente con el tiempo y la posición según:
suponiendo que la onda se propaga hacia la parte positiva del eje x, como indica la figura.
Podemos observar que las ondas electromagnéticas son vectoriales y que poseen carácter transversal, como confirma el hecho de que la luz presente fenómenos de polarización. La orientación de los vectores y es tal que su producto vectorial da el sentido en que se propaga la onda. Además, se cumple que E= c B.
En la teoría de Maxwell, la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en un medio material determinado es función de la constante dieléctrica y de la permeabilidad magnética del medio considerado :
que es precisamente la velocidad de la luz en el vacío. Ello no es una casualidad, sino más bien el fundamento de la identificación de la luz con una clase particular de campo electromagnético.
Según Maxwell: "El acuerdo entre ambos resultados para la velocidad de la luz parece indicar que la luz y el
magnetismo son dos aspectos de una misma sustancia y que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga por medio de un campo que sigue las leyes del electromagnetismo".
Este descubrimiento de Maxwell representó la unificación de tres campos de la Física inicialmente independientes: la electricidad, el magnetismo y la óptica
Como Maxwell no comprobó experimentalmente la existencia de las ondas electromagnéticas, esta teoría no llamó mucho la atención de los científicos hasta que Hertz (1857-1894) confirmó que realmente dichas ondas existen. Leamos el siguiente texto debido a Hertz
Cómo comprobé la existencia de las ondas electromagnéticas (H. Hertz)
Si la teoría de Maxwell es cierta, las ondas electromagnéticas (OEM) deben existir; a partir de 1879, siguiendo la idea de Von Helmholtz me dediqué a intentar comprobar si las cargas eléctricas aceleradas radian OEM y si éstas pueden detectarse de alguna manera.
El dispositivo con el que generé por vez primera ondas electromagnéticas estaba formado por un carrete de inducción y un dipolo o antena emisora formado por dos esferillas metálicas (A) unidas a dos cuadrados de latón para aumentar su capacidad.
Las esferillas estaban situadas a una distancia tal que cuando la ddp que generaba entre ellas el carrete de inducción sobrepasaba un límite, saltaba una chispa, de modo que la descarga era oscilante. Ya tenía por tanto el emisor de ondas electromagnéticas; su frecuencia la podía variar dentro de ciertos márgenes modificando el circuito y era del orden de 30 MHz.
Pero, ¿cómo detectarlas? Para ello se me ocurrió construir una antena formada por una espira casi cerrada y terminada en dos esferillas (m) situadas frente a frente. El experimento funcionó: al colocar la antena o detector en la posición adecuada, cuando entraba en resonancia con el emisor se inducía en ella una tensión tal que saltaban chispas entre las esferillas...
¡Las ondas electromagnéticas existen de verdad!
El comprobar que se reflejan en espejos metálicos planos o cóncavos como hace la luz visible fue ya más sencillo; una serie de experimentos me permitieron medir una longitud de onda de 9 m; como las ondas cumplen la ecuación v= λ · f, calculé la velocidad v y ¡resultó ser la de la luz, la predicha por Maxwell!
El carrete de inducción C produce una descarga entre los electrodos A cada corto intervalo de tiempo; el sistema
radia OEM, que son detectadas mediante las espiras situadas en la
parte superior izquierda
Una ojeada al espectro electromagnético
El conjunto de todas las ondas electromagnéticas que es posible producir o detectar se llama el espectro electromagnético. Como sabemos, toda radiación electromagnética se transmite a la misma velocidad, pero puede variar su frecuencia, lo que implica un cambio de longitud de onda.
En la figura hemos representado todo el espectro electromagnético, señalando tanto la longitud de onda como la frecuencia media de cada uno de los tramos que suelen diferenciarse: rayos gamma, rayos X, ultravioleta, visible...
La zona de máxima frecuencia corresponde a los rayos gamma, producidos en el interior del núcleo atómico.
Los rayos X, descubiertos a finales del siglo XIX, se producen al ser intensamente acelerados los electrones y tienen un gran poder de penetración, por lo que se utilizan, entre otros usos, para hacer radiografías.
La radiación ultravioleta (UV) la producen los electrones en las descargas gaseosas. Es tan energética que destruye los microorganismos y quema la piel (la capa de ozono atmosférico se encarga de filtrar esta radiación).
La radiación visible abarca aproximadamente entre 400 y 800 nm; la producen las llamas, las lámparas incandescentes, los tubos fluorescentes... La radiación infrarroja la producen las vibraciones de las moléculas. Aunque ya no es visible sí calienta; una aplicación conocida son los mandos a distancia. Las microondas, cuya longitud de onda es del orden del mm, se utilizan en los hornos modernos, en el radar...
Finalmente, las ondas de radio se generan en circuitos eléctricos y permiten el funcionamiento de la radio, la televisión o la telefonía móvil.
La atmósfera ejerce de filtro para buena parte de las radiaciones que nos llegan del espacio exterior: Casi todas las radiaciones de alta frecuencia, como la UV, son absorbidas por la atmósfera (recuerda el papel del ozono en esta absorción), mientras que la luz visible y las ondas de radio sí atraviesan la atmósfera. Este fenómeno de absorción tiene una gran importancia para la observación astronómica, siendo necesario establecer determinados aparatos de observación fuera de la atmósfera para que puedan realizar sus medidas.
Síntesis electromagnética
En el siglo XVIII, Newton, al elaborar la teoría de la gravitación, unificó la mecánica terrestre con la mecánica celeste. Faraday y Ampere, en el siglo XIX, fueron los principales unificadores de la electricidad y el magnetismo, mostrando que las fuerzas eléctricas y las fuerzas magnéticas eran dos aspectos de una única interacción: la electromagnética. Por otra parte, a Maxwell le corresponde el papel de unificador del electromagnetismo con la óptica, al predecir la existencia de las ondas electromagnéticas y englobar a la luz visible como una radiación, con la particularidad de detectarla el ojo humano.