¿cuál era el significado de la relación entre la electricidad y la luz?
¿Recuerda la idea de Faraday, que evolucionó hacia el concepto de "campo magnético -- ese espacio en el que se pueden observar los cambios en las fuerzas magnéticas? Faraday también mostró que un campo magnético que cambia en el tiempo, como el producido por la corriente alterna (CA), podría conducir corrientes eléctricas, si los hilos de cobre estuvieran colocados de la forma adecuada. Esto era la "inducción magnética", el fenómeno en el que se basan los transformadores eléctricos.
Por lo tanto, los campos magnéticos podían producir corrientes eléctricas y ya sabemos que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. ¿Sería quizá posible que el espacio sustentara un movimiento ondulatorio alternante entre los dos? Del tipo de:
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campo magnético ---> corriente eléctrica ---> campo magnético ---> corriente eléctrica ---> ...
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Esto era un obstáculo. Esta onda no existiría en el espacio vacío, debido a que el espacio vacío no tiene hilos de cobre y no podría conducir la corriente necesaria para completar el ciclo anterior. Un brillante joven escocés, James Clerk Maxwell, solucionó el problema en 1861 proponiendo que las ecuaciones de la electricidad necesitaban
un término adicional, que representase a una corriente eléctrica que pudiera viajar a través del espacio vacío, pero solo mediante oscilaciones muy rápidas.
Añadiendo ese término (la "corriente de desplazamiento"), las ecuaciones de la electricidad y del magnetismo permitían que existiese una onda que se propagase a la velocidad de la luz. El dibujo inferior ilustra ese tipo de onda, verde en su parte magnética y azul en su parte eléctrica, añadido el término de Maxwell. La onda está dibujada propagándose a lo largo de una línea. Realmente llena el espacio, pero sería muy difícil dibujarla.
Maxwell propuso que eso era
luz. Hubo anteriores indicios --como se citó anteriormente, la velocidad de la luz apareció inesperadamente en las ecuaciones de la electricidad y del magnetismo-- y estudios posteriores lo confirmaron. Por ejemplo, si un haz de luz incide en la cara de un prisma de cristal, solo entra en él una parte, otra parte es reflejada. La teoría de Maxwell predijo correctamente las propiedades del haz reflejado.
Después Heinrich Hertz, en Alemania, mostró que una corriente eléctrica saltando adelante y atrás en un hilo (actualmente se le podría llamar "antena") podía ser la fuente de esas ondas. (La corriente, de acuerdo con la ley de Ampere, también produce un campo magnético, pero este campo disminuye rápidamente con la distancia). Las chispas eléctricas producen ese tipo de corrientes cuando saltan entre dos puntos --a eso se debe el crepitar producido por los rayos en la radio AM-- y Hertz, en 1886, usó estas chispas para enviar una señal de radio a través de su laboratorio. Posteriormente el italiano Marconi, con detectores más sensibles, amplió el alcance de la recepción de la radio y en 1903 detectó en Cape Cod, Massachussets, señales procedentes de Europa.
Se supone que la luz que produce el hilo caliente de una lámpara se emite debido a que el calor causa que los electrones se muevan rápidamente adelante y atrás, convirtiendo a cada uno en una antena. Sin embargo, cuando los físicos intentaron seguir esa idea, encontraron que las leyes conocidas de la naturaleza debían modificarse a la escala de los tamaños atómicos. Así fue como se originó la teoría cuántica.
Poco a poco se descubrieron otras ondas electromagnéticas. La naturaleza de onda de la luz origina que los diferentes colores se reflejen de forma diferente por una superficie, generando finas rayas paralelas --a esto se debe el que un disco compacto láser (para uso musical o para ordenador) brille en todos los colores del arco iris. Las filas ordenadas de los átomos en un cristal también forman líneas paralelas pero mucho menos espaciadas y resultan tener el mismo efecto sobre los rayos X, mostrando que los rayos X, al igual que la luz, también son ondas electromagnéticas, pero con una longitud de onda mucho más corta. Se encontró posteriormente que los haces de electrones en un campo magnético, dentro de un tubo de vacío, podían hacerse inestables y emitir ondas más largas que la luz: el tubo magnetrón donde ocurría esto fue un dispositivo de radar de alto secreto durante la II Guerra Mundial e hizo posible posteriormente la fabricación del horno microondas.
Las ondas electromagnéticas lideran la radio y la televisión y la enorme industria electrónica. Pero también se generan en el espacio -- por rayos de electrones inestables en la magnetosfera, así como en el Sol y en el universo remoto, informándonos sobre las partículas magnéticas del distante espacio o también tomándonos el pelo con misterios irresolutos. Sobre esto puede hallar más en la sección sobre las partículas de alta energía.
Sus Ecuaciones
Las ecuaciones anteriores describen una onda con factores de atenuación dependientes de σ que se propaga a una velocidad
. Cuando la onda se propaga en el vacío σ = 0 y la ecuación se reduce a la ecuación de ondas común:
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