Luz y OpticaLuz II: Electromagnetismo

por Nathaniel Stites, M.A./M.S.

¿Sabía usted que?

Did you know that visible light is no different in its form from microwaves, radio waves, or X-rays? Throughout the nineteenth century, scientists dedicated themselves to the study electricity and magnetism. James Clerk Maxwell unified these two ideas in his theory of “electromagnetism” and demonstrated that light was just another form of electromagnetic radiation.

Resumen

The study of electricity and magnetism were artfully united in John Clerk Maxwell’s theory of electromagnetism. This module explores the experimental connection between electricity and magnetism, beginning with the work of Oersted, Ampere, and Faraday. The module gives an overview of the electromagnetic nature of light and its properties, as predicted by Maxwell’s mathematical model.

Términos que usted debe saber
  • current = flow of electricity
  • magnetism = forces of attraction or repulsion between objects
  • wave = a motion of rising and falling in curves; undulation
Tabla de Contenido

En 1873, setenta años después que Thomas Young presentara su resultados experimentales sobre la naturaleza de la luz (ver Luz I: ¿Partícula u onda?), un físico escocés llamado James Clerk Maxell, publicó una teoría que informaba de los origenes físicos de luz. Durante el siglo XIX, muchos de los científicos más importantes se dedicaron a estudiar dos nuevas y apasionantes ideas: la electricidad y el magnetismo. El trabajo de Maxwell sintetizaba estas dos ideas, que con anterioridad habían sido consideradas como dos fenómenos separados. Su nueva teoría fue llamada, de manera correcta, una teoría de "electromagnetismo."

La conexión más antigua entre la electricidad y el magnetismo data de los años 1820 en el trabajo del físico danés Hans Christian Oersted. Oersted descubrió que un cable con corriente eléctrica podía desviar la aguja de un compás magnético. Este descubrimiento sembró la idea en un físico francés, Andre-Marie Ampere, que demostró que dos cables con corriente eléctrica interactuarían debido al campo magnético que generaban. Ampere descubrió que dos cables rectos y largos con corriente eléctrica en la misma dirección se atraerían, y dos cables con corriente eléctrica en direcciones opuestas, se repelerían entre sí. En última instancia, Ampere formuló una expresión general - llamada La ley de Ampere - para determinar el campo magnético creado por cualquier distribución de corrientes eléctricas.

Las importantes contribuciones de Ampere sobre el magnetismo y la electricidad condujeron a otros científicos a realizar experimentos para investigar la relación entre estas dos principales áreas de la física en el siglo XIX. Por ejemplo, en 1831, Michael Faraday descubrió que un cambio en el campo magnético que atraviesa un cable anudado, crea una corriente en el cable. Faraday, un físico inglés con muy poca educación matemática formal, había observado que atravesar una barra magnética a través de un rollo de cable creaba una corriente eléctrica. De igual manera, mover un rollo de cable cerca de un imán inmóvil, también producía corriente eléctrica. Faraday supuso que de alguna manera el imán "inducía" la corriente en el cable, y llamó este fenómeno "inducción". El nombre de Faraday todavía es asociado con esta idea, en lo que se conoce como la "Ley de Faraday", que, de manera simple, dice que un campo magnético que está cambiando produce un campo eléctrico.

Hoy en día, el principio de la ley de Faraday se manifiesta en los generadores eléctricos. Usando alguna fuente de energía mecánica (como una manivela, un molino de viento, la fuerza del agua, o el vapor del agua hervida) para hacer girar una turbina, los imanes dentro del generador giran al lado de un rollo de cable grande. A medida que los imanes giran, el campo magnético que atraviesa los nudos del cable cambia. Este "flujo magnético" que cambia establece una corriente "inducida" en el cable y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica.

Más de 40 años después de Faraday, James Clerk Maxwell, sobre la base de poco más que una intuición sobre la simetría de las leyes físicas, especuló que lo opuesto de la ley de Faraday también debía ser cierto: un campo eléctrico que cambia produce un campo magnético. Cuando Maxwell tomó el trabajo de Ampere y Faray e incorporó su nueva idea, pudo derivar una serie de ecuaciones (originalmente había veinte ecuaciones, pero ahora han sido simplificadas a sólo cuatro) que unificaban completamente los conceptos de campos magnéticos y eléctricos en un modelo matemático. Para conocer más sobre la matemática de estas ecuaciones, vea a continuación los enlaces "Para seguir explorando".

Después de desarrollar sus famosas ecuaciones, Maxwell y otros físicos empezaron a explorar sus implicaciones y a probar sus predicciones. Una predicción que provenía de las ecuaciones de Maxwell era que una carga que se movía de atrás para adelante de manera periódica, crearía un campo magnético oscilante. Este campo eléctrico produciría un campo magnético que cambia de manera periódica, el cual causaría que el campo eléctrico original continuara oscilando, etc. Esta vibración mutua permite a los campos eléctricos y magnéticos moverse en el espacio en la forma de una "onda electromagnética", tal como se muestra abajo:

Figura 1: Una onda electromagnética.

Debido a que este nuevo modelo matemático de electromagnetismo describe una onda, los físicos pudieron imaginar que la radiación electromagnética podía tomar las propiedades de ondas. Por lo tanto, como todas las ondas, las ondas electromagnéticas de Maxwell podían tener una gama de ondas de longitud y de frecuencias correspondientes (ver El movimiento de ondas para más información sobre ondas). Esta gama de ondas de longitud es conocida hoy en día como el "espectro electromagnético." La teoría de Maxwell también predecía que todas las ondas en el espectro viajaban a la velocidad característica de aproximadamente 300,000,000 metros por segundo. Maxwell pudo calcular esta velocidad a través de sus ecuaciones de la siguiente manera:

donde

El cálculo de Maxwell sobre la velocidad de una onda electromagnética incluye dos importantes constantes: la permitividad y la permeabilidad del espacio libre. La permitividad del espacio libre también es conocida como la "constante eléctrica" y describe la fortaleza de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas en un vacío. La permeabilidad de un espacio libre es el análogo magnético de una constante eléctrica. Éste describe la fortaleza de la fuerza magnética de un objeto en un campo magnético. Por consiguiente, la velocidad de una onda electromagnética viene directamente de una consideración fundamental de la electricidad y el magnetismo.

Cuando Maxwell calculó esta velocidad, se dio cuenta que estaba muy cerca de medir el valor para la velocidad de la luz, que se conocía hacía siglos a través de observaciones astronómicas. Después que las ecuaciones de Maxwell fueron ampliamente conocidas, el físico polaco-americano Albert Michelson realizó una medida muy precisa de la velocidad de la luz que estaba muy cerca del valor pronosticado por Maxwell. Ésto fue demasiado para Maxwell que no pudo aceptarlo como una coincidencia, y le hizo darse cuenta que la luz es una onda electromagnética y, por consiguiente, parte del espectro electromagnético.


El espectro electromagnético

A medida que los científicos e ingenieros empezaron a explorar las implicaciones de la teoría de Maxwell, realizaron experimentos que verificaban la existencia de diferentes regiones, o grupos de ondas de longitud, del espectro electromagnético. A medida que se desorrallaron usos prácticos de estas regiones del espectro, adquirieron nombre comunes, conocidos hoy en día, como "radio ondas" y "rayos X". Las ondas de longitud más largas pronosticadas por la teoría de Maxwell eran de más de un metro. Esta banda del espectro electromagnético es conocida como radio ondas. Las ondas electromagnéticas de longitud más corta se llaman rayos gamma, y tienen ondas de longitud menores de 10 picometros (un trillón más cortas que las radio ondas).

Entre estos dos extremos yace una pequeña banda de longitud de ondas que va de 400 a 700 nanómetros. La radiación electromagnética en esta gama es lo que llamamos "luz", pero no tiene una forma diferente de radio ondas, rayos gama, u otras ondas electromagnétcias que hoy en día sabemos que existen. Lo único particular de esta porción del espectro electromagnético es que la mayoría de la radiación producida por el sol y que golpea la superficie de la Tierra cae en esta gama. Debido a que los humanos se desarrollaron en la Tiera con la presencia del Sol, no es accidental que nuestros propios instrumentos biológicos para recibir radiación electromagnética -nuestros ojos- evolucionaran para poder recibir esta gama de longitud de ondas. Otros organismos han desarrollado órganos sensoriales que están sintonizados a diferentes partes del espectro. Por ejemplo, los ojos de las abejas y otros insectos son sensibles a la porción ultravioleta del espectro (así, no es una coincidencia que muchas flores reflejen luz ultravioleta), y estos insectos usan radiación UV para ver. Sin embargo, puesto que el sol emite primordialmente ondas electromagnéticas en la región de luz "visible", la mayoría de los organismos han evolucionado de manera que puedan usar esta radiación en vez de ondas radio o gama u otra. Por ejemplo, las plantas usan esta región del espectro electromagnético en la fotosíntesis. Para más información sobre las diferentes regiones del espectro electromagnético, vea el enlace con la página interactiva llamada Espectro electromagnético aquí debajo.

Las elegantes ecuaciones de Maxwell no solo unificaron los conceptos de electricidad y magnetismo, sino que también pusieron el familiar y muy estudiado fenómeno de la luz en un contexto que permitió a los científicos entender sus orígenes y comportamientos. Parecía que Maxwell había establecido de manera concluyente que la luz se comporta como una onda, pero es interesante ver que también sembró la idea que nos conduciría a una visión totalmente diferente de la luz. Pasarían más de treinta años hasta que un joven físico austriaco llamado Albert Einstein cosechara esa idea y, al hacerlo, iluminara el crecimiento de una revolución de nuestro entendimiento del funcionamiento del universo.


Desde adentro o desde atrás, una luz nos atraviesa iluminando las cosas, dándonos a entender que nos somos nada, pero que la luz lo es todo.

Ralph Waldo Emerson