Descubrimiento de las ondas de Radio: la confirmación de la Teoría Electromagnética

28/04/2009 5 comentarios
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La radiación electromagnética es la energía que se transmite a través del espacio en forma de ondas, ondas electromagnéticas, formadas por un campo eléctrico y otro magnético oscilantes y perpendiculares entre si y a su vez a la dirección de propagación como se ilustra en la Figura 1.

 

Figura 1. Representación de una onda electromagnética polarizada plana. Los campos eléctricos (E) y magnético (B) están en fase, perpendiculares entre si y a la dirección de propagación de la onda.

 

Sabemos que en el vacío estas ondas se propagan a la velocidad de la luz que recorre 2.9979 x 108 metros cada segundo y que su velocidad es inferior si lo hace a través de un medio material. No todas las radiaciones electromagnéticas tienen la misma longitud de onda sino que  esta se extiende a lo largo de un intervalo muy amplio conocido como espectro electromagnético cuyas regiones más importantes se representan en la Figura 2.

 

                         

 

Figura 2. Esquema general del espectro electromagnético, donde se muestran los distintos tipos de radiación y algunas de las formas de producir las diversas radiaciones.

 

  

Las ondas electromagnéticas dominan nuestro Universo y vida. Para ello basta con mirar a nuestro alrededor y percibir la luz que emiten las estrellas como el Sol, o escuchar la  Radio o hablar usando el teléfono móvil. ¿Desde cuando conocemos la naturaleza de estas ondas? ¿Cuándo se descubrieron?

 

Volvamos al siglo XIX y más concretamente a la época final de Faraday. Una de sus grandes contribuciones, la inducción electromagnética, descrita en un capítulo anterior de esta colección, también confirmó la convicción de Faraday de la presencia de una simetría en muchos fenómenos de la naturaleza. Si un campo eléctrico producía un campo magnético, de manera inversa un campo magnético produciría una corriente eléctrica.

Hacia la mitad del siglo XIX el científico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879) estudiaba fascinado los fenómenos eléctricos y magnéticos descubiertos, entre otros, por Faraday. Ayudado por la contemplación de las líneas de fuerza del campo magnético, que de manera ingeniosa había hecho visible el científico Inglés usando limaduras de hierro y un imán, dedujo un sistema de ecuaciones –las ecuaciones de Maxwell- que describían la estructura y relación de estos campos eléctricos y magnéticos.  Son cuatro ecuaciones que condensan todo el cuerpo de doctrina del electromagnetismo a nivel clásico. En otras palabras, todo fenómeno en el que participen la electricidad y magnetismo se puede describir a nivel de la Física clásica utilizando las ecuaciones de Maxwell. Hoy en día se considera que la teoría electromagnética de Maxwell y la teoría de Newton sobre el movimiento y gravedad, constituyen los pilares maestros de la Física clásica.

 

Maxwell percibió que sus ecuaciones sugerían la existencia de ondas electromagnéticas. Es decir, de sus ecuaciones se desprendía como un campo magnético variable creaba un campo eléctrico y como la variación del campo eléctrico originaba a su vez el campo magnético variable, y que este proceso cíclico originaba por tanto una onda electromagnética propagándose a lo largo del espacio. También comprobó que se podía calcular la velocidad con que se propagaban estas ondas y descubrió, no sin cierta sorpresa y placer, que la velocidad era la medida para la velocidad de la luz. Para Maxwell la luz era también una radiación electromagnética. ¡Era extraordinario comprobar como su teoría que unificaba la electricidad y magnetismo también era una teoría de la luz!

 

En la época de Maxwell no se conocía ninguna carga oscilante que pudiera producir luz. Esto se consiguió muchos años más tarde. Así pues nadie  creyó la teoría de Maxwell hasta que un físico alemán R. Heinrich Hertz (1857-1894) descubrió las ondas de radio mediante una serie de experimentos confirmando así la teoría de Maxwell de la radiación electromagnética.

 

Antes de que Hertz hiciera sus experimentos se sabía poco más que el espectro visible acerca del espectro electromagnético. Así en 1800 Herschel descubrió una radiación invisible más allá del rojo que recibió el nombre de infrarrojo y años más tarde Ritter descubrió la radiación ultravioleta a partir del hecho de que ennegrecía el cloruro de plata.

 

Hertz hizo su descubrimiento en 1888 cuando ya era profesor de Física en la Universidad de Karlsruhe. El montó un circuito eléctrico oscilante tal y como se ilustra en  la Figura 3.

 

                              

 

Figura 3. Aparato usado por Hertz para producir ondas de radio. Mediante una bobina de inducción conectadas a las láminas de cobre A y A’, las dos esferas de latón adquieren un potencial eléctrico diferente tal que en un momento dado se produce una descarga (chispa) eléctrica.

 

Mediante una bobina de inducción conectadas a dos placas de cobre A y A' logró producir una chispa eléctrica entre dos esferas metálicas de latón separadas por un pequeño espacio de aire. Cuando el potencial eléctrico alcanzaba un máximo tanto en una dirección u otra saltaba la chispa eléctrica entre las esferas. Era un circuito oscilante que producía  descargas  a la frecuencia de resonancia. Según la Teoría de Maxwell cada oscilación produciría una onda electromagnética que se propagaría a la velocidad de la luz.

 

 Hertz usó  como detector una espira de cable conductor donde los extremos terminaban en unas pequeñas esferas metálicas tal y como se ilustra en la Figura 4.

 



Figura 4. Esquema simplificado usado por Hertz para descubrir las ondas de radio. Las chispas inducidas por un circuito eléctrico con una fuente de alto voltaje  dan lugar a una corriente oscilante que irradia ondas electromagnéticas. Las ondas se propagan varios metros hasta llegar a un circuito eléctrico aislado, el receptor, donde a su vez inducen una corriente. Hertz observó como se producían chispas secundarias de menor intensidad que las originadas en el transmisor pero a la misma frecuencia. Los espejos parabólicos ayudaban a enfocar las ondas de radio en el transmisor y receptor.

 

 

Cuando la corriente oscilante originaba chispas en el primer circuito, y se emitía radiación electromagnética, esta producía corriente en la segunda espira saltando pequeñas chispas entre las esferas de la espira detectora. Hertz usó espejos parabólicos tal y como se ilustra en la Figura  para concentrar y enfocar las ondas en el transmisor y receptor. En su experimento Hertz pudo mover el detector colocándolo en varias posiciones y distancias del transmisor y así calcular la longitud de onda de la radiación que resultó ser de 66 centímetros. Con estos experimentos y otros adicionales Hertz demostró que estas ondas eran pues de origen electromagnético y que su velocidad era la de la luz según había predicho años antes Maxwell.

 

Resulta interesante constatar que cuando se le preguntó a Hertz si sus experimentos podían dar pie al desarrollo de la Radiotelegrafía, el contesto que era  imposible dado que ello requeriría la construcción de reflectores de un tamaño astronómico. Hertz creía que las ondas de radio tenían que ser enfocadas para que pudieran viajar a cierta distancia, sin percatarse de que el desarrollo de detectores mucho más sensibles haría innecesario dicho enfoque. También señalaba el inconveniente de que mientras la Tierra era redonda, las ondas viajaban en linea recta. En aquel entonces no se sabía nada sobre la reflexión de las ondas de radio en la Ionosfera.

 

En honor a Hertz hoy día se usa su nombre como la unidad de frecuencia. 1 hercio (1Hz) equivale a una vibración por segundo (1Hz = 1 s-1).