Ondas Electromagnéticas

El descubrimiento de las ondas electromagnéticas fue uno de los avances más importantes del siglo XIX. Cuando Maxwell postuló la existencia de estas ondas consiguió aclarar el problema de la naturaleza de la luz, y además unir la electricidad, el magnetismo y la óptica en una misma rama. Sin embargo no pudo demostrar su existencia , fue Hertz 20 años despues ,en 1887, el primero en producir ondas electromagnéticas y con ello confirmar las leyes deMaxwell.

Dentro de este tipo de ondas dependiendo de su longitud de onda y frecuencia, se clasifican en distintos tipos. Las aplicaciones fueron inmediatas y hoy en día las ondas de radio y televisión, las microondas, los Rayos X..., son algo cotidiano.

Los efectos que estas ondas provocan en las personas no son del todo conocidos. Efectos de las radiaciones gamma, rayos x, rayos UVA, son conocidos, pero los de las ondas de radio y televisión no . Algunos estudios indican que estas ondas pueden ser una seria amenaza para la salud, pudiendo provocar efectos adversos sobre el hombre tal y como el desarrollo de tumores, debilitación del sistema inmunológico, hiperactividad, etc. Sin embargo no hay un concenso científico ni explicación clara sobre los efectos de estas ondas sobre las personas.

Naturaleza de la luz

La naturaleza física de la luz ha sido uno de los grandes problemas de la ciencia. Desde la antigua Grecia se consideraba la luz como algo de naturaleza corpuscular, eran corpúsculos que formaban el rayo luminoso. Así explicaban fenómenos como la reflexión y refracción de la luz. Newton en el siglo XVIII defendió esta idea, suponía que la luz estaba formada por corpúsculos lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz. Escribió un tratado de Óptica en el que explicó multitud de fenómenos que sufría la luz.

En 1678 Huygens defiende un modelo ondulatorio , la luz es una onda. Con este modelo se explicaban fenómenos como la interferencia y difracción que el modelo corpuscular no era capaz de explicar. Así la luz era una onda longitudinal, pero las ondas longitudinales necesitan un medio para poder propagarse, y surgió el concepto de éter como el "medio" en el que estamos

inmersos. Esto trajó aún más problemas, y la naturaleza del eter fue un quebradero de cabeza de muchos científicos.

La solución al problema la dió Maxwell en 1865, la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío. Quedaba ya por tanto resuelto el problema del éter con la aparición de estas nuevas ondas.

Maxwell se basó en los estudios de Faraday del electromagnetismo, y concluyó que las ondas luminosas son de naturaleza electromagnética. Una ONDA ELECTROMAGNÉTICA se produce por la variación en algún lugar del espacio de las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia. No necesita ningún medio para propagarse, son ondas transversales.

Una carga eléctrica oscilando con una determinada frecuencia, produce ondas electromagnéticas de la misma frecuencia. La velocidad con la que se propagan estas ondas en el vacío es:

c = 3 10 8 m/s

Tipos de ondas electromagnéticas

Rayos Gamma Rayos X Rayos UVA Luz visible Radiación infrarroja Radiación microondas Ondas de radio

Rayos gamma

Su longitud de onda (lambda) < 0.1 Ao, donde 1 Ao(Armstrong) es igual a 10 -

10m. Se originan en las desintegraciones nucleares que emiten radiación gamma. Son muy penetrantes y muy energéticas.

Rayos X

Se producen por oscilaciones de los electrones próximos a los núcleos.

0.1Ao < lambda < 30 Ao

Son muy energéticos y penetrantes, dañinos para los organismos vivos, pero se utilizan de forma controlada para los diagnósticos médicos.

Rayos X

Rayos UVA

Se producen por saltos electrónicos entre átomos y moléculas excitados.

30Ao < lambda < 4000 Ao

El Sol es emisor de rayos ultravioleta, que son los responsables del bronceado de la piel. Es absorvida por la capa de ozono, y si se recibe en dosis muy grandes puede ser peligrosa ya que impiden la división celular, destruyen microorganismos y producen quemaduras y pigmentación de la piel.

Luz visible

Es la pequeña parte del espectro electromagnético a la que es sensible el ojo humano.

400 nm < lambda < 750 nm

Se producen por saltos electrónicos entre niveles atómicos y moleculares. Las longitudes de onda uqe corresponden a los colores básicos son:

ROJO De 6200 a 7500 Ao

NARANJA De 5900 a 6200 Ao

AMARILLO De 5700 a 5900 Ao

VERDE De 4900 a 5700 Ao

AZUL De 4300 a 4900 Ao

VIOLETA De 4000 a 4300 Ao

Radiación infrarroja

Es emitida por cuerpos calientes y son debidas a vibraciones de los átomos.

10 -3m < lambda < 10-7m

La fotografía infrarroja tiene grandes aplicaciones,:en la industria textil se utiliza para identificar colorantes, en la detección de falsificaciones de obras de arte, en telemandos, estudios de aislantes térmicos, etc. En la foto se observa la fotografia en infrarojos de una mano:

Radiación de microondas

Son producidas por vibraciones de moléculas.

0.1 mm < lambda < 1 m

Se utilizan en radioastronomia y en hornos eléctricos. Esta última aplicación es la más conocida hoy en día y en muchos hogares se usan los "microondas". Estos hornos calientan los alimentos generando ondas microondas que en realidad calientan selectivamente el agua. la mayoría de los alimentos, incluso los "secos" contienen agua. Las microondas hacen que las moléculas de agua se muevan, vibran, este movimiento produce fricción y esta fricción el calentamiento. Así no sólo se calienta la comida, otras cosas ,como los recipientes, pueden calentarse al estar en contacto con los alimentos.

Ondas de radio

Son ondas electromagnéticas producidas por el hombre con un circuito oscilante.

1 cm < lambda < 1 km

Se emplean en radidifusión, las ondas usadas en la televisión son las de longitud de onda menor y las de radio son las de longitud de onda mayor. Lasradiondas más largas se reflejan en la ionosfera y se pueden detectar en antenas situadas a grandes distancias del foco emisor. Las ondas medias se reflejan menos en la ionosfera, debido a su gran longitud de onda pueden superar obstáculos, por lo que pueden recorrer grandes distancias. Para superar montañas necesitan repetidores. Las ondas cortas no se reflejan en la

ionosfera, requieren repetidores más próximos. Se transmiten a cualquier distancia mediante los satélites artificiales. Este tipo de ondas son las que emiten la TV,teléfonos móviles y los radares.

ContenidoApunte de magnetismo: Fuerza magnética sobre una corriente rectilínea y sobre una espira rectangular. Galvanómetro de cuadro móvil. Motor eléctrico.

FUERZAS MAGNETICASFuerza magnética sobre una corriente rectilíneaUna carga en movimiento en presencia de un imán experimenta una fuerza magnética Fm que desvía su trayectoria. Dado que la corriente eléctrica supone un movimiento continuado de cargas, un conductor por donde circula corriente sufrirá, por la acción de un campo magnético, el efecto conjunto de las fuerzas magnéticas que se ejercen sobre las diferentes cargas móviles de su interior. Si la corriente es rectilínea y de longitud l,la expresión de la fuerza magnética toma la forma:

Fm = I.B.L.sen φ (11.6)

en donde I es la intensidad de corriente, B la intensidad de campo y φ el ángulo que forma la corriente con el vector campo. La anterior ecuación, que se conoce como ley de Laplace, se puede obtener experimentalmente, también puede deducirse de la expresión Fm = I.B.l. sen φ de la fuerza magnética sobre una carga móvil. Admitiendo que la corriente es estacionaria, esto es, de intensidad constante y considerando en tal circunstancia el movimiento de avance de las cargas como uniforme, se cumple la igualdad:

q.v = I.L (11.7)

pues en tal supuesto v = L/t e I = q/t; despejando la variable t en ambas ecuaciones e igualándolas, resulta

L/v = q/I

ecuación equivalente a la anterior. La dirección y el sentido de la fuerza magnética Fm se obtiene aplicando la regla de la mano izquierda, con el dedo pulgar representando la dirección de la fuerza magnética Fm,el índice el campo magnético B y el dedo corazón la corriente l.

Fuerza magnética sobre una espira rectangularUna espira con forma rectangular por la que circula una corriente cuando es situada en el interior de un campo magnético, como el producido por un imán de herradura, sufre un conjunto de acciones magnéticas que producen en ella un movimiento de giro o rotación, hasta situarla dispuesta paralelamente a la dirección del campo B (o dirección de las líneas de fuerza).

La explicación de este fenómeno puede efectuarse aplicando la ley de Laplace a cada uno de los tramos rectilíneos de la espira. Supóngase que como se muestra en la figura adjunta, la espira puede girar en torno a un eje que es perpendicular a las líneas de fuerza. La espira rectangular está formada por dos pares de segmentos rectilíneos paralelos entre sí, un par horizontal AD y BC y otro vertical AB = DC, por los que circula la corriente I. Cuando se aplica la regla de la mano izquierda a los segmentos horizontales AD y BC se advierte que las fuerzas magnéticas correspondientes resultan verticales y opuestas de modo que no producen ningún efecto de movimiento. Las fuerzas sobre los segmentos verticales AB y DC son opuestas y paralelas y están contenidas en un plano horizontal. Constituyen por tanto un par de fuerzas, el cual da lugar a un movimiento de giro que hace que la espira se sitúe perpendicularmente a las líneas de fuerza. En tal situación también estas otras fuerzas actuantes se anulan mutuamente y el cuadro permanece en equilibrio. La expresión del momento del par de fuerzas que actúa sobre la espira es, de acuerdo con su definición:

M = fuerza x braza = Fm.b.sen φ

donde bes la dimensión horizontal de la espira y es el ángulo que forma la dirección de una cualquiera de las dos fuerzas del par con la línea que une sus respectivos puntos de aplicación. La aplicación de la ley de Laplace a uno cualquiera de los segmentos verticales de longitud a da lugar a la expresión:

Fm = B.I.a.sen 90° = B.I.a

pues B y la dirección de la corriente I son perpendiculares; la expresión del momento toma la forma:

M = B.I.a.b.sen α = B.I.S.sen α (11.8)

donde S = a . b es el área de la espira. Cuando la espira al girar se orienta paralelamente al campo, α se hace cero y el momento M resulta nulo, lo que explica que esta orientación sea la del equilibrio.

Galvanómetro de cuadro móvilEl galvanómetro de cuadro o bobina móvil se basa en el fenómeno anteriormente descrito. La expresión del momento M de la fuerza magnética aplicada a una bobina de N espiras resulta de multiplicar por el número de espiras el momento de una sola, es decir:

M = N.B.I.S.sen α

que indica que el momento M y la intensidad de corriente I son directamente proporcionales. En un galvanómetro de cuadro móvil una aguja cuyo extremo señala una escala graduada se mueve junto con una bobina, y un resorte en espiral se opone a cualquier movimiento de giro, manteniendo la aguja, en ausencia de corriente, en el cero de la escala. Si se hace pasar por la bobina una corriente eléctrica, el par de las fuerzas magnéticas deforman el resorte oponiéndose al par recuperador de éste. Cuando sus momentos respectivos se

igualan, la aguja se detiene en una posición que estará tanto más desplazada del origen de la escala cuanto mayor sea la intensidad de corriente que circula por el galvanómetro.

Motor eléctricoAun cuando una bobina por la que circula una corriente eléctrica puede girar por la acción de un campo magnético, dicho giro es transitorio y acaba cuando el plano de la bobina se sitúa perpendicularmente al campo. Para conseguir un movimiento de rotación continuado es necesario que en cada media vuelta se invierta el sentido de la corriente que circula por la bobina, con lo que el nuevo par actuando en el sentido del movimiento provoca la siguiente media vuelta y así sucesivamente. Aun cuando en la posición de la bobina perpendicular a las líneas de fuerza el momento es nulo, dicha orientación es sobrepasada debido a la inercia de la bobina en movimiento, lo que permite que el nuevo par entre en acción.

En un motor de corriente continua la bobina está arrollada sobre un cilindro formado por láminas de hierro; este conjunto constituye el rotor. El elemento conmutador encargado de invertir en cada media vuelta el sentido de la corriente eléctrica que circula por la bobina, está formado por dos piezas semicilíndricas o delgas,aisladas eléctricamente entre sí, solidarias al rotor y en contacto con unas varillas de grafito o escobillas,cuya misión es mantener el paso de la corriente del generador a la bobina. Con frecuencia el campo magnético es producido por un electroimán alimentado también por corriente eléctrica.

La corriente alterna, que es la empleada habitualmente para usos domésticos e industriales, se caracteriza porque invierte su sentido de modo alternativo a razón de 50 veces por segundo, lo cual hace innecesario el conmutador. Por tal motivo, los motores que funcionan con corriente alterna disponen de unos anillos colectores completos y no partidos en dos mitades aisladas como en los motores de corriente continua. Su velocidad de rotación está limitada, en este caso, por la frecuencia de la corriente que los alimenta.

Ejemplo de fuerza magnética sobre una corriente eléctrica: Por un hilo conductor rectilíneo de 0,75 m de longitud circula una corriente de 20 A de intensidad; se coloca en el campo magnético producido por un imán de herradura, formando la corriente un ángulo de 30° con respecto a las líneas de fuerza del campo magnético. Si la intensidad del campo B es de 2.10³ T, determinar numéricamente la magnitud de la fuerza y con la ayuda de una figura su dirección y sentido.

La ley de Laplace proporciona la expresión de la fuerza magnética que sufre una corriente eléctrica I rectilínea y de longitud L si está inmersa en un campo magnético B:

Fm = I.B.L.sen φ

siendo φ el ángulo que forma la corriente con el campo B . Sustituyendo en la expresión anterior se tiene:

Fm = 20 A 2.10³.T.0,75 m sen 30 = 1,5.10 ² N

La aplicación de la regla del tornillo proporciona la dirección y sentido de Fm, que es perpendicular a la corriente y al campo, y en este caso dirigida hacia abajo, según el esquema de la figura.

Atracciones y repulsiones magnéticas entre corrientesLas corrientes eléctricas en presencia de imanes sufren fuerzas magnéticas, pero también las corrientes eléctricas y no sólo los imanes producen campos magnéticos; de modo que dos corrientes eléctricas suficientemente próximas experimentarán entre sí fuerzas magnéticas de una forma parecida a lo que sucede con dos imanes. La experimentación con conductores dispuestos paralelamente pone de manifiesto que éstos se atraen cuando las corrientes respectivas tienen el mismo sentido y se repelen cuando sus sentidos de circulación son opuestos. Además, esta fuerza magnética entre corrientes paralelas es directamente proporcional a la longitud del conductor y al producto de las intensidades de corriente e inversamente proporcional a la distancia r que las separa, dependiendo además de las características del medio.

La explicación de tales resultados experimentales puede hacerse aplicando ordenadamente la ley de Laplace, Fm = I.B.L.sen φ,la expresión del campo magnético debido a una corriente rectilínea, B = μ .l/2.π.r y las relaciones entre las direcciones del campo B,la corriente I y la fuerza Fm resumidas en la regla de la mano izquierda. La corriente I1 crea a nivel de I2 un campo magnético de intensidad B1 igual a:

B1 = μ .I1/2.π.r

Al estar sometido al campo B1,la corriente I2 experimenta una fuerza magnética debida a I1 igual a:

F12 = B1.I2.L

ya que al ser B1 e I2 perpendiculares, sen φ = 1. Sustituyendo B1 por su valor resulta:

F1  2 = μ .I1,I2.L/2.π.r (11.9)

Inversamente, la corriente I2crea al nivel de I1 un campo magnético:

B2 = μ .I2./2.π.r

por lo que la corriente I1experimenta una fuerza magnética debida a I2 e igual a:

F1  2 = B2.l1.I = μ .I1,I2.L/2.π.r (11.10)

El estudio gráfico que se muestra en la figura anterior indica que tales fuerzas de igual magnitud tienen sentidos opuestos. Se trata, por tanto, de fuerzas de acción y reacción que definen la interacción magnética entre las corrientes y cuya magnitud depende de las intensidades de corriente, de la longitud y de la distancia en la forma indicada por los experimentos. Por otra parte, la aplicación de la regla de la mano izquierda explica su carácter atractivo o repulsivo en función del sentido igual u opuesto de las corrientes consideradas.

La definición de ampere internacionalEl hecho de que las fuerzas se sepan medir con facilidad y con precisión sugirió la posibilidad de definir el ampere como unidad fundamental recurriendo a experiencias electromagnéticas, en las cuales la fuerza

magnética varía con la intensidad de corriente según una ley conocida. Tal es el caso de la interacción magnética entre corrientes paralelas.

Considerando como medio el vacío con μ 0 = 4.π 10-7 y la distancia entre los hilos conductores de 1 m, la expresión de la fuerza magnética entre ellos se convierte en:

F = 4.π.10-7.l2.L/2.π.1 = 2.10-7.l2.L

Haciendo en la anterior ecuación I = 1 A y L = 1 m, resulta una fuerza F =2.10-7 N, lo cual permite definir el ampere como la intensidad de corriente que circulando por dos conductores rectilíneos de longitud infinita, sección circular y paralelos, separados entre sí un metro en el vacío, producirá una fuerza magnética entre ellos de 2.10-7 N por cada metro de longitud de cada uno de los dos hilos.

EL MAGNETISMO NATURALEl magnetismo de la materiaEl hierro es el material magnético por excelencia, pues en contacto con un imán y, en general, cuando es sometido a la acción de un campo magnético,adquiere propiedades magnéticas, esto es, se imana o magnetiza. El tipo de materiales que como el hierro presentan un magnetismo fuerte reciben el nombre de sustancias ferromagnéticas. Los materiales que por el contrario poseen un magnetismo débil se denominan paramagnéticoso diamagnéticos según su comportamiento. Las sustancias ferromagnéticas se caracterizan porque poseen una permeabilidad magnética μ elevada, del orden de 10 ² a 106veces la del vacío μ 0. En las sustancias paramagnéticas el valor de μ es ligeramente mayor que el del m0, mientras que en las diamagnéticas es ligeramente menor. Por tal motivo el magnetismo de este tipo de sustancias es inapreciable a simple vista.

Junto con el hierro, el níquel,el cobalto y algunas aleaciones son sustancias ferromagnéticas. El estaño, el aluminio y el platino son ejemplos de materiales paramagnéticos, y el cobre, el oro, la plata y el cinc son diamagnéticos. A pesar de esta diferencia en su intensidad, el magnetismo es una propiedad presente en todo tipo de materiales, pues tiene su origen en los átomos y en sus componentes más elementales.

El origen del magnetismo naturalEl hecho de que los campos magnéticos producidos por los imanes fueran semejantes a los producidos por las corrientes eléctricas llevó a Ampère a explicar el magnetismo natural en términos de corrientes eléctricas. Según este físico francés, en el interior de los materiales existirían unas corrientes eléctricas microscópicas circulares de resistencia nula y, por tanto, de duración indefinida; cada una de estas corrientes produciría un campo magnético elemental y la suma de todos ellos explicaría las propiedades magnéticas de los materiales.

Así, en los imanes las orientaciones de esas corrientes circulares serían todas paralelas y el efecto conjunto, sería máximo. En el resto,al estar tales corrientes orientadas al azar se compensarían mutuamente sus efectos magnéticos y darían lugar a un campo resultante prácticamente nulo. La imanación del hierro fue explicada por Ampère en la siguiente forma: en este tipo de materiales el campo magnético exterior podría orientar las corrientes elementales paralelamente al campo de modo que al desaparecer éste quedarían ordenadas como en un imán.

De acuerdo con los conocimientos actuales sobre la composición de la materia, los electrones en los átomos se comportan efectivamente como pequeños anillos de corriente. Junto a su movimiento orbital en torno al núcleo, cada electrón efectúa una especie de rotación en torno a sí mismo denominada espín; ambos pueden contribuir al magnetismo de cada átomo y todos los átomos al magnetismo del material. En la época de Ampère se ignoraba la existencia del electrón; su hipótesis de las corrientes circulares se adelantó en tres cuartos de siglo a la moderna teoría atómica,por lo que puede ser considerada como una genial anticipación científica.

Los cinturones de radiación de Van AllenLa existencia del campo magnético terrestre ejerce un efecto protector de la vida sobre la Tierra. De no ser por él, el nivel de radiación procedente del espacio sería mucho más alto y el desarrollo y mantenimiento de la vida en la forma actualmente conocida probablemente no hubiera sido posible.

A la radiación cósmica procedente de las explosiones nucleares que se producen continuamente en multitud de objetos celestes situados en el espacio exterior, se le suma la que proviene de la actividad de la corona solar. Un chorro de partículas cargadas. compuesto principalmente de protones y electrones, es proyectado desde el Sol hacia la superficie terrestre como si de una corriente de viento se tratara, por lo que se denomina viento solar.

Al llegar a la zona de influencia del campo magnético terrestre (también llamada Magnetosfera) todas estas partículas cargadas que provienen de la radiación cósmica y del viento solar, sufren la acción desviadora de las fuerzas magnéticas. Estas se producen en una dirección perpendicular a la trayectoria de la partícula y a las líneas de fuerza del campo magnético terrestre y sitúan a una importante cantidad de protones y electrones en órbita en tomo a la Tierra como si se trataran de pequeños satélites. Sólo una pequeña fracción formada por aquellas partículas que inciden en la dirección de las líneas de fuerza, no experimenta fuerza magnética alguna y alcanza la superficie terrestre. Ese conjunto de partículas cargadas orbitando alrededor de la Tierra se concentra, a modo de cinturones, en ciertas regiones del espacio. Son los llamados cinturones de radiación de Van Allen. En ellos, la densidad de partículas cargadas moviéndose a gran velocidad es tan alta que en las expediciones espaciales el atravesarlos supone siempre un riesgo, tanto para los astronautas como para el instrumental de comunicación.

ueves 18 de junio de 2009

Fuerza magnética entre dos conductores paralelos

Como una corriente en un conductor crea su propio campo magnético, es fácil entender que los conductores que lleven

corriente ejercerán fuerzas magnéticas uno sobre el otro. Como se vera, dichas fuerzas pueden ser utilizadas como

base para la definición del ampére y del Coulomb. Considérese dos alambres largos, rectos y paralelos separados a una

distancia a que llevan corrientes I¹ e I² en la misma dirección, como se muestra. Se puede determinar facilmente la

fuerza sobre uno de los alambres debida al campo magnético producido por el otro alambre. El alambre 2, el cual lleva

una corriente I², genera un campo magnético B² en la posición del alambre 1, la fuerza magnética sobre una longitud l

del alambre 1 es F¹ = I¹l x B²

Se ve que

Esto se puede reescribir en términos de la fuerza por unidad de longitud como

La direccion de F¹ es hacia abajo, hacia el alambre 2. Si se considera el campo sobre el

alambre 2 debido al alambre 1, la fuerza F² sobre el alambre 2 se encuntra que es igual y opuesta a F¹.

Conductores paralelos que lleven corrientes en la misma direccion se atraen uno al otro, mientras que conductores

paralelos que lleven corrientes en direcciones opuestas se repelen

Imanes y propiedades magnéticas

El magnetismo es una propiedad por la cual los materiales se atraen o repelen de otros. Todos los materiales tienen propiedades magnéticas aunque sólo unos pocos las tienen en una medida mucho mayor que los demás y los denominamos magnéticos.  Los materiales magnéticos se clasifican según su comportamiento al acercarse a un imán o campo magnético.

Los materiales tienen momentos magnéticos, que podemos representar como pequeños vectores de fuerza. Cada uno de estos momentos magnéticos tiene una dirección y sentido. Si ante la aplicación de un campo magnético todos los momentos magnéticos se alinean de la misma forma, existe un momento magnetico total resultante con la misma dirección y sentido que el resto. Los materiales que alinean sus momentos magnéticos ante la presencia de un campo magnético y los mantienen alineados, es decir que el material queda magnetizado, se denominan ferromagneticos.

La facilidad con la que un material atrae y deja pasar a un campo magnético se denomina permeabilidad magnética. El grado en el que un material se magnetiza frente a un campo magnético se denomina suceptibilidad magnética.

ImanesLos materiales que tienen un campo magnético más notable que la mayoría se denominan imanes. Un imán puede ser natural o formado magnetizando un material con propiedades magnéticas como lo es el hierro. Un material (cuyas propiedades lo permitan) se magnetiza acercándolo a un campo magnético (por ejemplo a otro imán). Los imanes tienen dos polos llamados Norte y Sur. Si se divide un imán, éste vuelve a tener nuevamente dos polos.

ElectroimanesLos electroimanes son imanes que funcionan con una corriente eléctrica. Presentan sus propiedades magnéticas al circular esta corriente y se puede variar su intensidad variando la cantidad de corriente.

Campo magnético

Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magnéticas) sobre los materiales. Al igual que el campo eléctrico también es un campo vectorial, pero que no produce ningún efecto sobre cargas en reposo (como sí lo hace el campo eléctrico en dónde las acelera a través de la fuerza eléctrica). Sin embargo el campo magnético tiene influencia sobre cargas eléctricas en movimiento.

Si una carga en movimiento atraviesa un campo magnético, la misma sufre la acción de una fuerza (denominada fuerza magnética). Esta fuerza no modifica el módulo de la velocidad pero sí la trayectoria (ver fuerza magnética). Sobre un conductor por el cual circula electricidad y que se encuentra en un campo también aparece una fuerza magnética.

El campo magnético está presente el los imanes. Por otro lado, una corriente eléctrica también genera un campo magnético.

El campo magnético se denomina con la letra B y se mide en Tesla.

Fuerza magnética sobre una carga en movimiento

Sobre una carga eléctrica en movimiento que atraviese un campo magnético aparece una fuerza denominada Fuerza Magnética. Ésta modifica la dirección de la velocidad, sin modificar su módulo. El sentido se calcula por la regla de la mano derecha (índice = velocidad, mayor = campo, pulgar = fuerza, formando 90 grados entre cada uno de los tres dedos). El sentido de la fuerza es para cargas positivas. Si las cargas son negativas el sentido es el opuesto al obtenido con la regla de la mano derecha.

Valor de la fuerza magnética

Fm = q v B sen θ

q = Valor de la cargav = VelocidadB = Campo magnéticoθ = Angulo entre la velocidad y el campo

Fuerza magnética sobre un conductor

Sobre un conductor por el que circula una corriente eléctrica y que se encuentre dentro de un campo magnético también aparece una fuerza magnética. El sentido de la fuerza también se puede calcular por la regla de la mano derecha, considerando a la velocidad de las cargas positivas en la misma dirección del conductor.

El módulo de la fuerza se calcula como:

I = Intensidad de corriente (en Amper).l = Longitud del conductor dentro del campo.B = Campo magnético 

Si el conductor es paralelo al campo magnético, la fuerza es 0.

Fuerza magnética en dos conductores paralelos

Si por dos conductores circula una corriente, cada uno sufrirá el efecto del campo magnético del otro. Si la corriente es de igual sentido aparece una fuerza de atracción entre ambos.

Campo magnético generado por una corriente

Una corriente que circula por un conductor genera un campo magnético alrededor del mismo. La dirección y el sentido del campo magnético alrededor de un conductor se determina por la regla del tirabuzón. La misma consiste en imaginar un tirabuzón que avanza representando a la corriente. Para hacerlo debe moverse girando en un determinado sentido. Ese es el sentido del campo magnético alrededor del conductor.

Para calcular el campo magnético alrededor de conductores se utilizan la Ley de Ampere y la Ley de Biot-Savart.

Ley de Ampere

La Ley de Ampere relaciona una intensidad de corriente eléctrica con el campo magnético que ésta produce. Se utiliza en conductores considerados teóricamente de longitud infinita, por ejemplo para calcular el campo alrededor de un conductor rectilíneo (a diferencia de otros, por ejemplo una espira cerrada, en dónde se utiliza la Ley de Biot-Savart).

μ0 = Constante de permeabilidad magnéticai = Intensidad de la corrienteB = Campo magnéticodl = Diferencial de longitud del circuito que se toma alrededor del conductorθ = Angulo formado con el diferencial de longitudFEM inducida en un conductor en movimiento

Sobre un conductor que se mueve atravesando un campo magnético aparece una fuerza electromotriz inducida. El valor de la misma se calcula como:

E = B l v

E = Valor de la FEMB = Campo magnéticol = Longitud del conductor dentro del campov = Velocidad del conductor

El sentido de la misma se calcula por la regla de la mano derecha. El sentido que se obtiene para la fuerza corresponde con el movimiento de cargas positivas. Para el siguiente ejemplo el campo es entrante y la velocidad hacia la derecha.

FEM inducida en una espira

Cuando una espira es atravesada por un flujo magnético variable, se induce una fuerza electromotriz sobre la misma. Una FEM puede ser inducida en una espira ya sea variando la intensidad de campo magnético que la atraviesa (por lo tanto variando el flujo), o moviendo la espira de tal forma que el campo incida de una

forma distinta y cambie la intensidad de flujo que la atraviesa.

De forma general, por medio de la Ley de Faraday se determina que la FEM es igual a la variación de flujo sobre la variación de tiempo. Por medio de la Ley de Lenz se le agrega un signo negativo que indica que la FEM genera una corriente en sentido contrario a la causa que la produce.

Por otro lado si el campo magnético es constante pero la espira se mueve dentro del mismo girando de tal forma que se modifique el flujo, también se genera una FEM. Se analiza este caso en la sección de corriente alterna.

Inductores e inductancia

Un inductor es un arrollamiento de un material conductor sobre un núcleo de aire o preferentemente de un material ferromagnético. Al igual que un capacitor, también almacena energía pero mientras que el capacitor lo hace en el campo eléctrico, el inductor lo hace en un campo magnético. 

Cuando circula una corriente eléctrica por el inductor, éste genera un campo magnético y por lo tanto un flujo magnético. Si el flujo es variable, puede inducirse en otra bobina cercana generando en ésta una fuerza electromotriz inducida.

Si se hace circular una corriente alterna a través del inductor, el campo magnético varía según la frecuencia de la tensión y por lo tanto el flujo es variable y puede inducirse en otro inductor. Si en cambio se hace circular una corriente continua, el flujo es únicamente variable cuando se crea el campo (al conectar la alimentación) y cuando el campo se autoinduce (al desconectar la alimentación) y por lo tanto si hay otro inductor, la FEM inducida aparece únicamente en esos dos instantes de tiempo.

FEM inducida en un solenoide

La relación entre la FEM inducida en un solenoide, la inductancia y la variación de la corriente en el tiempo se calcula como:

L = InductanciaΔI/ Δt = Variación de la corrienteV = Tensión o Fuerza ElectromotrizEnergía almacenada en un inductor

Los inductores almacenan energía en el campo magnético. La misma se calcula como:

W = EnergíaL = Inductanciai = Corriente

Considero que para los objetivos didácticos de formación científica que nos hemos propuesto alcanzar con la difusión de este ensayo, es más aconsejable fijar la atención dentro de un limitado espacio tiempo de cuatro dimensiones y contentarnos con la noción algo más abstracta de «campo», una propiedad no geométrica que adquiere el espacio cuando hay una carga cerca. De allí salen las expresiones «campo eléctrico» y «campo magnético» que a menudo se escuchan. La carga lleva consigo ese campo, se mueve con él, como si fuera una especie de halo. Sólo quienes llevan carga pueden ver este halo. Así, el neutrón no ve eléctricamente al protón; el electrón en cambio sí lo ve, y gracias a la fuerza eléctrica, forma con él la variedad de átomos que conocemos.

Hasta comienzos del siglo XIX, las fuerzas eléctrica y el magnetismo eran consideradas distintas. A primera vista,

por cierto, lo son. Los imanes, por ejemplo, siempre tienen dos «polos», uno norte y otro sur. Los polos norte atraen a los polos sur, y viceversa. Si se corta un imán por la mitad, sin embargo, no se obtiene un polo norte o un polo sur aislados. Se producen dos nuevos imanes más pequeños, cada uno de los cuales tiene dos polos. La carga eléctrica, por otra parte, viene en dos tipos, que reconocemos como positivo y negativo. Las cargas negativas atraen a las positivas, y viceversa. Sin embargo, a diferencia de lo que sucede con los imanes, ambas cargas pueden ser aisladas con facilidad. Pero ambas categorías de fenómenos tienen una estrecha conexión, la cual fue descubierta en 1820 por el físico dinamarqués Hans Christian Oersted.

Oersted, tras una larga labor de ensayos experimentales logró obtener la evidencia de que era la acción de la corriente eléctrica la causante de la desviación de la aguja magnética. Con una evidencia dura, Oersted en la interpretación teórica de su descubrimiento, concluye que el efecto magnético no puede estar confinado en el alambre conductor, sino que su acierto se halla inserto en el entorno circundante. Esto, viene a representar el primer indicio intuitivo de la existencia del campo magnético.

Gracias a H.C. Oersted la ciencia logró conocer un concepto simple llamado electromagnetismo. Algo que puede ser experimentado, tan simplemente, como tomando un trozo de alambre y enrrollarlo sobre la superficie pulida de un clavo. Adjuntando los terminales del alambre a una pila (con una pila seca funciona mejor), el clavo comenzará a actuar como un imán mientras se mantiene el alambre alrededor de él, ya que si es quitado de la superficie del clavo, éste dejará de actuar como tal.

El trabajo que realizó Oersted sobre la conexión entre electricidad y magnetismo influyó entre otros científicos destacados tales como: Samuel F. Morse, François Arago, Andre Marie Ampere, Michael Faraday, James Maxwell, y Joseph Henry, por nombrar algunos. Henry se basó en los trabajos de Oersted para estudiar los componentes magnéticos de los inductores. Y fue sobre el trabajo que alcanzó a desarrollar este último, que Oliver Heaviside logró explicar más tarde, como las señales pueden ser conducidas a través de cables eléctricos, lográndose con ello mejoras sustanciales en las comunicaciones y una internacionalización de éstas.

Uno de los hallazgos importantes que es destacable, y que se origina también en sus fundaciones en las experiencias de Oersted, es el que realizó François Arago (1786-1853) al comprobar que las corrientes eléctricas no sólo desvían la aguja magnética, sino que imantan también el acero; el efecto se acentúa si se repliega el alambre espiralado conductor y se introduce una varilla y se introduce una varilla de hierro siguiendo un eje giratorio: se ha descubierto el principio del electroimán. Simultáneamente, y casi en forma paralela, André Marie Ampère comprobó que las corrientes eléctricas se atraen o rechazan como lo hacen las cargas electromagnéticas, demuestra que dos corrientes eléctricas paralelas y del mismo sentido se atraen, mientras que las de sentido contrario se repelen. Lo anterior, implica que la acción mutua de dos líneas de corriente no paralelas tiende a disminuir el ángulo que forman, dándose con ello los fenómenos de rotación que se producen en circuitos eléctricos. El hecho descrito dio origen a lo que se llama las leyes de Ampère y al comienzo de una nueva rama de la física: la electrodinámica.

Ampère, en 1825, creo las fundaciones teóricas del electromagnetismo, ello implica la descripción básica de la relación existente entre la electricidad y el magnetismo, que son expresadas a través de afirmaciones cuantitativas en una ley sobre la relación de un campo magnético con la corriente eléctrica o las variaciones de los campos eléctricos que lo producen. Se trata de una ley que es generalmente constatable dentro del uso formal del idioma del cálculo matemático: la línea integral de un campo magnético en una trayectoria arbitrariamente elegida es proporcional a la corriente eléctrica neta adjunta a la trayectoria. James Clerk Maxwell es el responsable de la formulación matemática de la ley y de la extensión de ella hacia campos magnéticos que se generan sin la participación de la corriente eléctrica, como se da entre los platos de un condensador, en el que el campo eléctrico cambia con las cargas y

descargas periódicas de los platos sin que en ello exista el paso de cargas eléctricas. Ahora bien, también existe una expresión alternativa a la ley de Ampère, la que reconocemos como  ley de Biot-Savart , que también relaciona el campo magnético y la corriente que lo produce.

Según Ampère, una corriente eléctrica es asimilable a un imán; por consiguiente, podría reemplazarlo. Demuestra esta afirmación con un solenoide, o sea, una bobina recorrida por una corriente eléctrica, y comprueba que ésta se comporta como un imán. Su éxito lo lleva a formular la hipótesis de que el magnetismo es el resultado de minúsculas corrientes que circulan en torno de las moléculas. Ampere reduce el estado magnético, en todas sus manifestaciones, a corrientes moleculares, liberando de esta suerte a la física de la hipótesis de los fluidos magnéticos, en boga desde mediados del siglo XVIII.

Las consecuencias prácticas de la obra de Ampère son tan considerables como su valor teórico. Se basó para desarrollar su trabajo reconociendo en el experimento de Oersted el medio para medir la intensidad de la corriente (galvanómetro) y fue el primero en sugerir la emisión de señales a distancia por medio de la corriente eléctrica. Con el último aporte descrito de Ampere, la invención del telégrafo no implicó el descubrimiento de algún nuevo principio relacionado. Poco después de su muerte ocurrida en 1836, fue construido, por el norteamericano John Finlay Morse en 1837, el primer telégrafo eléctrico.

Pero ya hacia la primera mitad del siglo XIX, se comenzaron a detectar lazos conectores entre la electricidad y el magnetismo. Primero se estableció que se podían crear campos magnéticos -imanes- moviendo cargas eléctricas, esto es, corrientes. Luego se demostró que un imán podía desviar el curso de una carga eléctrica en movimiento. Una sorpresa mucho mayor fueron los descubrimientos realizados en forma independiente por el físico británico Michael Faraday -un ex encuadernador de libros que llegó a ser director del pilar central de la ciencia británica que es la Royal Institution-, y el físico norteamericano Joseph Henry, quienes demostraron que un imán en movimiento puede crear un campo eléctrico y provocar un flujo de corriente.

Está claro que a mediados del siglo pasado ya se tenía conocimiento que había alguna relación fundamental entre la electricidad y el magnetismo: Una carga eléctrica en movimiento puede producir una fuerza magnética que desviará la aguja de una brújula cercana, y un imán en movimiento puede producir una corriente eléctrica en un cable cercano. Pero, aunque electricidad y magnetismo eran evidentemente dos caras de la misma moneda, nadie sabía exactamente cuál era esa moneda.

En 1865, James Clerk Maxwell, un físico escocés, publicó una descripción matemática de la relación entre electricidad y magnetismo. Sus fórmulas, llamadas hoy ecuaciones de Maxwell, mostraban que un objeto que vibre y poseedor de una carga eléctrica irradiará ondas electromagnéticas, análogas en muchos aspectos a las ondas que se extienden por la superficie del agua a partir de un guijarro arrojado a un estanque. En realidad, la gran contribución de Maxwell está en unir las fuerzas eléctrica y magnética en una única teoría, mostrando que estas dos fuerzas diferentes eran en realidad sólo dos caras distintas de la misma moneda. Maxwell, en particular, amplió los resultados anteriores para sostener de modo muy general que todo campo eléctrico cambiante crea un campo magnético y que, a su vez, todo campo magnético cambiante crea un campo eléctrico. Así, por ejemplo, si uno mide una carga eléctrica en reposo, mide también un campo eléctrico. Si uno avanza más allá de la misma carga, también medirá un campo magnético. Lo que se vea depende del estado de movimiento en que se esté. El campo eléctrico de una persona es el campo magnético de otra. ¡En realidad son dos aspectos diferentes de la misma cosa!

ECUACIONES MAXWELLIANAS:

Donde:E y H representan la intensidad del campo eléctrico y magnético que varían en el espacio y tiempo y dependen de las coordenadas espaciales x y z (no aparecen en las fórmulas) y de la única coordenada del tiempo t.; Div. (divergencia) es la medida de la razón de cambio; Rot. es la abreviación del vocablo "rotacion".

La primera ecuación indica que en un campo eléctrico en movimiento, la intensidad eléctrica permanece en todos los puntos la misma, siendo la razón de cambio igual a cero. La ecuación expresa que el número de las líneas de fuerza eléctrica que entran en un elemento infinitesimal del espacio es el mismo que sale de dicho espacio. Lo mismo vale para el campo magnético, como lo expresa la segunda ecuación. La tercera ecuación expresa que los cambios de un campo magnético (siendo 1/c el factor infinitesimal del cambio) crean un campo eléctrico que gira (Rot) en tomo de las líneas magnéticas. Lo mismo vale para los cambios de un campo eléctrico que crea un campo magnético. El signo negativo del factor, en la tercera ecuación, se refiere a la dirección del campo.

Es obvio que aquellos resultados alcanzados por los trabajos de Maxwell fueron relevantes para la física, pero comportaron además consecuencia, quizás, más significativas aún. Si agitamos una carga eléctrica hacia arriba y abajo, produciremos debido a los cambios que hemos generado en la carga, un campo magnético. Ahora, si estos cambios de la carga son regulares, de hecho produciremos un campo magnético cambiante. Este campo magnético cambiante producirá a su vez un campo eléctrico cambiante, que a su vez producirá un campo magnético

cambiante, y así sucesivamente. Una alteración «electromagnética», u onda, se moverá hacia fuera. Para los físicos, ello es estar frente a la presencia de un notable resultado. Pero lo que sí resulta ser excepcionalmente más importante aún, especialmente para el desarrollo posterior de la física teórica, es la contribución matemática de Maxwell que permite calcular, basándose solamente en la medición de la potencia de las fuerzas eléctricas y magnéticas entre las cargas estáticas y dinámicas, con qué velocidad se movería esa alteración. Las ecuaciones predicen que la velocidad de esas ondas alterativas es de 300.000 kilómetros por segundo, exactamente la velocidad de la luz tal como se había determinado ya por diversos experimentos. Maxwell llegó a la conclusión de que estas ondas electromagnéticas eran similares a la luz, que se sabía que tenía una naturaleza ondulatoria. De hecho, decidió, la luz visible era simplemente una de muchas formas de energía electromagnética, que se distinguía de las otras sólo por su diferente longitud de onda.

No es sorprendente, de hecho, que la luz sólo resulte ser una onda electromagnética, cuya velocidad se determina en términos de dos constantes fundamentales de la naturaleza: la potencia de la fuerza eléctrica entre partículas cargadas y la potencia de la fuerza magnética entre imanes. Sin embargo, esto en aquella época exacerbó un dilema. Los físicos de la época creían que todas las ondas requerían algún medio que las transportara, del mismo modo que el agua transporta las olas en el océano. Pero el espacio a través del cual viaja la luz de las estrellas se consideraba en general como vacío. La solución adoptada fue postular la existencia de un medio transportador de las ondas llamado éter, una materia insustancial e invisible que no impedía el movimiento de los cuerpos celestes.

En 1887, dos científicos norteamericanos, Albert Michelson y Edward Morley, realizaron un experimento para detectar el éter. Su instrumento, desarrollado por Michelson, utilizaba el principio de interferencia de las ondas de luz -el fortalecimiento o debilitación de las ondas que se hallan fuera de fase- para medir la velocidad de la luz en diferentes direcciones. Si la Tierra se mueve a través del éter, razonaron, entonces un rayo de luz apuntado en la dirección del movimiento de la Tierra viajará a una velocidad diferente de la de un rayo que se mueva perpendicularmente a ese movimiento: el movimiento de la Tierra y el movimiento de la luz que apunta hacia delante se sumarán, mientras que el otro rayo no obtendrá ningún impulso del movimiento de la Tierra: Michelson y Morley quedaron asombrados cuando su experimento les indicó que, independientemente de la dirección a la que fuera apuntado el rayo de luz, su velocidad era siempre la misma. Convencidos de que su equipo debía de tener algún fallo, repitieron el experimento con mayor precisión. Pero los resultados fueron idénticos, lo cual les obligó a llegar a una conclusión completamente opuesta al sentido común: La velocidad de la luz no resulta influenciada por el movimiento de su fuente o el movimiento de un observador. Es siempre la misma.

En su intento de probar la existencia del éter, un medio invisible que se suponía que llenaba el espacio, los científicos norteamericanos Albert Michelson y Edward Morley realizaron un ingenioso experimento en 1887. Como se muestra en el diagrama simplificado de la izquierda, una fuente de luz (A) enviaba un rayo de luz a una delgada placa plateada (B) que permitía que parte de la luz pasara a su través y reflejaba el resto en ángulo recto. Los dos rayos viajaban entonces distancias iguales a unos espejos (C y D) que los reflejaban de vuelta a la placa. La luz se unía de nuevo en un solo rayo para entrar en el telescopio (E). Allá, un dispositivo medía las ondas de luz para determinar si los dos rayos llegaban simultáneamente.

Los científicos creían que si la Tierra se movía a través del éter, el rayo de luz que viajara contra el viento lo haría un poco más lentamente que el que viajara con viento de costado. Sin embargo, el telescopio indicó que ambos viajaban a la misma velocidad. El inesperado resultado ayudó más tarde a Einstein a comprender que la velocidad de la luz es una constante.

El descubrimiento realizado sobre el comportamiento de la luz por Michelson y Morley remeció los cimientos de la física. Se trataba de un dilema, en el cual quedaba de manifiesto una dicotomía entre las ondas electromagnéticas con la definición del espacio establecida por las leyes de la física clásica y que, colocó de cabezas por más de dos décadas, a los físicos de la época para poder encontrar un medio reconciliatorio que pudiera zanjar el problema en cuestión. Si el espacio y el tiempo son absolutos, entonces no es posible para dos observadores, el uno en movimiento y el otro en reposo, percibir el mismo rayo de luz como moviéndose a la misma velocidad relativa con respecto a ellos. Pero eso era precisamente lo que los resultados de Michelson y Morley implicaban. Al parecer, o Newton o Maxwell estaban equivocados, aunque cada una de sus teoría parecía funcionar a la perfección a la hora de describir todo lo demás a lo que se aplicaban.

Se trataba de un problema, no sólo de fondo para la física, sino que también enigmático, que parecía estar destinado a seguir siéndolo: la dualidad onda-corpúsculo, cuya necesidad aparece porque, por una parte, la física no puede evitar considerar a la radiación como un fenómeno ondulatorio que obedece a relaciones matemáticas análogas a las que describen las vibraciones u ondulaciones mecánicas de un medio continuo, pero, por otra parte, esta representación es incompatible con algunas de las propiedades comprobadas de la radiación.

Pero la salida al dilema en que se encontró entonces la física, empezó a tomar forma en

1895 en la mente de un estudiante de dieciséis años, Albert Einstein, quién en sus investigaciones enfocó sus poderes intuitivos y analíticos sobre las implicaciones de la cuestión que lo había intrigado por varios años: ¿Cómo sería cabalgar en un rayo de luz?

Einstein consideró primero las dificultades suscitadas por el concepto de éter que, como ya lo hemos visto, aparece como el soporte hipotético de las ondas electromagnéticas. Para refutar su existencia, se sostiene en experiencias que prueban que el éter no es arrastrado por los cuerpos en movimiento, y por tanto que la velocidad de la luz no es modificada por el movimiento de su fuente (suponiendo al éter en reposo absoluto); pero esto contradice el principio de relatividad de la mecánica, cuyas leyes excluyen que, dado dos móviles en movimiento relativo rectilíneo y uniforme, un experimento puede decir que uno está "realmente" en reposo. Ahora bien, el resultado negativo del experimento que hemos descrito de Michelson y Morley demuestra que tampoco es posible, con medios ópticos, poner de manifiesto el pretendido movimiento de la Tierra respecto al éter, quedando con ello en evidencia la contradicción entre dos hipótesis teóricas, cada una de ellas indispensable para una rema de la física.

Einstein aborda el problema con un experimento de pensamiento, considerando primero la situación de un observador en reposo, con las ondas de luz pasando junto a él. El observador vería un esquema regular de crestas y valles moviéndose a través del espacio. Si ese mismo observador tenía que acelerar para igualar la velocidad de ese rayo, presumiblemente el esquema de ondas desaparecería. Sin embargo, las ecuaciones de Maxwell requerían que las ondas electromagnéticas mantuvieran su naturaleza ondulatoria, no importaba cuál fuera la acción del observador. Así, o las ecuaciones estaban erradas, o sería impracticable la posibilidad de que un observador se pudiera mover a la velocidad de la luz. Pero la teoría de Maxwell funcionaba bastante bien en todas sus aplicaciones prácticas, y la física clásica no presentaba ningún impedimento contra la posibilidad de moverse a la velocidad de la luz y aún más rápidamente.

Einstein propuso un audaz y fenomenal ingenio como fórmula para desagregarse de este dilema en un ensayo que fue publicado en 1905 en el prestigioso periódico alemán Anales de la física. En su artículo, titulado «Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento», Einstein introdujo el principio que más tarde se haría famoso como relatividad. En él, empezaba postulando la velocidad de la luz como una constante, independientemente del movimiento de la fuente o del observador. Para eliminar el conflicto resultante con la física clásica, Einstein amplió las ideas de Newton sobre la física del movimiento. Newton, para todos los efectos pertinentes, había invalidado el concepto de movimiento uniforme absoluto, demostrando que el único estado de movimiento percibible es aquel en que un objeto se mueve con relación a un observador. El gran salto de Einstein era invalidar también el espacio y el tiempo absoluto. Según esta teoría, las dimensiones de un objeto y la duración de un acontecimiento no son valores fijos, sino que sólo pueden determinarse considerando el movimiento de su marco de referencia con relación al observador. Mientras este movimiento sea tan sólo una pequeña fracción de la velocidad de la luz, los cambios en el espacio y en el tiempo serán prácticamente imperceptibles. En un vehículo que se mueva a velocidades cercanas a la de la luz, sin embargo, los cambios se harán muy evidentes. Un rayo de luz seguirá viajando a su velocidad constante, pero según los estándares de un observador en descanso, el metro utilizado para medir la distancia recorrida por la luz será más corto, y el reloj usado para marcar el paso de la luz funcionará más despacio.

Con la relatividad de Einstein desaparece la contradicción que habíamos descrito, en un sentido negativo, al eliminar al éter del ámbito de las entidades reales, y en un sentido positivo demostrando que la coherencia de las leyes de la física puede quedar restablecida admitiendo que la medida de las longitudes y duraciones no es independiente del movimiento relativo del observador y el móvil sobre el que se realiza la medida.

Pero los conceptos que Einstein introduce en la teoría del movimiento y de la medida tienen, de hecho, consecuencias inevitables sobre las concepciones de la física sobre la naturaleza de las cosas; en particular, de ellos se deduce que al producirse la interacción entre radiación y materia existe un intercambio parcial entre, por un lado, la energía y la radiación y, por otro, la masa que mide la inercia del cuerpo involucrado. La radiación emitida disminuye la masa del emisor, la radiación absorbida aumenta la masa del absorbente.

Con el concepto relativista introducido en la física por Einstein, se da un cambio en la idea primaria que se tenía sobre la naturaleza de la luz, en la medida que ésta no es concebida como resultado de los estados de un medio hipotético, sino como algo que existeper se, que está, como también ocurre con la materia.

Contestaciones como las descritas, que al final la física y los físicos van encontrando frente a los distintos enigmas que se enfrentan, muestran la prodigiosa ordenación del cosmos y se columbra, a través de ellas, la posibilidad de descubrir un día las leyes generales que rigen el universo.

RADIACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (I)La oscilación o la aceleración de una carga eléctrica cualquiera genera un fenómeno físico integrado por componentes eléctricos y magnéticos, conocido como espectro de radiación de ondas electromagnéticas.

Espectro completo de las radiaciones de ondas electromagnéticas.

Ese espectro se puede ordenar a partir de ondas que poseen frecuencias muy bajas de pocos hertz (Hz) o ciclos por segundo con longitudes muy largas, como las de la frecuencia de la corriente alterna que empleamos en nuestras casas, hasta llegar a ondas de frecuencias muy altas, de miles de millones de hertz o ciclos por segundo con longitudes extremadamente cortas, como las que poseen las radiaciones cósmicas.

La única diferencia existente entre un grupo de ondas y otras dentro del espectro electromagnético es su frecuencia en hertz (Hz), su longitud en metros (m) y el nivel de energía que transmiten en joule (J).

Características principales de las ondas electromagnéticas

Las tres características principales de las ondas que constituyen el espectro electromagnético son:

Frecuencia ( f ) Longitud (   ) Amplitud ( A )

Frecuencia

La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de tiempo, tal como se puede observar en la siguiente ilustración:

A.- Onda senoidal de un ciclo o hertz (Hz) por segundo. B.- Onda senoidal de 10 ciclos o hertz por segundo.

La frecuencia de esas ondas del espectro electromagnético se representan con la letra ( f ) y su unidad de medida es el ciclo o hertz (Hz) por segundo. 

RADIACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (II)

Longitud de ondaLas ondas del espectro electromagnético se propagan por el espacio de forma similar a como lo hace el agua cuando tiramos una piedra a un estanque, es decir, generando ondas a partir del punto donde cae la piedra y extendiéndose hasta la orilla.

Cuando tiramos una piedra en un estanque  de  agua, se  generan  ondas  similares  a  las  radiaciones.propias del espectro electromagnético.

Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del espectro electromagnético poseen picos o crestas, así como valles o vientres. La distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de la onda electromagnética, medida en múltiplos o submúltiplos del metro (m), constituye lo que se denomina “longitud de onda”.

P.- Pico o cresta: valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal del espectro.electromagnético, cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor aumenta o disminuye a medida que.la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece positivamente por encima del valor "0".

V.- Valle o vientre: valor máximo de signo negativo (–) que toma la onda senoidal del espectro.electromagnético, cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el punto “0”. . El valor de los valles.aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece negativamente por.debajo del valor "0".

T.- Período: tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos valles por un mismo.punto.

N.- Nodo: Valor "0" de la onda senoidal. 

La longitud de una onda del espectro electromagnético se representa por medio de la letra griega lambda.( ) y su valor se puede hallar empleando la siguiente fórmula matemática:

De donde:

  = Longitud de onda en metros.c = Velocidad de la luz en el vacío (300 000 km/seg).f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz).

Por ejemplo, si deseamos conocer en qué banda en metros de la onda corta (OC) transmite una emisora de radio que se capta en los 7.1 MHz de frecuencia en el dial, procedemos de la siguiente forma:

1. La velocidad de la luz (300 000 km/seg) la convertimos en m/seg, para poder obtener el resultado final en metros. Esa operación la realizamos de la siguiente forma, teniendo en cuenta que 1 km es igual a 1 000 metros:

300 000 km/seg x 1 000 m = 300 000 000 metros/seg

2. A continuación los 7,1 megahertz los convertimos en hertz (Hz), que es la unidad de medida correspondiente a la frecuencia, teniendo en cuenta que 1 MHz es igual a 106 Hz, o sea, 1 000 000 Hz:

7,1 MHz x 106 = 7,1 x 1 000 000 = 7 100 000 Hz (ó 7 100 000 ciclos por segundo)

3. Con el resultado de esas dos conversiones sustituimos sus correspondientes valores en la fórmula aanteriormente expuesta y tendremos:

Por tanto, la longitud de onda de la señal de 7,1 MHz será de 42,2 metros por ciclo o hertz de frecuencia. Esa longitud se corresponde con la gama de ondas cortas de radio (OC) o (MW) que responden al rango correspondiente de la banda de más de 41 metros en el dial de un radiorreceptor.

Amplitud de ondaLa amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como “nodo” o “cero”.

Propiedades de las ondas electromagnéticasPara su propagación, las ondas electromagnéticas no requieren de un medio material específico, pues pueden viajar incluso por el espacio extraterrestre. 

Las ondas electromagnéticas, como se mencionó anteriormente, se propagan por el vacío a la velocidad de la luz (300 000 km/seg aproximadamente), hasta que su energía se agota. A medida que la frecuencia se incrementa, la energía de la onda también aumenta.

Este tipo de ondas presenta las mismas propiedades físicas inherentes al movimiento ondulatorio.

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICOEl espectro electromagnético se puede organizar de acuerdo con la frecuencia correspondiente de las ondas que lo integran, o de acuerdo con sus longitudes. Hacia un extremo del espectro se agrupan las ondas más largas, como las correspondientes a frecuencias de sonidos que puede percibir el oído humano, mientras que en el otro extremo se agrupan las ondas extremadamente más cortas, pero con mayor energía y mayor frecuencia en hertz, como las pertenecientes a las radiaciones gamma y los rayos cósmicos.

En la siguiente ilustración se puede observar la distribución de las ondas dentro del espectro electromagnético.

A.- Frecuencia de la corriente eléctrica alterna industrial y doméstica. B.- Frecuencias audibles por el.oído humano. C.- Espectro radioeléctrico (incluye las microondas). D.- Rayos infrarrojos. E.- Espectro de.luz visible por el ojo humano. F.- Rayos ultravioletas. G.- Rayos-X. H.- Rayos Gamma. I.- Rayos.cósmicos.

CORRIENTE ALTERNA, SONIDOS AUDIBLES Y ONDAS DE RADIO

Frecuencia de la corriente eléctrica alterna para uso industrial y doméstico 

Lo que conocemos como corriente alterna (CA) corresponde a la frecuencia que normalmente generan los alternadores o generadores de las centrales termoeléctricas, hidroeléctricas y atomoeléctricas que suministran la corriente para uso industrial, general y doméstico. Generalmente la frecuencia de esa corriente es de 50 Hz o ciclos por segundo en Europa y de 60 en América.

Sección del espectro de frecuencias y longitudes de ondas correspondientes, en primer lugar, a la corriente alterna que empleamos en la industria y en nuestros hogares correspondiente al grupo ELF(Extremely Low Frequency – Frecuencia extremadamente baja), como las de 50 ó 60 ciclos por segundo o hertz (Hz) , según el país de que se trate. Dentro de esta sección del espectro también aparecen las frecuencias audibles por el oído humano (entre 20 ciclos y 20 mil ciclos por segundo o hertz ), incluyendo también las audibles por algunos animales, como el perro, que superan los 20 mil ciclos por segundo, y que se encuentran comprendidas dentro del grupo VLF (Very Low Frequency – Frecuencia muy baja).

Frecuencias audibles por el oído humano

Son frecuencias inherentes a los sonidos que pueden detectar nuestro sentido del oído. Su espectro abarca desde los 20 Hz para los sonidos más graves, hasta los 20 kHz de frecuencia para los sonidos más agudos.

Espectro radioeléctrico

Sección de frecuencias y longitudes de ondas del espectro.radioeléctrico, correspondientes a radio, televisión, telefonía.inalámbrica, microondas, radar, etc.

El espectro radioeléctrico abarca una amplia gama  de  frecuencias  de  radio  que  cubren  desde  los.1,53 · 103 Hz (153 kHz) a los 3,0 · 1011 Hz (300 GHz) aproximadamente. Dentro de ese espectro se incluyen las ondas que permiten la transmisión de señales de radio de amplitud modulada (AM) y frecuencia modulada (FM), incluyendo televisión, teléfono inalámbrico, teléfono móvil o celular, GPS(Global Positioning System – Sistema de Posicionamiento Global), controles para gobierno de equipos remotos, hornos microondas, radar, etc.

RAYOS INFRARROJOS (IR), LUZ VISIBLE Y RAYOS ULTRAVILETAS (UV)

Sección del espectro electromagnético correspondiente  a  los  rayos  infrarrojos  (IR),  los  rayos  de  luz.visible por el ojo humano y los rayos ultravioleta (UV).

Rayos infrarrojos (IR) 

Los rayos infrarrojos abarcan aproximadamente desde los 3,0 x 1011 Hz (300 GHz) hasta los 3,8 x 1014Hz (380 THz). Cualquier  molécula,  cuya  temperatura  sea  superior  a  0º Kelvin  ( cero  absoluto,  equivalente  a – 273º C ), emite rayos infrarrojos. Esa emisión se incrementa a medida que las moléculas que integran un cuerpo cualquiera adquieren mayor temperatura.

En una foto de la Tierra tomada desde un satélite empleando para ello tecnología de rayos infrarrojos, se pueden diferenciar zonas de diferentes colores. Por medio de esos colores los metereólogos pueden conocer la temperatura ambiente existente en esos momentos en cada zona específica de la zona geográfica fotografiada.

Los rayos infrarrojos de baja potencia se utilizan para accionar diferentes dispositivos de control remoto como, por ejemplo, el mando de los televisores, intercomunicación entre equipos y dispositivos informáticos (ordenadores o PC y sus periféricos), visión nocturna, fotografía nocturna, etc., mientras que los de alta potencia se emplean para generar calor.

El descubrimiento de los rayos infrarrojos data del año 1800 y lo realizó el astrónomo de origen alemán William Herschel.

Mando a distancia de un televisor. El emisor de rayos infrarrojos que posee nos permite cambiar los canales y realizar ajustes.

Espectro de luz visible 

La radiación de la luz visible es la que nos permite ver los objetos del mundo material que nos rodea. Se localiza aproximadamente entre 3,8 x 1014 Hz (380 THz), correspondiente a la frecuencia del color violeta y los 7,5 x 1014 Hz (75 THz) pertenecientes a la frecuencia del color rojo. Esta es la única parte del espectro electromagnético visible para el ojo humano.

El Sol es la principal fuente de luz visible natural que poseemos. Otras fuentes de luz visible, pero en este caso artificial son, por ejemplo, la gran variedad de lámparas de diferentes tecnologías que utilizamos para alumbrarnos de noche.

El Sol es la principal fuente natural de luz visible que posee el hombre.

 De acuerdo con la Teoría de la Relatividad, descubierta por el físico alemán, naturalizado estadounidense, Albert Einstein, las ondas de luz se mueven en el vacío a una velocidad de 299 792 458 metros por segundo (± 1 m/s), aunque generalmente se toma el valor aproximado de 300 000 000 m/s.

Rayos ultravioleta (UV) 

Los rayos ultravioleta se encuentran  situados  aproximadamente  en  la  franja  comprendida  entre  los 7,5 x 1014 Hz (75 THz) y los 3,0 x 1016 Hz (30 PHz) de frecuencia del espectro electromagnético. Entre los componentes de los rayos de luz blanca visible del Sol que llegan a la Tierra, se reciben también rayos UV-A (ultravioleta-A) y UV-B (ultravioleta-B).

La mayor parte de los rayos de Sol que recibe la Tierra, así como los que proporcionan las lámparas que emiten esos rayos, son del tipo UV-A, por lo que tomarlos en exceso puede conllevar a la aparición de cáncer en la piel, mientras que por otro lado son esos propios rayos, tomados con moderación, los que favorecen la creación de vitamina “D” en la propia piel.

No obstante la capa de ozono que cubre la Tierra actúa como filtro natural para amortiguar, en gran medida, esas radiaciones, con el fin de que nos lleguen más debilitadas.

RAYOS X, RAYOS GAMMA Y RAYOS CÓSMICOS

Frecuencias  y  longitudes  de  onda  correspondientes  a  los  Rayos X,  Rayos  Gamma  ( )  y  Rayos..Cósmicos del espectro electromagnético.

Rayos-X 

Las radiaciones de Rayos-X abarcan desde los 3,0 x 1016 (30 PHz), hasta los 3,0 x 1019 Hz (30 EHz) de frecuencia dentro del espectro electromagnético. Las radiaciones de esos rayos son invisibles para el ojo humano, pero pueden atravesar diferentes tipos objetos, incluyendo el cuerpo humano. Sin embargo, las planchas de plomo no son atravesadas por los Rayos-X, por lo que se emplea normalmente ese metal para proteger al hombre cuando trabaja con aparatos que emiten este tipo de radiaciones.

Los Rayos-X, descubiertos a finales del siglo 18 por el físico alemán Wilhelm Röntgen, se emplean fundamentalmente para obtener radiografías de apoyo al diagnóstico médico, así como en investigaciones metalúrgicas, científicas y en el análisis de obras de arte.

Radiografía obtenida por Rayos-X.

Rayos gamma 

Las radiaciones gamma se originan generalmente a partir del núcleo excitado de un átomo radioactivo y abarcan desde los 3,0 x 1019Hz (30 EHz) hasta los 3,0 x 1022 Hz (30 ZHz). En ciertas ocasiones, después que un núcleo radioactivo emite partículas

alfa ( ), e incluso también beta ( ), conserva todavía energía, que libera en forma de ondas electromagnéticas conocidas como rayos gamma ( ).

En la ilustración se muestra la señalización empleada para indicar el riesgo de contaminación por rayos gamma en determinadas zonas  como,  por  ejemplo,.las destinadas a la práctica de medicina nuclear en los hospitales.

Esas radiaciones de frecuencias extremadamente elevadas, liberan una alta energía que puede resultar muy peligrosa y perjudicial para los seres vivos, aunque bien administradas sirven para aplicarlas en el tratamiento de algunos tipos de cáncer, así como para la esterilización del instrumental médico y los alimentos.

Las radiaciones gamma sólo se pueden detener utilizando gruesas paredes de hormigón, revestimiento de planchas de plomo, o empleando grandes cantidades de agua.

Rayos cósmicos 

Los rayos cósmicos proceden del espacio profundo y su frecuencia supera los 3,0 x 1022 Hz (30 ZHz). Esos rayos se componen de ondas cósmicas de la más elevada frecuencia y una alta carga de energía que llegan, incluso, hasta la superficie terrestre. Su efecto resulta mortal si alguien se expone directamente a las mismas en el espacio cósmico sin la debida protección de una escafandra, como las utilizadas por los cosmonautas. Sin embargo, a los habitantes de la Tierra no les llega a afectar de forma directa gracias a la protección natural que proporciona la capa de ozono.

Foto del espacio profundo. NASA

VALORES APROXIMADOS DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Espectro electromagnéticoFrecuencia en hertz

(Hz)Longitud de onda en

metros (m)Energía en Jules (J)

  Sonidos audibles2,0 · 102 – 2,0 · 103 1,0 · 107 – 1,0 · 105

        - - -

  Ondas de radio de amplitud modulada (AM):

  Frecuencia Muy Baja 1,5 · 103 – 3,0 · 104 1,0 · 105 – 1,0 · 104 < 1,9 · 10-29

  Onda Larga (OL o LW*) 3,0 · 104 – 6,5 · 105 1,0 · 104 – 6,5 · 102 > 1,9 · 10-29

  Onda Media (OM o MW*) 6,5 · 105 – 1,7 · 106 6,5 · 102 – 1,8 · 102 > 4,3 · 10-28

  Onda Corta (OC o SW*) 1,7 · 106 – 3,0 · 107 1,8 · 102 – 1,0 · 101 > 1,1 · 10-27

  Ondas de radio de frecuencia modulada (FM) y de televisión:

  VHF* Frecuencia Muy Alta 3,0 · 107 – 3,0 · 108 1,0 · 101 – 1,0 · 100 > 2,0 · 10-26

  UHF* Frecuencia Ultra Alta 3,0 · 108 – 3,0 · 109 1,0 · 100 – 3,0 · 10-2 > 1,9 · 10-25

  Microondas (microwaves) 3,0 · 109 – 3,0 · 1011 3,0 · 10-2 – 1,0 · 10-3 > 1,9 · 10-24

  Rayos infrarrojos (IR):

  Lejanos 3,0 · 1011 – 6,0 · 1012 1,0 · 10-3 – 5,0 · 10-6 > 2,0 · 10-22

  Medios 6,0 · 1012 – 1,2 · 1014 5,0 · 10-6 – 2,5 · 10-6 > 3,9 · 10-21

  Cercanos 1,2 · 1014 – 3,8 · 1014 2,5 · 10-6 – 7,8 · 10-9 > 7,9 · 10-20

3,8 · 1014 – 7,8 · 1014 7,5 · 10-9 – 3,8 · 10-9 > 2,5 · 10-19

  Luz visible

  Rayos ultravioleta (UV):

  Cercanos 7,8 · 1014 – 1,5 · 1015 3,8 · 10-9 – 2,0 · 10-9 > 5,0 · 10-19

  Extremos 1,5 · 1015 – 3,0 · 1016 2,0 · 10-9 – 1,0 · 10-9 > 9,9 · 10-19

  Rayos X3,0 · 1016 – 3,0 · 1020 1,0 · 10-9 – 1,0 · 10-12 > 1,9 · 10-17

  Rayos Gamma3,0 · 1020 – 3,0 · 1022 1,0 · 10-12 – 1,0 · 10-14 > 1,9 · 10-14

  Rayos Cósmicos> 3,0 · 1022         < 1,0 · 10-14

      - - -

 

* SIGLAS EN INGLÉS - ESPAÑOL:LW - OL (Long Wave – Onda Larga)MW - OM  (Medium Wave – Onda Media)SW - OC (Short Wave – Onda Corta)VHF (Very High Frecuency – Frecuencia Muy Alta )UHF (Ultra High Frecuency –  Frecuencia Ultra Alta) 

Múltiplos del Hz (hertz) en orden ascendente, en el Sistema Internacional de Medidas (S.I.)

  Hz (hertz)   Unidad de medida

  kHz (kilohertz)   103    hertz = 1 000 hertz

  MHz (megahertz)   106    hertz = 1 000 000 hertz

  GHz (gigahertz)   109    hertz = 1 000 000 000 hertz

  THz (terahertz)   1012  hertz = 1 000 000 000 000 hertz

  PHz (petahertz)   1015  hertz = 1 000 000 000 000 000 hertz

  EHz (exahertz)   1018  hertz = 1 000 000 000 000 000 000 hertz

  ZHz (zettahertz)   1021  hertz = 1 000 000 000 000 000 000 000 hertz

  YHz (yottahertz)   1024  hertz = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 hertz

NOTA.- En lugar de kilohertz  (kHz)  y  megahertz  (MHz),  algunas  veces  se  emplean  los  términos.equivalentes de kilociclos para el primero y megaciclos para el segundo.

El desarrollo de la teoría de las ondas electromagnéticas se debe al estudio realizado alrededor de los años 1860 por el físico inglés James Clerk Maxwell. Este científico realizó un análisis matemático de la teoría de los campos electromagnéticos y llegó a la conclusión que la luz visible estaba formada también por ondas electromagnéticas.

ASÍ FUNCIONA LA LUZ

INTRODUCCIÓN

Existen muchas fuentes de luz, desde las que se manifiestan de forma natural o por medios físicos, hasta las que son provocadas por reacciones químicas. La fuente de luz natural más antigua, que afecta de una u otra forma a los seres vivos y las plantas, es el Sol. Le sigue el fuego, producido por reacciones químicas que tienen lugar durante la combustión.

El fuego fue el primer elemento, independientemente del Sol, que utilizaron nuestros antepasados más remotos para alumbrarse y, sobre todo, para calentarse durante los crudos inviernos, así como para cocer los alimentos. Incluso hoy en día el fuego se continúa utilizando en muchos lugares del mundo subdesarrollado de la misma forma que se ha venido haciendo desde tiempos inmemoriales.

Durante miles de años el Sol y el fuego fueron los únicos elementos que utilizó el hombre para alumbrarse, hasta que a finales del siglo diecinueve Thomas A. Edisondesarrolló y comercializó en los Estados Unidos de Norteamérica, la bombilla eléctrica incandescente como fuente de luz artificial. A partir de ese momento histórico se comenzaron a crear otras fuentes artificiales de iluminación, como las potentes lámparas de arco de carbón, las lámparas fluorescentes, halógenas, de mercurio, de arco de sodio, metal halide (halogenuro metálico), etc.

Lámpara  Edison.

Entre otras fuentes de luz artificial, se encuentra también el rayo láser, que aunque no se utiliza en alumbrado su haz de luz coherente y de alta energía se emplea ampliamente en diferentes dispositivos científicos y técnicos, incluyendo equipos electrodomésticos como los de sonido y vídeo.

En el mundo animal existen algunas especies, sobre todo marinas, que emiten luz mediante reacciones químicas que se producen en su propio cuerpo. A ese fenómeno se le llama “bioluminiscencia” y se manifiesta mayormente en algunos microorganismos denominados dinoflagelados, que habitan en el mar y en especies mucho mayores que viven en grandes profundidades, también marinas. Entre los contados casos de animales que se pueden encontrar en tierra firme y produzcan luz se encuentra, por ejemplo, la luciérnaga. 

¿QUÉ ES LA LUZ?La luz visible es una radiación comprendida dentro de una porción o sección del espectro electromagnético, que permite a los seres vivos ver los objetos que le rodean. Desde el punto de vista de la física, la luz se manifiesta como:

1. Radiaciones de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y longitudes.2. Partículas denominadas fotones.

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

PORCIÓN  DE LUZ VISIBLE DENTRO DEL ESPECTRO DE RADIACIONES  ELECTROMAGNÉTICAS

El rango completo que ocupa la luz visible dentro del espectro electromagnético se extiende desde los 430 THz (terahertz) de frecuencia y 627 nm (nanómetro) de longitud de onda, hasta los 750 THz y 436 nm de longitud de onda.(Un terahertz equivale a un billón de hertz (1012 = 1 000 000 000 000 Hz) y un nanómetro a la milmillonésima parte de un metro (10-9 = 0,000000001 m). 

La luz blanca procedente del Sol y  de la mayoría de las fuentes de luz artificial, se compone de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y longitudes de onda, y son las únicas de todo el espectro electromagnético que podemos ver. Debido a la diferencia de frecuencias de los rayos que la integran, la luz blanca se considera incoherente.

DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ BLANCASi hacemos pasar un rayo de sol (luz blanca) a través de un prisma, podremos observar que se descompone en los mismos colores que integran un arco iris.

En esta experiencia práctica, el rayo de luz blanca del Sol al atravesar el prisma, se descompone en seis colores, que van del rojo al violeta. Como se puede apreciar en la tabla siguiente, cada uno de esos colores cuenta con su correspondiente longitud de onda fija y, por tanto, con diferentes frecuencias de ondas.

Colores de la luz blanca Longitud de onda ( ) en nm

Rojo    627 – 770 (ondas de menor energía)

Naranja    589 – 627

Amarillo    566 – 589

Verde    495 – 566

Azul    436 – 495

Violeta    380 – 436 (ondas de mayor energía)

Cualquier onda electromagnética posee una determinada cantidad de energía que es inversamente proporcional a la longitud de la onda, es decir, a menor longitud de onda de luz visible, mayor será la propagación de energía. Dada esa propiedad, un rayo láser puede generar energía suficiente para a cortar metales, láminas de plástico o sustituir el bisturí en operaciones quirúrgicas tan delicadas como la de la vista.

Al contrario de la luz blanca, cuyos rayos se consideran incoherentes por estar compuesta por ondas magnéticas de frecuencias y longitudes de onda diferentes, la luz que proporciona un dispositivo láser se considera "coherente", porque está compuesta por un rayo de luz de la misma frecuencia y longitud de onda, amplificado miles de veces para incrementar su energía. Por ese motivo la luz del rayo láser es siempre monocromática, siendo la roja la más común y conocida, aunque existen láseres de otros colores. En la tabla que se expone más arriba se puede apreciar que dentro del espectro de luz visible el color violeta posee más energía que el rojo, porque tiene una longitud de onda más corta.

La propagación de las ondas de luz constituye el fenómeno físico más rápido del universo, pues sus rayos se desplazan por el espacio, e incluso por el vacío, a una velocidad aproximada a los 300 mil kilómetros por segundo. Esa velocidad tiende a disminuir cuando los rayos tienen que atravesar diferentes sustancias como el aire, el cristal o el agua. En la medida que una sustancia, elemento o materia afecte la velocidad de propagación de las ondas de luz, así será la refracción que sufran sus rayos.

PRODUCCIÓN DE FOTONES

Como ya conocemos, las ondas de luz visible constituyen en sí una forma de energía. En realidad la luz se compone de infinidad de partículas muy pequeñas, carentes de masa, denominada “fotones”.

Los átomos son los encargados de liberar fotones de luz, pero para que eso suceda alguno de sus electrones tienen que ser primeramente excitado.

En cualquier átomo los electrones giran siempre dentro de uno o más niveles de energía denominados órbitas, de forma similar a como giran los planetas alrededor del Sol. Para que los electrones (con carga negativa) se mantengan girando en sus propias órbitas sin abandonarlas cambiando de un nivel de energía a otro, el núcleo del átomo (con carga positiva) ejerce una fuerte influencia para retenerlos.

Electrones girando alrededor del núcleo de un.átomo de fósforo (P).

Por tanto, resulta prácticamente imposible que un electrón por sí solo abandone la órbita en la que se mantiene girando para desplazarse a otro nivel de energía u órbita más externa.

Los electrones que giran en las órbitas más externas o alejadas del núcleo del átomo poseen mayor cantidad de energía que los que giran más cercanos a éste. Como la influencia que en ese caso ejerce la atracción del núcleo sobre ellos es más débil, son estos los más propensos a abandonar su órbita.

No obstante, cuando un átomo pierde un electrón por influencia de cualquier factor externo, ya sea físico o químico, su tendencia natural es recuperarlo de inmediato para poder continuar manteniendo un equilibrio eléctrico neutro, es decir, con la misma cantidad de electrones (negativos), que de protones (positivos).

Para que se produzca un fotón de luz, es necesario que alguna partícula ajena al átomo choque con uno de sus electrones en movimiento. Ese choque  provocará que éste se excite, haciendo que abandone su correspondiente órbita y pase a ocupar, por breves instantes, otra órbita de un nivel superior de energía y más alejada del núcleo del átomo al cual pertenece.

La reacción inmediata del núcleo del átomo será atraer el electrón para incorporarlo de nuevo a su órbita original. En el preciso instante que el electrón regresa a su órbita, la energía extra que adquirió al pasar de un nivel inferior a otro nivel superior de energía u órbita más externa, la libera en forma de fotón de luz.

Electrón liberando energía en.forma de fotón de luz. Clic aquí_ para ver animación

Ya conocemos que la luz blanca se compone de rayos de diferentes colores, cada uno con su propia longitud de onda, frecuencia y cantidad de energía. Por tanto, el color de la luz del fotón que emite el electrón cuando se reincorpora  a su órbita original después de haber sido excitado, dependerá de la cantidad de energía que libere en ese momento, del elemento químico que le corresponde al átomo a que pertenece y el nivel de energía u órbita donde se encontraba éste girando en el momento que fue excitado (recordemos que los electrones que giran en las órbitas más cercanas al núcleo del átomo poseen menos energía que los que giran en las órbitas más alejadas).

El color de la luz que emita un fotón se corresponderá siempre con la frecuencia y longitud de onda propia de ese color y será perceptible para nuestra vista siempre y cuando se encuentre dentro del rango fijado para los rayos que cubren el espectro electromagnético de luz visible.

No obstante, existen también otros fotones que emiten rayos de luz invisibles para nuestro sentido de la vista y que son de uso muy común. Entre estos se encuentran los rayos infrarrojos (IR) utilizado en comunicaciones inalámbricas, alarmas, mandos a distancia, etc. y los rayos ultravioletas, comúnmente conocidos como rayos UVA, muy empleados como bronceador de la piel. Dentro del espectro de ondas electromagnéticas los rayos infrarrojos están situados antes del color de luz roja visible y los ultravioletas a continuación del color violeta de luz visible . 

Este es, a grandes rasgos, el principio en el cual se basa la emisión de fotones de luz por los átomos. En la práctica se utilizan diferentes técnicas para excitar los electrones, de forma que produzcan luz artificial.

El ancho de banda se refiere a un espacio en el eje de frecuencias del espectro electromagnético utilizado por un transmisor. En la práctica mide su capacidad de comunicación o velocidad de transmisión de datos.El ancho de banda de una señal transmitida de comunicaciones es una medida del rango de frecuencias que ocupa la señal. El término se usa también en referencia a las características de respuesta de frecuencia de un sistema de recepción de comunicaciones. Todas las señales transmitidas, analógicas o digitales, tienen un cierto ancho de banda finito mayor que cero. Lo mismo ocurre con los sistemas receptores.Hablando en general, el ancho de banda es directamente proporcional a la cantidad de datos transmitidos o recibidos por unidad de tiempo. En sentido cualitativo, el ancho de banda es proporcional a la complejidad de los datos para un nivel dado de rendimiento de un sistema. Por ejemplo, ocupa más ancho de banda bajar una fotografía en un segundo que bajar una página de texto en un segundo.Los grandes archivos de sonido, programas de ordenador y vídeos animados requieren aún más ancho de banda para tener un rendimiento aceptable del sistema. La Realidad Virtual (Virtual reality, VR) y las presentaciones audiovisuales tridimensionales de pantalla completa requieren el mayor ancho de banda de todas.

En los sistemas digitales, el ancho de banda es la velocidad de datos en bits por segundo (bps). Así, un módem que funciona a 57,600 bps tiene el doble de ancho de banda que un módem a 28,800 bps. En los sistemas analógicos, el ancho de banda se define en términos de la diferencia entre el componente de señal de frecuencia más alta y el de la más baja. La frecuencia se mide en ciclos por segundo (hertzios o hertz). Una señal común de voz tiene un ancho de banda de aproximadamente tres kilohertzios (3 kHz); una señal de vídeo de transmisión analógica para televisión (TV) tiene un ancho de banda de seis megahertzios... unas dos mil veces más ancha que la señal de voz.

Los ingenieros de comunicaciones alguna vez lucharon para minimizar los anchos de banda de todas las señales al tiempo que mantenían un nivel mínimo aceptable de rendimiento del sistema. Esto se hacía por al menos dos razones:

1. Las señales de bajo ancho de banda son menos susceptibles a la interferencia por ruido que las señales de alto ancho de banda y

2. Las señales de bajo ancho de banda permiten que tenga lugar un mayor número de intercambios de comunicación dentro de una banda especificada de frecuencias.

Sin embargo, esta simple regla ya no es aplicable en lo general. Por ejemplo, en comunicaciones de espectro extendido, los anchos de banda de las señales se expanden deliberadamente. En los sistemas digitales de cable y fibra óptica, la demanda de velocidades de datos cada vez mayores pesan más que la necesidad de conservación de ancho de banda. En el espectro electromagnético sólo hay un ancho de banda determinado disponible, pero en los sistemas cableados se puede literalmente construir ancho de banda sin límites instalando más y más cables.