Adjunto unos enlaces que ayudarán a entender cómo se generan
las ondas electromagnéticas
Consideremos un alambre recto alineado con el eje
x que
transmite una corriente I. Con esta corriente, como se muestra en la figura 5 abajo,
se genera un campo magnético (B) en forma de un anillo perpendicular alrededor
del alambre; mientras la corriente sea constante el campo magnético también lo
será.
Supongamos que la corriente I cambie, por ejemplo se
incremente. La magnitud del campo magnético B también se incrementará y con
ello el flujo magnético a través de un área cualquiera A en el plano xz.
El cambio del flujo magnético induce una fuerza electromotriz en los límites
del área A -figura 5 a la derecha-, y aquí hay que tener en cuenta otra de
las conjeturas que son necesarias para explicar ciertos fenómenos, la
existencia de una corriente eléctrica "virtual" llamada corriente
de desplazamiento propuesta por Maxwell que a su vez produce un nuevo
campo eléctrico (E). Este campo eléctrico inducido también cambia, ya que sigue
al cambio del campo magnético que lo genera.
Consideremos ahora el borde del área A más alejado del conductor. Allí se
produce un nuevo campo magnético (B') como consecuencia de la corriente de
desplazamiento, el centro de este nuevo campo magnético inducido por la
corriente de desplazamiento está separado, alejado del conductor inicial.
Con el campo magnético B' se repite el proceso, y con ello se genera otros
sendos campos eléctrico y magnético más alejados aun del hilo conductor. La
repetición indefinida de la formación mutua de campos eléctricos y magnéticos
da lugar a la propagación por el espacio de los campos, los que, surgiendo del
hilo conductor se desplazan alejándose de él.
De lo descrito podemos llegar a conclusiones importantes:
1.- Hemos optado por un lazo imaginario A que
descansa en el plano xz y esto condujo a un escenario por el
cual ambos campos se propagan en la dirección del eje z.
2.- El campo eléctrico generado es paralelo al
eje x, y por tanto en la dirección de la corriente. Mientras que el
campo magnético original (anillo) creado por la corriente queda alineado
paralelo al eje y, y por tanto perpendicular a ambos, al campo
eléctrico y a la dirección de propagación.
3.- Con el cambio de la corriente restringido a
una línea en la dirección del eje x, los campos se propagan en un
perfil cilíndrico simétrico alejándose de la línea con corriente.
4.- Los campos eléctricos sucesivos inducidos se
mantienen paralelos a la dirección de la corriente, es decir perpendiculares a
la dirección de propagación, mientras que los campos magnéticos se mantienen
perpendiculares a ambos, a los campos eléctricos y a la dirección de
propagación lo que es una característica general de las ondas
electromagnéticas.
5.- Los campos eléctricos y magnéticos se
mantienen en fase, esto significa que cuando uno está en su punto máximo o
mínimo el otro también estará en ese lugar, lo que difiere sustancialmente con
el modelo mecánico que se usó arriba para ilustrar la dependencia de ambos
campos, nuestro modelo falla.
6.- La corriente, que es la fuente original de
los campos, debe cambiar con respecto al tiempo. Una corriente estática
simplemente produce un campo magnético estático. Lo que equivale a decir
que para que las cargas en movimiento generen una propagación de campos
eléctricos y magnéticos estas deben tener una aceleración. Resulta
razonable suponer que si las cargas se mueven de forma cíclica armónica con
respecto al tiempo entonces la dependencia entre los campos eléctrico y
magnético también será armónica.
De estas conclusiones se desprende que la representación de
la propagación de los campos eléctrico y magnético generados por una corriente
eléctrica cambiante de carácter
armónico (sinusoidal)
debe ser como se muestra en la figura 6. La propagación se inicia en el tiempo
t
1 y ambos campos van adquiriendo una forma sinusoidal con el
transcurso del tiempo.
El campo eléctrico (E) se ha representado en color más claro
y el magnético en color más oscuro (B). Observe que ambos son mutuamente
perpendiculares y se propagan en la dirección del eje z alejándose
del punto de inicio. El campo eléctrico a su vez crece y disminuye paralelo al
eje x, y en fase con el campo magnético.
El dibujo presentado en la figura es sin duda el de una onda trasversal, esto
es una onda donde las magnitudes crecen y disminuyen transversalmente a la
dirección de propagación.
Maxwell hace sus predicciones acerca de esta propagación y las llama ondas
electromagnéticas a mediados del siglo XIX, para ser exactos en el año 1864. En
esta época la tecnología no daba la posibilidad de confirmar en la práctica sus
hipótesis, ya que para entonces no se disponía de ningún generador de corriente
alterna que diera la suficiente frecuencia como para detectar las ondas.
En 1887 Heinrich Hertz, logra las primeras pruebas de su existencia, detectando
a distancia las radiaciones producidas por una chispa al saltar un espacio
vacío debido al alto voltaje. Esta radiaciones podían transmitir energía a
distancia, pero a su vez trabaja en su reflexión y concentración usando espejos
metálicos y llega a la conclusión de que, efectivamente, las radiaciones
cumplen con las características de las ondas y que su comportamiento era en
mucho parecido al de la luz.
¿QUÉ ES LA LUZ?
Dicho en pocas palabras, la luz es la energía que
desprenden los electrones, cuando caen a órbitas más bajas dentro de sus átomos.
Por tanto, ciñéndonos a esta explicación, la luz NO es una energía mística, no
procede del núcleo de un átomo, ni es una vibración del espacio-tiempo. Es tan
sencillo como ésto: la energía que desprende un electrón.
Por lo general, los electrones de los átomos se encuentran
confinados en espacios muy concretos que rodean al núcleo. Estos espacios,
conocidos como "orbitales", vienen a ser como las capas esféricas de
una cebolla dentro de las cuáles, los electrones se mueven a gran velocidad.
Pero para saltar de una capa a otra, necesitan absorber o emitir energía (si
saltan a una capa más interior, emiten una porción de energía, y si saltan a
capas más externas, deben absorber energía). Pues bien, esta energía que
absorben o emiten, es luz. Si al electrón le sobra energía (porque va a decaer
a un orbital más bajo), se desprende de ella en forma de luz, y por el
contrario, si necesita aumentar su energía para saltar a una capa más externa,
deberá absorber energía de algún lado, también en forma de luz.
Los únicos electrones que generan luz son los que se
encuentran en la capa más externa de los átomos (los electrones internos no
emiten luz, porque la energía que desprenden va a parar al resto de los
electrones que los rodean y nunca les sobra energía para generar fotones)
En realidad, la luz es el único fenómeno de la naturaleza
que podemos ver: No vemos los objetos, ni las sombras, ni la materia: Sólo
vemos la luz.
Podemos imaginar que un electrón es un Zepelín
(aeronave que flota en el aire gracias al Helio que contiene). Imaginemos que
este globo se desplaza hacia adelante y hacia atrás empujado por los vientos,
sin necesidad de energía propia, ya que el gas que contiene le permite
mantenerse flotando a una altura fija, y por tanto, no consume combustible. Si
quisiéramos ascender, el Zepelín necesitaría llenar su globo con más cantidad
de Helio, o lo que es igual, necesita que se le aporte energía. Por el
contrario, para descender a una posición más baja, el Zepelín necesita
desprenderse de un poco de Helio. Pues bien, cada vez que el Zepelín (nuestro electrón)
desciende, se deshace de un poco de Helio: ese Helio es como la energía que le
sobra a un electrón cuando desciende a una capa más baja de su órbita, y dicha
energía sobrante es la luz.
¿CUANTOS TIPOS DE LUZ HAY EN EL UNIVERSO?
Desde el punto de vista estricto, sólo hay un tipo de luz:
Toda. En términos domésticos, cuando hablamos de luz nos solemos referir a
"la luz visible", es decir, aquélla que nuestros ojos humanos son
capaces de percibir. Pero en realidad, todo tipo de energía que desprenden los
electrones externos de los átomos cuando decaen a órbitas inferiores, es un
mismo y único fenómeno: Energía que se desplaza por el espacio (o por la
materia) en forma de ondas electromagnéticas.
Por extraño que parezca, tanto las ondas de radio de
nuestras antenas, como la luz de una bombilla, o los Rayos X con los que los
médicos indagan nuestro interior, son todos ellos LUZ. Las emisiones de
microondas de nuestros hornos domésticos modernos son luz... las señales Wifi
con las que nos conectamos a internet son luz... la radiación Gamma procedente
de los cataclismos estelares, son luz.
Y todos esos fenómenos tienen un mismo origen: el
decaimiento orbital de los electrones exteriores de los átomos. Es la
forma más pura de energía.
Todos los fenómenos que emiten luz (ondas
electromagnéticas) proceden del mismo mecanismo. Cuando encendemos un fósforo,
los átomos de este elemento se combinan con el Oxígeno del aire y en este
enlace, muchos electrones "caen" a orbitales inferiores,
desprendiéndose de su energía sobrante en forma de luz. La luz que procede del
Sol también se debe al mismo fenómeno. Incluso la luz no visible (las ondas
anteriores al rojo y posteriores al violeta) son fruto del decaimiento de los
electrones.
EMISION DE ONDAS EN UNA ANTENA
Una antena elemental no es más que un conductor, con un extremo conectado a
tierra, que permite liberar en forma de ondas electromagnéticas una oscilación
eléctrica (figura 4). Mediante un generador de corriente alterna (corriente
variable con el tiempo) a una frecuencia mayor de 100.000 veces por segundo, la
antena es recorrida durante un semiciclo por una corriente en sentido
ascendente y en sentido descendente durante el otro semiciclo. Este movimiento
que se repite a una frecuencia de varios cientos o miles de kiiohercios hace
vibrar la antena dando lugar a la emisión de ondas.
Figura 4. Proceso que sigue una antena en la emisión de ondas
electromagnéticas.
En el primer dibujo (figura 4a), el extremo superior de la
antena es positivo y el inferior, en contacto con tierra, es negativo.
Inmediatamente se produce una inversión en el sentido de la corriente (figura
4b); el extremo superior pasa a ser negativo mientras que el extremo de tierra
es positivo. Nótese que este cambio de polaridad se efectúa en un segundo más
de 100.000 veces, lo cual da idea de la vibración o frecuencia que proporciona
una determinada fuente de señal. La antena convierte la energía eléctrica,
entregada por el transmisor, en energía electromagnética que radia hacía el
espacio a una distancia que dependerá de la magnitud de la señal, de la
potencia proporcionada por la emisora y de las condiciones de propagación.
El conjunto de dos cambios continuos de polaridad da lugar a una vibración
completa, lo que representamos en la figura 4c, con la longitud de onda
-lambda-. Esta longitud de onda depende, naturalmente, de la frecuencia de
oscilación del generador, cuanto mayor sea la frecuencia menor será la longitud
de onda y, al revés, aumenta la longitud de onda cuando la frecuencia es menor.
Figura 5. Aspecto que presenta una antena
comercial de radiodifusión. Dada su altura es
necesario sujetarla mediante tirantes (vientos)
para evitar que se mueva cuando reciba rachas
fuertes de aire.
Entre la antena y tierra tiene lugar una circulación
alternada de electrones. Para ver el mecanismo de propagación desde otro ángulo
podemos imaginar que estamos sobre una antena del tipo que se conoce como
dipolo, que recibe la señal procedente de un transmisor o emisora. En la figura
5 se representa el aspecto físico de una antena emisora. De la emisora salen
dos conductores que van a cada uno de los extremos de los dos trozos de la
antena dipolo.
Fig. 6. Emisión de ondas en una antena dipolo observadas en una
vista de sección horizontal.
En un instante determinado uno de los extremos de la antena
es positivo y el otro es negativo, ello supone que se establece un campo
eléctrico entre los dos conductores desde el positivo hacia el negativo, tal
como señalamos en la figura 6. Cuando cambia la polaridad a la salida del
emisor tiene lugar una inversión de aquélla en las dos ramas de la antena con
relación al instante anterior, lo que supone que la línea de fuerza exterior se
separa en dos y se irradia hacia los dos lados del dipolo que forma la antena.
Este proceso de sucesivas inversiones de polaridad en cada mitad del dipolo
permite "despegar" de la antena sucesivas ondas que desde ésta
comienzan a extenderse hacia el espacio que las rodea y desde allí, gracias a
la elevada frecuencia del emisor y a la potencia del mismo, llegan a alcanzar
distancias muy considerables.
Las antenas tipo dipolo se emplean con preferencia en la transmisión de ondas
de frecuencia muy elevada, del orden de algunos megahercios, como es el caso de
la frecuencia modulada y de las señales de televisión. Para transmitir señales
de radio de frecuencias muy bajas es suficiente emplear un tipo de antena
equivalente a la mitad del tipo anterior, es decir, conectar a tierra el
generador de alta frecuencia y dejar solamente uno de los trozos de la antena
que antes hacía de dipolo, de este modo nos queda la denominada antena Marconi.
Este tipo de antena reduce las ondas radiadas a la mitad, ya que sólo se
transmite a través del aire una parte, las restantes van a parar a tierra.
La longitud de onda de una antena responde a la siguiente fórmula:
l = v / f
donde, v es la velocidad de propagación de la luz,
(300.000.000 m/s) y f la frecuencia a que se propaga, medida en hercios.
La longitud de onda no es necesario que sea físicamente del valor calculado en
la fórmula anterior, ya que en la práctica sería muy difícil disponer de
antenas emisoras para ondas muy largas (éstas deberían tener algunos
kilómetros), por ello se emplean antenas del tipo Marconi para longitudes 1/2 ó
1/4 de longitud de onda del valor calculado.
Existen métodos que permiten acomodar las longitudes físicas de las antenas
emisoras con las longitudes de onda a transmitir, que consisten en añadir a la
antena algún condensador o bobina en serie.
El Experimento de Hertz : demostración de la
existencia de las Ondas Electromagnéticas
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
