Ondas electromagnéticas

En realidad los hombres solo pueden hacerse una idea real del macro mundo que los rodea, todos podemos ver la luz, oír los sonidos, sentir al tacto los objetos -hasta los que no podemos ver como el aire- . Podemos además palpar algunas otras sensaciones importantes como la fuerza, la velocidad etc. Estos elementos existen con toda claridad y podemos de manera consiente cuantificarlos y definirlos por el comportamiento que se observa de ellos. En resumen, existen y punto y para dominarlos solo hay que estudiar las leyes que los gobiernan sin importar su naturaleza interna.
Sin embargo, el hombre no ha quedado en la simple determinación de las leyes que gobierna los fenómenos, siempre ha querido entrar en su intimidad y responder a la pregunta ¿qué hay detrás de cada uno de ellos?, después de todo, la comprensión de su naturaleza puede ser clave para ejercer un mejor dominio. Muchos de los fenómenos son muy "intuitivos" y se pueden explicar con facilidad en el entorno del macro mundo, y esto los hace comprensibles para la mayoría de las personas. Pero algunos otros no pueden ser explicados utilizando el macro mundo como modelo de análisis, y estos, han obligado a los hombres desde hace mucho tiempo a hacer conjeturas que permiten "acercarlos" al macro mundo y así hacerlos comprensibles. Muchas de estas conjetura, con el tiempo, se convirtieron en elementos universalmente aceptados y comunes en la conciencia y el entendimiento del hombre promedio, ya que servían a cabalidad para explicar la naturaleza de los fenómenos aparentemente incomprensibles. Aunque observaciones posteriores mas precisas de ellos han echado por tierra algunas de las antiguas conjeturas y los hombres de ciencia han llegado a la conclusión de que no corresponden con precisión a la realidad, se siguen usando como ciertas por sus bondades "intuitivas" hasta el punto donde sirven para explicar la naturaleza de algún fenómeno de forma comprensible por todos.
Quién no se imagina al átomo como una "bola" relativamente grande y pesada que corresponde al núcleo, cargado eléctricamente positivo, rodeado de una cantidad de "bolitas" mas pequeñas y ligeras que giran a su alrededor en órbitas cerradas, los electrones, cargados negativamente y cuyas cargas mantienen al sistema integrado. Nada mas parecido al sistema solar donde vivimos, este modelo de "micro sistema solar" ha sido sin duda capaz de explicar muchas cosas en química y en física y se ha seguido usando aunque en la actualidad se sabe que no corresponde con la realidad exacta.
Uno de esos fenómenos que debe ser explicado desde la perspectiva del micro mundo es el de las ondas electromagnéticas que trataremos en este artículo, así es que si algunas de las cosas que se muestran le parecen conjeturas no muy intuitivas no se preocupe, al final estas conjeturas no son descabelladas y sirven para dar una explicación mas o menos comprensible de su naturaleza.
Antes de entrar en el tema central debemos tener una idea, aunque sea general, de lo que son el campo eléctrico y el campo magnético.

Campo eléctrico

Cuando vemos un objeto pensamos en él como "un todo" simplemente masa, y todos sabemos que esta masa está compuesta por átomos. Si penetramos un poco mas adentro de la estructura tenemos que los átomos están constituidos por dos partes básicas, los electrones y el núcleo y aquí hay que tener en cuenta que estos elementos mas internos tienen otra característica, la carga eléctrica. Las cargas eléctricas de ambas partes generan una fuerza que mantiene la integridad del átomo.
Una particularidad de la carga eléctrica es que posee dos signos, y, que su signo determina la dirección de las fuerzas de interacción entre ellas. El átomo es eléctricamente neutro, los electrones tienen una carga que se ha convenido en asumir negativa, mientras el núcleo tiene una carga resultante de igual magnitud pero de signo contrario o positiva.
La evidencia que condujo al descubrimiento de las cargas eléctricas y de las fuerzas eléctricas depende mas de las propiedades de la masa en su conjunto y solo indirectamente al hecho de que la materia está constituida por átomos. La propiedad mas importante de los cuerpos para el caso que nos ocupa es su conductividad eléctrica, esto es, la facilidad con la que los electrones se puedes desplazar dentro del material. En términos generales y sin entrar en exactitudes las propiedades eléctricas de los diferentes materiales los separan en dos grupos: aquellos cuyos electrones se trasladan con facilidad y que se denominan conductores y los que el movimiento de los electrones es difícil, los aisladores.
Cuando frotamos un material aislador con otro del mismo tipo, por ejemplo, una varilla de teflón con un trozo de piel con sus pelos, la barra de teflón adquiere una carga eléctrica mientras que la piel adquiere una carga igual pero de sentido contrario. Esto hace suponer que se han transferido electrones de un cuerpo a otro y por lo tanto se ha perdido la neutralidad. En realidad, en el experimento el teflón ha quedado con un exceso de electrones, está cargado negativamente y la piel con una deficiencia por lo que su carga será positiva, pero recuerde que esto es convencional por lo que es irrelevante para los resultados.
Ahora asumimos que tenemos una pequeña bola de corcho a la que transferimos la carga del teflón y otra, que hacemos lo mismo con las cargas del trozo de piel. Ambas bolas las colgamos de sendos hilos y las acercamos, el resultado será una fuerza de atracción entre ellas aun sin tocarse. Pero si transferimos a las dos bolas las cargas desde uno de los cuerpos, es decir del teflón o de la piel, al acercarlas se produce el efecto contrario se repelen, es decir en ambos casos hay una fuerza interactuando entre los cuerpos. Este comportamiento da la primera conclusión sobre los cuerpos cargados de electricidad:

Los cuerpos cargados con signo contrario se atraen, mientras que con el mismo signo se repelen.

El concepto de la acción a distancia, donde una fuerza podía actuar a través de un espacio abierto, incluso al vacío, fue siempre difícil de aceptar. La acción a distancia sugería que de alguna manera debía llegar la fuerza creada por uno de los cuerpos al otro. Michael Faraday sugirió una vía para resolver esta dificultad, el primer cuerpo influye en el espacio que lo rodeaba por un campo que estaba presente aunque el otro cuerpo existiera o no, dando origen al concepto de campo eléctrico.
En la figura 1 se muestra una visualización real del campo eléctrico usando hilos muy finos que flotan en aceite alrededor de una pequeña esfera cargada.

Observe que los hilos se orientan radialmente a la esferita cargada representada en negro en el centro, lo que indica que el campo eléctrico es radial y uniforme en todas direcciones (en la figura se ve en un plano pero en realidad es tridimensional). La orientación de los hilos sugirieron un concepto muy útil, las lineas de fuerza. Es decir se supuso que del centro del cuerpo cargado partían en todas direcciones una lineas que representaban una fuerza y por lo tanto con una dirección definida. Se asumió dirigidas hacia afuera las lineas de fuerza que salen de un cuerpo cargado positivo y hacia adentro las de uno cargado negativo.
Observe que a medida que nos alejamos del cuerpo las lineas de fuerza se separan, su densidad espacial es menor, lo que corresponde con exactitud a las observaciones hechas de que la fuerza de interacción entre dos cuerpos cargados:

disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.

Se puede seguir ampliando mucho el tema pero hasta aquí lo que necesitamos saber:

Un cuerpo cargado eléctricamente tiene a su alrededor un espacio de influencia que se denomina campo eléctrico y que al interactuar con otro cuerpo cargado adquiere la naturaleza de una fuerza.

Figura 1

Campo magnético

El hombre conoce desde hace miles de años que ciertas rocas minerales se comportaban atrayéndose o repeliéndose, "piedras imán" como se les llamó. Pronto se descubrió que una aguja fina hecha de este material se orientaba naturalmente en dirección norte-sur y se construyó la brújula, que fue usada por los marinos por lo menos desde hace 800 años. Ya para el 1600 el inglés William Gilbert explicaba el asunto aduciendo que la Tierra era una gran "piedra imán" y que eso era la razón de la orientación de la brújula. A este comportamiento se le llamó magnetismo.
Cuando dos barras magnéticas se colocan muy cerca una de la otra, las fuerzas entre estas se hacen evidentes (fuerzas magnéticas). De los experimentos se demuestra que las barras magnéticas tienen una orientación a lo largo de su eje, en ciertas posiciones relativas una barra atrae a la otra, pero en otras posiciones se produce el efecto contrario, y además, puestas de lado se ejerce un torque entre ellas que tiende a girarlas hasta que los extremos que se atraen se coloquen lo mas cerca posible. Convencionalmente al extremo del imán que se orientaba hacia el polo norte de la Tierra se le denominó polo norte (N) y polo sur (S) al otro, que se orientaba al sur.
El comportamiento de las fuerzas magnéticas se parece mucho al de las fuerzas eléctricas vistas arriba, pero hay una gran diferencia: En los imanes sus polos no pueden separarse, si cortamos una barra magnética a la mitad, tratando de separar los polos, lo que hacemos es generar dos nuevos imanes con sus respectivos polos N y S. Se concluye de aquí que la naturaleza del magnetismo y de las cargas eléctricas es diferente; no existen las "cargas magnéticas".
No fue hasta 1820 que se asoció el magnetismo con la electricidad a manos de André Ampère al experimentar en este campo, demostrando que los efectos magnéticos podían derivarse también del movimiento de las cargas eléctricas. De hecho tanto los fenómenos magnéticos como los eléctricos son aspectos de la interacción de cuerpos cargados eléctricamente.

Al distribuir limaduras de hierro sobre una lámina plástica transparente, con esta a su vez descansando sobre un imán, (figura 2) las limaduras se orientan de cierta forma y con distintas densidades en diferentes regiones, mas cantidad cerca de los polos y menos cuanto mas lejos, dando la idea de la existencia de lineas de fuerza al igual que en las cargas eléctricas.
Observe la figura 2, vea como cerca de los dos polos del imán de herradura hay muchas mas limaduras que en el resto de las áreas.
¿Que pasa cuando se hace el mismo experimento usando un alambre eléctrico por el que circula corriente? ¡Sorpresa!, las limaduras se orientan (figura 3), la corriente (movimiento de cargas eléctricas) ha generado magnetismo, pero en este caso las limaduras nos "dicen" que las lineas de fuerza forman círculos perpendiculares al hilo con electricidad. No cabe duda, las cargas eléctricas en movimiento generan magnetismo exactamente igual al de los imanes, sin embargo note que en el magnetismo creado por el movimiento de cargas a través del conductor no hay polos, es un "circuito cerrado" por llamarlo de alguna manera.
Al igual que las eléctricas, las fuerzas magnéticas actúan a distancia y la distribución y densidad de las limaduras nos indican la presencia de un campo magnético a través del espacio, que disminuye cuando crece la distancia al centro que genera el magnetismo. La magnitud del campo magnético la caracterizaremos con el concepto de flujo magnético, que no es mas, al igual que el flujo de un fluido cualquiera, que:

la cantidad de lineas de fuerza que atraviesan una unidad de área perpendicular a estas lineas.

Se ha demostrado que la magnitud del flujo magnético es inversamente proporcional al cubo de la distancia al polo.

Atando los cabos.

Ya hemos aprendido que las cargas eléctricas (rodeadas de un campo eléctrico), cuando se mueven, generan un campo magnético, pues bien, el efecto contrario también es válido. Si acercamos un imán a un hilo conductor cerrado, lo que equivale al aumento del flujo magnético que interactúa con el conductor, en este se engendra un movimiento de las cargas eléctricas contenidas en el material (electrones) en cierta dirección, es decir se induce una fuerza electromotriz que produce una corriente eléctrica. Si hacemos lo contrario, es decir alejamos el imán la corriente se produce en sentido contrario a la anterior. Hay por lo tanto una cierta dependencia de ambos campos, el eléctrico y el magnético.
De esta dependencia se deduce que los conceptos de campo eléctrico y de campo magnético "independientes" solo existen cuando se refieren a cuerpos cargados o imantados que están en reposo y tienen una intensidad constante. Si se mueven, o tienen una intensidad variable en las cercanías de otros cuerpos existirá siempre una influencia, dependiente del cambio de su intensidad con el tiempo, entre uno y otro.

Figura 2

Figura 3

Las ondas

Desde hace mucho tiempo Faraday ya había observado que la electricidad y el magnetismo están fundamentalmente conectados, mas tarde Maxwell de manera brillante, predijo la existencia de ondas donde se vinculaban los campos eléctrico y magnético, y que fueron llamadas ondas electromagnéticas, capaces de "sentirse" a muchas mayores distancias que las que sugieren los campos eléctrico y magnético por separado, y que se propagaban por el espacio a una velocidad predecible, la velocidad de la luz. La comprensión de que la luz era una onda de este tipo dio pie a una explicación mas completa de sus propiedades y comportamiento.
Las ondas electromagnéticas están a nuestro alrededor: radio y televisión, hornos de micro-ondas, luz visible, rayos X, son algunos ejemplos.

La propagación del campo electromagnético.

De lo visto hasta aquí ya sabemos que cuando las intensidades de los campos magnéticos y eléctricos son variables en el tiempo, uno influye en el otro por lo que se dice que están acoplados. Utilicemos la simple construcción de la figura 4 para ilustrar este acoplamiento.

Imagine una superficie plana suspendida a la que hemos hecho en el centro una ranura por la que puede pasar verticalmente una cuerda (roja).
Ahora suponemos la existencia de otra cuerda (azul) sobre la superficie de la mesa (horizontal) y acoplada a la roja por unos hilos rígidos de igual longitud. Los hilos pasan por unos pequeños ganchos de forma tal que cuando la cuerda vertical esté en el punto mas alto (o más bajo) los hilos de conexión traen la cuerda horizontal sobre la ranura. Pero cuando la cuerda roja esté a nivel de la superficie de la mesa la cuerda azul estará en el punto mas alejado de la ranura.
Entonces, debido a los hilos, un movimiento ondulatorio generado en cualquiera de las cuerdas induce necesariamente otro en la otra cuerda. Los hilos hacen el acoplamiento.
En el caso de los campos eléctrico y magnético no hay cuerdas ni hilos, pero este es el efecto de un campo sobre el otro, lo que trae como resultado que una oscilación del campo eléctrico hace oscilar al campo magnético y vice versa.

Figura 4

Vamos ahora a tratar de entender como las cargas eléctricas en movimiento conllevan a la aparición de la propagación de los campos eléctricos y magnéticos en la forma ilustrada en la figura 4.

Considere un alambre recto alineado con el eje x que transmite una corriente I. Con esta corriente, como se muestra en la figura 5 a la izquierda, 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.
Suponga 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 mas 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 mas alejados aun del hilo conductor. La repetición indefinida de las 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 alejándodose de él .

Figura 5

De lo descrito podemos llegar a conclusiones importantes:

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.
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.
Con el cambio de la corriente restringido a una linea en la dirección del eje x, los campos se propagan en un perfil cilíndrico simétrico alejándose de la linea con corriente.
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.
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.
La corriente, que es la fuente original de los campos, debe cambiar con respecto al tiempo. Una corriente estática simplemente produce a 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 harmónica con respecto al tiempo entonces la dependencia entre los campos eléctrico y magnético también será harmónica.

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 harmónico (sinusoidal) debe ser como se muestra en la figura 6. La propagación se inicia en el tiempo t₁ y ambos campos van adquiriendo una forma sinusoidal con el transcurso del tiempo.
El campo eléctrico (E) se ha representado en color mas claro y el magnético en color mas 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 Hetz, 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.

Ondas planas

Si nos colocamos hipotéticamente como observador fijo de la producción de ondas electromagnéticas generadas en un trozo de alambre con electricidad como el de la figura 5, nos podremos dar cuenta de que las cargas cambian de posición dentro del alambre con respecto a nosotros en todo momento, esto significa que la onda electromagnética generada no se puede considerar procedente de un solo punto, si no de todo el alambre, con un perfil cilíndrico a su largo en cada momento. Esta situación hace que las ondas electromagnéticas así generadas se propaguen avanzando en la dirección de alejarse del alambre con un frente de onda paralelo al alambre, esto es como un cilindro que se expande. La linea frontal de la onda en cualquier dirección paralela al alambre es una recta. Por este motivo se ha convenido en llamarlas ondas planas.

Figura 6