James Clerk Maxwell Campo eléctrico inducido. B

Transcripción

1 El trabajo más notable en el campo del electromagnetismo fue realizado hace 100 años por el célebre físico escocés James Clerk Maxwell. Basándose en las leyes experimentales descubiertas por Coulomb, Ampere y Faraday, y añadiendo a ellas nuevas concepciones creadas por el mismo, este científico desarrollo un conjunto de ecuaciones que actualmente se conoce como ecuaciones de Maxwell, en las cuales se sintetizan todos los conocimientos adquiridos acerca de los fenómenos electromagnéticos hasta aquella época. Podemos decir que las ecuaciones de Maxwell en electricidad, desempeñan el mismo papel que las de Newton en la mecánica. La consecuencia más importante a que se llegó mediante esas ecuaciones fue la previsión de la existencia de las ondas electromagnéticas, que actualmente Se conocen ampliamente y son utilizadas en alto grado en la ciencia y la tecnología. A continuación se muestra en forma muy simplificada como llegó a esa conclusión, y como, más tarde, sus conceptos fueron confirmados en forma experimental.

2 James Clerk Maxwell ( ) Físico escocés, cuyo destacado papel en el estudio de la electricidad y magnetismo, es comparable al desempeño por Newton en la mecánica, en virtud del carácter fundamental de las leyes que estableció. Maxwell realizó también importantes contribuciones en otros campos de la Física, como un estudio de la percepción visual del color y produjo una de las primeras fotografías en colores), y una teoría acerca de los anillos de Saturno. Pero fue en el campo de electromagnetismo donde sus trabajos tuvieron mayor importancia, debiendo destacarse la previsión de la existencia de las ondas electromagnéticas así como uno de los triunfos más notables de la ciencia, el establecimiento de la naturaleza electromagnética de la luz. Campo eléctrico inducido. En la figura se muestra una espira circular colocada en un campo magnético B entrante en la pagina. Al provocar une variación en este campo, el flujo magnético que pasa por la espira cambiara también, y como ya sabemos, en dicha espira se establecerá una corriente inducida; es decir los electrones libres que existen en la espira, y que inicialmente se hallaban en reposo, entraran en movimiento. Por tanto, es obligado concluir que un campo eléctrico actúa sobre dichos electrones poniéndolos en movimiento, y que tal campo eléctrico solo pudo haber surgido a consecuencia de la variación del campo magnético. En la figura se muestran algunas líneas de fuerza de este campo eléctrico creado por la variación del campo magnético, y que recibe el nombre de campo eléctrico inducido. Con base en nuestra conclusión, podemos afirmar que: Si un campo magnético existente en cierta región del espacio, sufre una variación en el tiempo, tal variación hará aparecer en esa región, un campo eléctrico inducido.

3 Este hecho constituye uno de los principios básicos del Electromagnetismo, y es claro, entonces que un campo eléctrico puede ser producido no únicamente por cargas eléctricas en reposo sino también por un campo magnético variable. Observemos que no es necesaria la existencia de una espira metálica, como en la figura anterior, para que aparezca el campo eléctrico. La espira simplemente muestra que dicho campo en realidad se halla presente, pues, si no existiera, no habría corriente inducida en la espira. Campo magnético inducido. Al analizar los hechos que acabamos de Describir, Maxwell tuvo la idea de tal vez, el fenómeno inverso podría verificarse. En otras palabras, propuso la hipótesis de que un campo eléctrico variable podría a su vez generar un campo magnético. Para aclarar el significado de esta idea, consideremos dos placas metálicas, separadas de cierta distancia en el aire y conectada a una batería, como se observa en la figura. Cuando se efectúa esta conexión, la placa conectada al polo positivo de la batería va adquiriendo carga positiva, mientras que la otra se va cargando negativamente. Como sabemos, las cargas en los polos crean un campo eléctrico en el espacio que existe entre ellas. Conforme va aumentando el valor de las cargas de las placas, la intensidad de este campo eléctrico también se incrementa; es decir, entre las placas hay un campo eléctrico variable en el tiempo. En estas condiciones, de acuerdo con Maxwell, en la región entre placas aparecerá un campo magnético denominado campo magnético inducido. En la figura también se indican algunas líneas del campo eléctrico variable y del campo magnético inducido en virtud de la variación del campo eléctrico. Por lo tanto, la hipótesis de Maxwell dice que:

4 Si un campo eléctrico existente en cierta región del espacio, sufre una variación en el tiempo, tal variación hará aparecer en esa región, un campo magnético inducido. Por tanto, conforme a las ideas propuestas por Maxwell, un campo magnético puede ser producido no únicamente por una corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento), sino también por un campo eléctrico variable. Que es una onda electromagnética. A continuación examinaremos la consecuencia más importante de las ideas de Maxwell que, como dijimos, consistió en prever la existencia de las ondas electromagnéticas Supongamos que en cierta región del espacio existe un campo magnético B, variable en el tiempo. Por ejemplo, considérese el campo que existe entre los polos de un electroimán, cuyas espiras son alimentadas por un generador de corriente alterna (de alta frecuencia), como se observa en la figura.este campo B, al ser generado por una corriente alterna, será un campo oscilante, o sea que su magnitud y su sentido varían en forma periódica en el transcurso del tiempo. Entonces, como hay variación en el campo magnético, en los alrededores del electroimán aparecerá un campo eléctrico inducido E. A su vez, este campo variara en el tiempo, y de acuerdo con la hipótesis de Maxwell, originara un campo magnético inducido, y así sucesivamente. De manera que se puede tener la propagación, en el espacio, de una alteración o perturbación constituida por los campos variables E y B, y que es radiada en todas direcciones desde el electroimán. La figura ilustra la radiación de estos campos, mostrando también los vectores E y B en un punto dado, y la velocidad V con la cual se propagan a través del espacio.

5 Maxwell mostró, por medio de sus ecuaciones, que esta perturbación electromagnética, al propagarse, debería presentar todas las características de un movimiento ondulatorio. Por lo tanto, de acuerdo con Maxwell, dicha radiación electromagnética experimentara reflexión, refracción, difracción e interferencia, exactamente como sucede con todas las ondas. Por este motivo, la perturbación constituida por la propagación de campos eléctricos y magnéticos ha recibido el nombre de ondas electromagnéticas. En la figura, se presenta una onda electromagnética que se propaga hacia la derecha. Observemos que está constituida por los campos E y B que oscilan en forma periódica, de manera similar a los puntos de una cuerda en la cual se propaga un onda mecánica. Como vemos en la figura los vectores E y B son perpendiculares entre si, y ambos son normales a la dirección de propagación de la onda. Velocidad de propagación de una onda electromagnética. Es importante destacar que, al contrario de las ondas magnéticas (por ejemplo, el sonido) que hemos estudiado en capítulos anteriores, una onda electromagnética no necesita un medio material para propagarse. Como un campo eléctrico y un campo magnético pueden establecerse en un espacio inmaterial, es claro que una onda electromagnética podrá propagarse en el vació. Uno de los resultados de mayor repercusión obtenido por Maxwell a partir de sus ecuaciones, fue la determinación del valor de la velocidad de propagación de una onda electromagnética. Sus cálculos demostraron que, en el vacío (o en el aire), esta onda se propaga a una velocidad V que vale:

6 La importancia de este resultado se debe a que este valor coincide con el de la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Esta concordancia llevó a Maxwell a sospechar que la luz era una onda electromagnética. Los físicos del siglo pasado ya habían establecidos que la luz es un fenómeno ondulatorio, pero no sabían expresar con seguridad de que tipo de onda se trataba, es decir, cual era la naturaleza de la onda luminosa. Actualmente sabemos que la sospecha de Maxwell era justificada: La luz es en realidad una onda electromagnética. El establecimiento de la naturaleza electromagnética de la luz se considera uno de los grandes triunfos de la teoría de Maxwell, pues este hecho vino a unificar la óptica y el electromagnetismo. Por tanto, puesto que los fenómenos luminarias tienen su origen en fenómenos electromagnético, la óptica se puede considerar como una rama de electromagnetismo, y sus leyes (Reflexión, refracción, difracción, etc.) Se pueden deducir a partir de las ecuaciones de Maxwell. Debido a su muerte prematura, en 1879, a los 48 años de edad, Maxwell no alcanzo a ver la confirmación de sus postulados. La existencia de las onda electromagnéticas solo pudo ser comprobada en forma experimental a fines del siglo pasado, por el físico alemán Heinrich Hertz. Este científico logro obtener en su laboratorio, ondas electromagnéticas (o hertzianas) con todas las propiedades previstas por Maxwell. Los experimentos de Hertz, además de confirmar las hipótesis de Maxwell, contribuyeron a establecer que la luz es, en efecto, una onda electromagnética. Entonces, es muy importante destacar que: Al calcular la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío, Maxwell encontró un resultado igual a la velocidad de la luz. Este hecho lo llevó a sospechar que la luz era una onda electromagnética. Los experimentos de Hertz, y otros ulteriores, demostraron que la idea de Maxwell era correcta. La unificación de las teorías físicas Un hecho de gran relevancia para el avance de la física se han analizado en secciones anteriores: dos importantes ramas de esta ciencia, la óptica y la electricidad, que se estudiaban a base en principios independientes, pasaron a describirse a partir de una misma teoría, sintetizada por las

7 ecuaciones de Maxwell. Ocurrió, entonces, la unificación (o síntesis) de esos 2 importantes campos de la física. En otros tiempos de la historia de la física, se observaron también unificaciones tan importantes como esa e inclusive en la actualidad, nuevas síntesis continúan siendo propuestas e investigadas con el fin de describir el mayor número posible de fenómenos naturales cada vez más con un número menor de principios fundamentales. A continuación se analizara, de manera sucinta, la importante unificación que hasta hoy los físicos han logrado establecer durante la evolución de esta interesante área del conocimiento. la primera unificación que se citará, denominada Síntesis Newtoniana, estableció la universalidad de las leyes de la Mecánica. Como se observó, la Física Aristotélica afirmaban que la leyes referentes a los movimientos de los cuerpos celestes eran diferentes a a las que obedecían los cuerpos en la superficie de la tierra. Al publicar, Los Principios, Newton demostró que las leyes básicas establecidas podrían utilizarse para describir los movimientos de cualquier cuerpo (celeste o terrestre) Otra importante unificación en los campos de la física se refiere a los experimentos de Oersted, y estudios posteriores realizados por Ampere y Faraday, demostraron que los fenómenos eléctricos y magnéticos tenían un mismo origen. La electricidad y el magnetismo fueron, entonces, unificados, lo cual dio origen a un nuevo campo de estudios más amplios, denominados Electromagnetismo. Como se indicó al principio, los trabajos de Maxwell, casi 50 años después, convirtieron al campo del electromagnetismo mucho más amplio e incorporaron también la óptica a esta área. A principios del siglo 20, después de haber ocurrido las síntesis mencionadas, todo parecía indicar que solamente dos tipos de fuerzas estaban presentes en cualquier fenómeno natural: La fuerza de origen gravitacional y la fuerza de origen electromagnético. Durante gran parte de su vida, Albert Einstein trato de establecer la unificación de esas fuerzas, buscando una teoría, que pudiera describirlas con base en un mismo principio fundamental. La búsqueda de

8 la teoría del campo unificado, hasta ahora no ha tenido éxito a pesar de que muchos científicos de la actualidad continúan investigando en este sentido. Con el avance de la física nuclear los científicos comprobaron la existencia de otros dos tipos de fuerza que se manifiestan solamente entre partículas que constituyen el núcleo atómico. Esas fuerzas se denominaron fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte. La fuerza nuclear débil entre dos partículas es casi veces menor que la fuerza electromagnética y que también se manifiesta entre ella, pero su alcance es muy pequeño pero no actúa cuando las partículas están separadas por distancias superiores a 10 centimetros. Esta fuerza se manifiesta, prácticamente, entre cualquier tipo de partícula. Por otra parte, la fuerza nuclear fuerte se manifiesta solamente entre algunas partículas nucleares, pero su alcance es considerablemente mayor, pues se manifiesta para distancia de hasta centímetros. Actualmente, gracias a los trabajos encabezados por el físico pakistaní, radicado en Inglaterra, Abdus Salam se obtuvo una gran victoria relacionada con la unificación de las fuerzas de la naturaleza. A pesar de que los intentos de unificación de las fuerzas electromagnéticas y gravitacionales hayan fracasado, este científico logró establecer una teoría en la cual se llegaba a la síntesis entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil. Esas ideas pudieron comprobarse experimentalmente gracias a los potentes aceleradores de partículas del SER. la importancia del trabajo de Salam, y su repercusión en

9 la comunidad científica internacional, pueden avalarse por el hecho de que este científico haya recibido el premio Nobel de Física en Otros intentos para unificar las fuerzas de la naturaleza continúan realizándose y hay indicios según algunos investigadores, de que la unificación total entre dichas fuerza pueda alcanzarse dentro de algún tiempo. La teoría a la que se debe esa unificación usualmente se conoce con la sigla TOE, del inglés, THEORY OF EVERY THING es decir, Teoría de todas las cosas. En el recuadro de la figura se ofrece una visión global de las principales unificaciones ocurridas en el campo de la física y que se acaban de tratar. Espectro electro magnético: Que es el espectro electro magnético. Desde la época de Maxwell hasta nuestros días se a producido un gran avance en los conocimientos relacionados con las ondas electro magnéticas. De manera que en la actualidad sabemos que existen varios tipos de esas ondas; las cuales a pesar de ser todas de la misma naturaleza (constituidas por los campos E y B que oscilan en el tiempo y se propagan en el espacio), presentan en ocasiones características muy diferentes. En general, los diversos tipos de ondas electromagnéticas difieren en el valor de su frecuencia, y también por la forma en que se producen y también por la forma como se producen. En la figura se representan en una escala los diversos tipos de ondas electromagnéticas que se conocen.

10 Observemos que según el valor de su frecuencia, reciben una denominación especial: Ondas de radio, onda infrarrojas, rayos x, etc. El conjunto de todos estos tipos de onda o radiaciones se denomina espectro electro magnético. Por lo tanto, la figura es una representación de tal espectro. Todas las ondas que constituyen esta gama se propagan, en el vacío, con la misma velocidad (V= 3.0 m/s 9, y son originadas por la aceleración de una carga eléctrica. Entonces, siempre que una carga electrica es acelerada, radia cierto tipo de onda electromagnetica, lo cual depende del valor de la aceleración de la carga. A continuación examinaremos algunas de las características de cada clase de onda que constituyen el espectro magnético. Ondas de radio En la figura 25-25vemos que las ondas electromagnéticas qe presentan las frecuencias más bajas - hasta de hz (Hertz), es decir, de vibraciones por segundo!- son las ondas de radio. Reciben esta denominacion por ser las que emplean las estaciones de radiocomunicación o radiodifusion, para realizar sus transmisiones. En toda estación de radio existen circuitos eléctricos especiales que

11 provocan la oscilación de electrones en la antena emisora. Por tanto, tales electrones son acelerados en forma continua, y por ello, emiten las ondas de radio que transportan los mensajes o programas de una estación. Las ondas electromagnéticas que emplean las emisoras de televisión tienen las mismas características que las radioondas, Pero, como vemos en la tabla del espectro, sus frecuencias son más elevadas que las que normalmente utilizan las emisoras de radio. Microondas. Al considerar frecuencias más elevadas que las de las ondas de radio, se llega a las ondas electromagnéticas denominadas microondas. Estas tienen frecuencias comprendidas, aproximadamente, entre 10 elevado a 8 Hz y 10 elevado a 12 Hz, como indica la tabla del espectro.. Las microondas se emplean mucho en la telecomunicación, para transportar señales de TV, o bien, transmisiones telefónicas. De hecho, actualmente los sistemas radiotelefónicos que existen en todo el mundo y que comunican a las ciudades entre sí, se enlazan mediante microondas. Además, las transmisiones de TV vía satélite, de un país a otro, también se llevan a cabo con el empleo de este tipo de ondas.

12 Radiación infrarroja. La siguiente región del espectro electromagnético está constituida por las ondas infrarrojas, que son ondas electromagnéticas con frecuencias de aproximadamente Hz a Hz. La radiación infrarroja es emitida en gran cantidad por los átomos de los cuerpos calientes, los cuales se encuentran en una constante e intensa vibración. El calor que sentimos cuando estamos cerca de un metal candente se debe en gran parte a los rayos infrarrojos que emite y que son absorbidos por nuestro cuerpo. Este proceso de transmisión de calor recibe así mismo el nombre de radiación térmica o calorífica. Radiación visible. Las ondas electromagnéticas cuyas frecuencias están comprendidas entre 4.6 x Hz y 6.7 x Hz constituyen una región del espectro electromagnético que tiene una importancia especial para nosotros. Esta radiación es capaz de estimular la visión humana pues se trata de las ondas luminosas o luz. Observemos en la escala del espectro electromagnético, que las radiaciones luminosas constituyen una región muy estrecha. Por lo tanto, nuestros ojos no son capaces de percibir la mayor parte de las radiaciones que integran el espectro. Como se observa, las frecuencias menores de la radiación visible nos dan la sensación del color rojo. Al aumentar la frecuencia de las ondas tendremos, sucesivamente, las que corresponden a los colores naranja, amarillo, verde, azul, añil, y al final de la región visible, al color violeta. Ahora es claro que la denominación infrarroja se debe a que las frecuencias de esta radiación se localizan en una región situada inmediatamente antes de la frecuencia que corresponde a la radiación roja. Radiación ultravioleta. Las ondas electromagnéticas con frecuencias inmediatamente superiores a las de la región visible se denominan ondas ultravioletas. Esta denominación indica que las frecuencias de estas ondas son superiores a la frecuencia de la radiación violeta. Observemos la escala que representa el espectro electromagnético, que la región ultravioleta alcanza frecuencias hasta de Hz.

13 Los rayos ultravioletas son emitidos por átomos excitados, como, por ejemplo, en las lámparas de vapor de mercurio (y que acompañan a la emisión de luz). Como ya dijimos, esta radiación no es visible, y puede hasta dañar los tejidos del ojo humano. Sólo se pueden detectar mediante otros procesos, como por ejemplo, la impresión de ciertos tipos de placas fotográficas. Rayos X. Este tipo de radiación está constituido por las ondas electromagnéticas de frecuencias superiores a las de la radiación ultravioleta. Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por el físico alemán Wilhelm Röntgen, quien recibió el Premio Nobel de Física en 1901 por este logro. La denominación rayos X fue utilizada por Röntgen porque desconocía la naturaleza de las radiaciones que acababa de descubrir (la X indica que eran incognitos o desconocidos) Estas ondas pueden producirse en dispositivos especiales (tubos de rayos X), en estos tubos, la placa A, que se indican en la figura 25-28b, emite un haz de electrones. Estas partículas son aceleradas por medio de un voltaje elevado existente entre A y el blanco u objetivo de tungsteno, B. Al llegar a este, los electrones son bruscamente detenidos, es decir, experimentan una fuerte desaceleración. Debido e ello emite ondas electromagnéticas de alta frecuencia situadas en la región que corresponde a los rayos X. Röntgen hallo que los rayos X tienen una propiedad de atravesar, con cierta facilidad, sustancias de baja densidad (como los músculos de una persona), y

14 de ser absorbido por materiales de densidad elevada (como los huesos del cuerpo humano). Debido a esta propiedad, poco después de su descubrimiento, los rayos X comenzaron a ser ampliamente utilizados en medicina para obtener vistas de los órganos internos. el propio Röntgen fue el primero en encontrar tal uso para los rayos X al obtener la radiografía de los huesos de la mano de una persona. En la actualidad, los rayos X tienen un campo muy amplio de aplicaciones, además de su empleo en las radiografías, pues se utilizan también en el tratamiento médico del cáncer, en la investigación de la estructura cristalina de los sólidos, en pruebas industriales, y en muchos otro campos de la ciencia y la tecnología. Rayos gamma. Por último, en la escala del espectro, vemos las ondas electromagnéticas que muestran las frecuencias más altas conocidas, son los rayos gamma (o gama). Esta radiación es emitida por los núcleos atómicos de los elementos al desintegrarse. Estas sustancias, como quizá ya sabe, se lo denominan elementos radioactivos. Un núcleo atómico, al desintegrarse, emite tres tipos de radiaciones, que se denominan alfa, beta y gama. Al hacer pasar estas radiaciones por un campo eléctrico. Los rayos alfa se desvían hacia el lado opuesto (son partículas de carga positiva), los rayos beta se desvían hacia el lado opuesto (son partículas de carga negativa), y los rayos gama no sufren deviación alguna, pues no son partículas electrizadas, sino ondas electromagnéticas de alta frecuencia. Los rayos gama (al igual que los rayos X) pueden ocasionar daños irreparables a las células animales. En la explosión de una bomba de energía nuclear (por ejemplo una bomba atómica ) se produce una colosal emisión de estas radiaciones, siendo esta una de las causas del peligro que este tipo de armas representa para la humanidad. A los científicos y técnicos que trabajan en los laboratorios donde existen radiaciones gama (o X) se obliga a utilizar sistemas especiales para protegerse contra dosis excesivas de exposición a estas radiaciones.

15 Amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación- Laser Que es un rayo laser. El laser es un tipo especial de radiación electromagnética visible cuyas aplicaciones tecnológicas y científicas aumentan cada día. El termino laser está formado por las iniciales de las siguientes palabras en inglés: light amplificativo by estimulated emission of radiation, que significa amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. Un haz de rayos laser se diferencia de la luz común porque presentan algunas características propias que se analizaran en seguida. El haz de laser se presenta siempre con intensidad muy alta, es decir, hay alta concentración de energía en áreas muy pequeñas (haces muy delgados). Por ejemplo, un laser de potencia baja, cerca de algunos mili-watts, presentan brillo considerable, muy superior al de la luz emitida por un foco de 60 watts. Además, ese intenso haz está constituido por rayos prácticamente paralelos, que pueden propagarse por distancias muy grandes sin dispersarse (los rayos se mantienen casi paralelos, con divergencia muy baja ) La luz de laser es monocromática, es decir está constituida por radiaciones que presentan una frecuencia única de valor determinado. Con la luz común sería muy difícil obtener este grado de mono-cromaticidad, porque presentan como una mezcla de radiaciones de varias frecuencias.