VIII. LAS FUENTES DE LA LUZ

LAS IDEAS de Maxwell produjeron otro resultado de enorme importancia: explicaron cómo se produce la luz. Ésta se produce moviendo cargas eléctricas. La onda electromagnética más sencilla se produce haciendo oscilar el sistema de cargas más sencillo. Este sistema, llamado dipolo eléctrico, está formado por dos cargas eléctricas iguales y de signos opuestos; esto es, por una carga positiva y otra igual pero negativa. Es el sistema más sencillo porque nuestro universo es eléctricamente neutro y al producirse una carga eléctrica de un signo siempre se produce una carga igual del signo opuesto. La figura 32 muestra, en cierto momento, las fuerzas eléctricas que se producen alrededor de un dipolo eléctrico oscilante. Estas fuerzas oscilan en cada punto a la misma frecuencia con la que oscila el dipolo. Si uniéramos por una superficie los extremos de todas las fuerzas eléctricas, las veríamos ondular alejándose del dipolo, como las ondas circulares de la figura 22 generadas al perturbar la superficie del agua tranquila.

Figura 32. La longitud de las ondas de radio es de cientos de metros y se producen en sistemas de cargas eléctricas en movimiento, llamados antenas, que tienen dimensiones comparables; de unos 100 a 200 m.

Las ondas de radio y de televisión son como éstas. Se generan haciendo oscilar cargas eléctricas por un conductor de cargas, generalmente vertical, llamado antena. Estas ondas difieren de las ondas de luz solamente en la frecuencia; las de radio tienen frecuencias entre millones y miles de millones de hertzios (megahertzios, MHz, a gigahertzios, GHz), y las de luz tienen frecuencias de decenas de billones de hertzios (tera hertzios, THz). Las ondas electromagnéticas de radio fueron producidas artificialmente por primera vez en 1887 por el físico alemán Heinrich Hertz, quien además midió su velocidad de propagación y comprobó que es igual a la de la luz; tal y como había predicho Maxwell.

Las ondas producidas por un cuerpo luminoso, responsables de los fenómenos de difracción y de interferencia, se producen por el movimiento de las partículas con carga eléctrica con que están construidos los átomos y las moléculas del cuerpo. Debido a que estos movimientos ocurren en todas direcciones y no sólo en una como sucede en una antena vertical, la onda electromagnética producida por cada punto luminoso es esférica y se propaga en todas direcciones. La perturbación que se propaga está formada por las fuerzas eléctrica y magnética producidas por las cargas en movimiento y no requiere de un medio material para propagarse, ya que puede hacerlo en el espacio vacío. Es difícil representar estas ondas por un dibujo sobre un papel porque las fuerzas eléctrica y magnética son perpendiculares entre sí y perpendiculares, a su vez, a la dirección de propagación de la onda. La figura 33 muestra cómo se verían, en cierto instante, las fuerzas magnéticas de una onda esférica alrededor de las cargas que las producen. La fuerza en cada punto oscila continuamente de manera que las esferas que pasan, por ejemplo, por los máximos de las fuerzas, se alejan de su centro a la velocidad de propagación de la luz. Excepto porque las fuerzas son perpendiculares a la dirección de propagación, Huygens postuló correctamente la existencia de estas ondas para explicar los fenomenos de refracción de la luz (Figura 28), y Young para explicar los de interferencia y de difracción (Figuras 17 y 23).

Figura 33. Las fuerzas magnéticas en una onda electromagnética esférica. Las fuerzas avanzan a la velocidad de la luz ocupando esferas cada vez mayores.

Todas las ondas electromagnéticas se generan por sistemas de cargas eléctricas en movimiento. En general, la longitud de la onda producida es comparable a las dimensiones del sistema de cargas; por ejemplo, las ondas de radio tienen longitudes de onda de más o menos 300 m y las antenas de transmisión de radio son también de unos 100 o 200 metros de longitud (Figura 32). La longitud de las ondas electromagnéticas, llamadas comúnmente "microondas", es de unos 12 cm. Las ondas se producen en instrumentos electrónicos, llamados "magnetrones", con esas dimensiones aproximadas. Las ondas electromagnéticas que llamamos luz tienen una longitud de unos 0.0005 mm, lo que indica que se generan en sistemas microscópicos de cargas eléctricas de dimensiones comparables. Estos sistemas tienen un diámetro aproximado de 0.00001 mm y se llaman átomos, o moléculas. Toda la materia está compuesta por átomos o moléculas de distintas especies; todos están compuestos por cargas eléctricas y, por lo tanto, todos son susceptibles de producir ondas electromagnéticas. Además de ondas de luz, estos sistemas pueden producir ondas de mayor longitud, llamadas radiación infrarroja, y ondas de menor longitud llamadas radiación ultravioleta y rayos X, que no pueden ser percibidas directamente por el ojo. En el interior de los átomos y de las moléculas existen además sistemas de cargas eléctricas mucho más pequeños, unas cien mil veces más pequeños, los llamados núcleos atómicos que son susceptibles de producir radiación electromagnética de mucho menor longitud que la de la radiación ultravioleta o que la de los rayos X. Estas ondas electromagnéticas se llaman rayos gamma y tampoco pueden ser percibidos por la vista. Al conjunto de los distintos tipos de ondas electromagnéticas se le llama espectro electromagnético. La figura 34 muestra sus longitudes de onda, sus frecuencias y las dimensiones de los sistemas de cargas eléctricas que las producen.

Figura 34. El espectro de las ondas electromagnéticas y las dimensiones de los sistemas de cargas que las producen.