XV. HERTZ. ONDAS ELECTROMAGN�TICAS

HEINRICH HERTZ (1857-1894), profesor de la Escuela Polit�cnica de Karlsruhe, en Alemania, se interes� en la teor�a electromagn�tica propuesta por Maxwell. La reformul� matem�ticamente logrando que las ecuaciones fueran m�s sencillas, y sim�tricas. Desde 1884 Hertz pens� en la manera de generar y detectar en un laboratorio las ondas electromagn�ticas que Maxwell hab�a predicho. Despu�s de mucho trabajo y de experiencias sin �xito, en 1887 construy� un dispositivo con el que logr� su fin. El experimento que realiz� fue a la vez genial y sencillo.

Utiliz� un carrete o bobina de Ruhmkorff; que es un transformador que produce un voltaje muy alto. En seguida conect� el carrete a un dispositivo formado por dos varillas de cobre (Figura 29); en uno de los extremos de cada varilla a�adi� una esfera grande y en el otro una peque�a. Cada una de las esferas grandes serv�a como condensador para almacenar carga el�ctrica. Una vez hecha la conexi�n, en cierto instante el voltaje entre las esferas chicas era lo suficientemente grande para que saltara una chispa entre ellas. Hertz razon� que al saltar estas chispas se producir�a un campo el�ctrico variable en la regi�n vecina a las esferas chicas, que seg�n Maxwell deber�a inducir un campo magn�tico, tambi�n variable. Estos campos ser�an una perturbaci�n que se deber�a propagar, es decir, deber�a producirse una onda electromagn�tica. De esta forma, Hertz construy� un radiador de ondas electromagn�ticas. Efectivamente, al conectar el carrete de Ruhmkorff a su dispositivo, Hertz observ� que saltaban chispas entre las esferas chicas de manera intermitente. As� logr� construir un generador de ondas electromagn�ticas.

Figura 29. Esquema del aparato generador de ondas electromagn�ticas construido por Hertz.

El siguiente paso fue construir un detector de las ondas electromagn�ticas que supuso eran emitidas por su dispositivo. Para este fin construy� varios detectores. Uno de ellos era simplemente otro dispositivo similar al radiador; otro tipo fue una espira met�lica en forma circular que ten�a en sus extremos dos esferas, tambi�n conductoras, separadas una peque�a distancia. El argumento de Hertz fue el siguiente: si en efecto existen ondas electromagn�ticas, al ser emitidas por el circuito se propagar�n en todo el espacio circundante. Al llegar las ondas al detector, se inducir� en �l un campo el�ctrico (adem�s del magn�tico) y por tanto, en las varillas conductoras o en la espira se inducir� una corriente el�ctrica. Esto har� que a trav�s de sus extremos se induzca un voltaje, que si llega a tener un valor suficientemente grande, dar� lugar a que salte una chispa entre las esferas. Mientras mayor sea el valor de la amplitud de la corriente el�ctrica en el circuito emisor, mayor ser� la magnitud del campo el�ctrico inducido y por lo tanto, mayor ser� la diferencia de potencial entre los extremos de la espira del receptor. Esto es precisamente lo que encontr� Hertz en su experimento. Con su detector situado a una distancia de alrededor de 30 m del radiador, observ� que saltaba una chispa entre las esferas del detector, con lo que demostr� que las ondas electromagn�ticas �efectivamente existen! M�s tarde, el mismo Hertz pudo demostrar que estas ondas se reflejan, se refractan y se comportan como las ondas de luz (v�ase el cap�tulo XIV), hecho considerado por la teor�a de Maxwell. As� lo report� Hertz en 1888: "Es fascinante que los procesos que investigu� representan, en una escala un mill�n de veces m�s amplia, los mismos fen�menos que se producen en la vecindad de un espejo de Fresnel, o entre las delgadas l�minas para exhibir los anillos de Newton." Con esto, Hertz se refer�a a que la longitud de onda de las ondas que su aparato produjo eran un mill�n de veces la longitud de onda de la luz visible.

De los valores que utiliz� para los elementos del circuito, Hertz estim� que la frecuencia f de la onda era de alrededor de 3 x 10⁷ Hz. Adem�s Hertz determin� que la longitud de la onda l era de 10 m. Con estos valores determin� que la velocidad v de la onda es (véase la ecuación en la página 50):

v = f l = (3 X 107 Hz) X (10 m) = 3 X 108 m/s = 300 000 km/s

igual que el valor predicho por Maxwell, o sea, la velocidad de la luz.

De esta manera se realiz� en forma brillante la primera demostraci�n experimental de la existencia de ondas electromagn�ticas, generadas para una frecuencia (y por tanto, longitud de onda) particular. Recordemos que como hay una relaci�n entre la frecuencia y la longitud de onda dada por la ecuaci�n antes mencionada, si se conoce una se puede obtener la otra.

No hab�a motivo por el cual no se pudiesen generar ondas con diferentes frecuencias, desde las m�s bajas hasta las m�s altas. Al conjunto de posibles valores de la frecuencia (o de la longitud de onda) se le llama el espectro electromagn�tico. Posteriormente, con diferentes tipos de t�cnicas electr�nicas ha sido posible generar, detectar y analizar casi todo el dominio de valores de las ondas electromagn�ticas. En la figura 30 se muestra, esquem�ticamente, un diagrama del espectro electromagn�tico, con los nombres que reciben los diferentes dominios. Se presentan tanto los valores de la frecuencia como de su longitud de onda.

Figura 30. El espectro de ondas electromagn�ticas.

Dentro del espectro electromagn�tico hay una regi�n, entre las longitudes de onda de 4 x 10^-5 cm hasta 7 x 10^-5 cm, que constituye la luz visible (Figura 31). La retina humana es sensible a ondas electromagn�ticas dentro de este dominio. Al llegar ondas de estas longitudes de onda a nuestros ojos nos dan la sensaci�n de luz. El ojo humano no ve las ondas electromagn�ticas que est�n fuera de este dominio.

Figura 31. El espectro de la luz visible. A cada color le corresponde una longitud de onda.

A cada longitud de onda le corresponde un color particular. Si por ejemplo, su valor es de 5.7 x 10^-5 cm, entonces nuestros ojos perciben esta onda de color amarillo. Hay muchas tonalidades de amarillo, cada una con su longitud de onda particular. De hecho, los amarillos quedan comprendidos entre longitudes de onda de 5.56 x 10^-5 cm. Algo an�logo ocurre con los dem�s colores.

N�tese que las longitudes de onda de la radiaci�n de la regi�n visible son extremadamente peque�as. As�, la de uno de los amarillos arriba mencionados es de 5.7 x 10^-5 cm = 0.000057 cm. En el caso del experimento de Hertz, la longitud de onda fue de 10 m, que est� fuera de la regi�n visible, por lo que �l no pudo verla con sus ojos. La pudo detectar con el receptor que ya describimos.

El experimento de Hertz fue muy bien recibido y dio lugar a que se aceptara r�pidamente el trabajo de Maxwell. La teor�a se aplic� a una gran variedad de fen�menos, todos con gran �xito. De esta forma, a principios del siglo XX la teor�a electromagn�tica de Maxwell ocup� una posici�n equivalente a la de la mec�nica de Newton, como una parte de las leyes fundamentales de la f�sica.

Adem�s, con base en la teor�a de Maxwell se iniciaron posteriormente aplicaciones pr�cticas espectaculares, como las comunicaciones inal�mbricas, campo que se desarroll� a partir de fines del siglo pasado y que ha logrado extraordinarios avances y aplicaciones en nuestro siglo, convirti�ndose en una de las caracter�sticas de la civilizaci�n contempor�nea. En los siguientes cap�tulos hablaremos de estos logros.