Ondas electromagneticas
Hertz en
1888,genero ondas electromagneticas,con un sistema que del cual poca
informacion se puede conseguir en la red y en los libros,en esta pagina el
lector podra encontrar algunas respuestas sobre el tema,como por ejemplo el
porque de la chispa.
En 1865, Maxwell publico
un documento denominado A Dynamical
Theory of Electromagnetic Field, con la cual unifico las
distintas leyes electricas entonces conocidas. Todas pudieron obtenerse
a partir de cinco relaciones matematicas fundamentales.
Con objeto de hacer estas cinco relaciones
consecuentes desde el punto de vista matematico, y tambien con la ley de
conservacion de la carga, introdujo Maxwell una corriente de desplazamiento.
Por entonces no existian experimentos para justificar este concepto. Sin
embarrgo, con la introduccion de la corriente de desplazamiento, las ecuaciones
de Maxwell predecian la existencia de ondas electromagneticas que debian
propagarse en el vacio con una velocidad igual a de la luz. Fue verdaderamente
asombroso que esta velocidad de propagacion predicha, basada enteramente en
medidas efectuadas en laboratorio, de magnitudes electricas y magneticas,
pudiera coincidir con tanta aproximacion con la velocidad de la luz
determinada experimentalmente. Conforme ha mejorado la precision de ambos
metodos de medida, sus resultados han coincidido cada vez mas, de modo que en
la actualidad ambas velocidades se consideran identicas,el mejor valor de esta
velocidad es c=299792+2 Km/seg.
Maxwell admitio
que debian existir ondas electromagneticas mas largas que las de la luz
visible, pero dudaba que pudieran descubrise, en 1883 George Francis Fitzgerald,sugirio que las ondas
electromagneticas de Maxwell podrian ser producidas variando periodicamente una
corriente electrica,por ejemplo aumentando la corriente en un circuito llegando
a un maximo,luego disminuyendo la misma a cero y a continuacion cambiar el
sentido de circulacion de la corriente llegar a un minimo(como se cambio el
sentido de circulacion,cambia el signo de la corriente,se dice en forma
arbitraria a negativo,llegando a un minimo) y luego aumentarla hasta llegar a
cero y continuando asi sucesivamente en forma periodica,se puede aclarar que esta
variacion de la corriente en el tiempo puede ser senoidal o de cualquier otra
funcion periodica.
Entre 1885 y
1889, Hertz monto circuitos electricos oscilantes para producir y
detectar estas ondas,midio su velocidad y longitud de onda y demostro que
podian ser refractadas,reflejadas,difractadas y polarizadas casi igual que la
luz ,los experimentos de Hertz comprobaron el trabajo teorico de Maxwell.
figura 1
En el
siguiente dibujo se muestra en forma conceptual como se genera la radiacion
electromagnetica:
Al
cerrar el interruptor(switch),circula una corriente continua por la bobina
(coil),al abrir el circuito se interrumpe esta corriente y se genera en los
extremos de la bobina una tension en general grande,que hace circular una
corriente a traves de la capacidad "Leyden Jar" y del espacio
"spark gap",en forma de chispa,al ocurrir la chispa se produce una
oscilacion de alta frecuencia en el circuito de las dos esferas del "spark
gap",En uno de sus experimentos, Hertz utilizo,un par de alambres de un
metro con un espacio para la chispa en el centro conectado al
transformador(induction coil),como se muestra a continuacion:
figura 3
Las
grandes esferas en los extremos son usadas para ajustar la capacidad electrica
del circuito de resonancia de las dos esferas del "spark gap",es de
hacer notar que el circuito de la bobina del transformador,presenta lo que se
denomina ALTA IMPEDANCIA ,a la corriente de alta frecuencia
generada en las dos esferas del "spark gap".
Al
producirse,una descarga electrica en un gas,como es el caso de las dos esferas
del "spark gap",entre las dos esferas podria presentarse un fenomeno
conocido como elemento de resistencia negativa .La resistencia
negativa que presenta la descarga, le permite neutralizar la resistencia
positiva de un circuito oscilante formado por un inductor y un capacitor,que en
la figura 1 esta distribuido entre las varas metalicas,las esferas y las placas
metalicas.
Este
es un sistema que puede oscilar a una frecuencia muy elevada determinada por la
inductancia y la capacidad y debido a la anulacion de la componente resistiva
del circuito resonante,la corriente oscilatoria sufre poca atenuacion,Hertz
midio en 66 centimetros la longitud de onda generada que corresponde a 454
millones de ciclos por segundo.
Posiblemente
este seria uno de los primeros elementos de circuito que funciona como
oscilador electrico en la historia,sistemas con elementos que presentan
resistencia negativa se han utilizado muchas veces como osciladores,en el
desarrollo de las telecomunicaciones.Por lo dicho Hertz tiene el merito de
haber construido,por primera vez un sistema oscilador utilizado para la
generacion de ondas electromagneticas .
COMO PUDO HERTZ,CONOCER ESTOS FENOMENOS.
Desde
el momento que Maxwell con su teoria electromagenetica llego a establecer que
las velocidad de las ondas electromagneticas coincidia con la velocidad de la
luz ,los cientificos conzaron a pensar como generar esta radiacion,Faraday
sostenia que se podria producir radiacion moviendo imanes o cargas electricas,entoces
los pulsos podrian viajar a lo largo de las lineas de fuerza,pero para producir
una onda continua la fuente necesita oscilar ,como ya
relatamos,Fitzgerald,sugirio que las ondas electromagneticas de Maxwell podrian
ser producidas variando periodicamente una corriente electrica y esta es la
primera dificultad .Con un dispositivo mecanico,por ejemplo un diapason,la
longitud de onda seria muy larga para ser medida,con una frcuencia de 10000
ciclos por segundo la longitud de onda seria de 30 kilometros.
Anterior
a la epoca de Hertz,se sabia que podian existir corrientes oscilante en
determinados circuitos,el efecto fue estudiado por Henry en 1842 ,que repitio
un experimento de Savary realizado en 1826 ,con el cual queria demostrar que la
corriente electrica eran cargas en movimiento ;se cargaba una bateria de
botellas de Leyden en paralelo(capacitores en paralelo)y se las descargaban en
una bobina de alambre,dentro de la bobina se colocaba una aguja de hierro
,luego de produciese la descarga se analizaba la polaridad magnetica obtenida
en las mismas,comprobandose que cambiaba con cada experiencia.
En
una experiencia una aguja quedaba con la siguiente polaridad
figura 4
y con otra
experiencia podia quedar cambiada
figura 5
tanto
en la figura 4 como la 5 la flecha que sale del capacitor(botella de
Leyden),indica en forma generica que es una corriente electrica sin establecer
su forma de variacion en el tiempo(hoy se sabe que es una forma sinusoidal que
se atenua con el tiempo).
Esto
llevo a los cientificos de esa epoca a una hipotesis de
una corriente oscilantey se supuso una analogia hidraulica,que
se explicaria de la siguiente manera:cuando se reunen dos vasos que contienen
agua a niveles diferentes y si el tubo de comunicacion es de gran diametro y
corto(pequena resistencia ),la igualacion de los niveles se efectua despues de
una serie de oscilaciones .Si el tubo es de pequeno diametro y largo (gran
resistencia),es decir si opone mucha resistencia al movimiento del agua,la
igualacion de los nives se efectua sin oscilaciones.En la siguiente ilustracion
se alude a lo dicho :
figura 6
A
Joseph Henry porque estudio dicho fenomeno y al circuito resonante de la
izquierda,relacionado con la descarga de las botellas de Leyden en una
bobina.Si la descarga del capacitor es oscilante,el primer semiciclo de la
oscilacion polariza a la aguja en un sentido,en el siguiente semiclo en el
contrario y asi sucesivamente,cambiara la polaridad de la aguja con los
siguiente ciclos,hasta que se establece una polaridad final que podria ser
cualquiera dependiedo del material usado.
El
efecto real se explica de la siguiente forma : como en la figura 2,cuando el
interruptor esta cerrado la bateria hace circula una corriente continua, por la
bobina y esta crea un campo magnetico alrededor de la misma(en verde en la
siguiente figura)
figura 7
Al
abrirse el intrruptor,ya no hay una corriente continua proveniente de la
bateria,el campo magnetico diminuye ahora,induciendo en la bobina una tension
del mismo sentido que la corriente original,(en el siguiente dibujo se
dibujaron dos lineas verdes,para indicar que parte del campo magnetico se
transformo en campo electrico dentro del capacitor
figura 8
llega
un instante que el campo magnetico se anula,el capacitor queda cargado y
proceso se repite ahora por si mismo en sentido opuesto y en ausencia de
perdidas de energia (que en el sistema de Hertz es la resistencia que se neutraliza
por efecto de la resistencia negatica de la descarga),una corriente oscilara en
forma indefinida.En la figura 6 la ecuacion que esta abajo a la izquierda nos
da la frecuencia al cual oscilara esta corriente,el lector puede consultar el
libro de FUNDAMENTOS DE FISICA-ELECTRIDAD Y MAGNETISMO de Francis W.
Sears(editorial Aguilar)para mas detalles.
Un
investigador llamado Feddersen evidencio este fenomeno,en una descarga a traves
de un gas ,por el metodo del espejo giratorio(a modo de osciloscopio),proyecto
una imagen real de la chispa en una placa fotografica por medio de un espejo
concavo que giraba rapidamente alrededor de un eje paralelo a la chispa.La
imagen ,en vez de ser una banda continua,como sucederia si la misma fuera un
trazo luminoso continuo,es discontinuo y formado de trazos alternativamente
gruesos,esto probaba que la corriente no era continua sino que cambiaba.
Hertz
trabajaba con aparatos que generaban altas tensiones y conocia como se
generaban chispas entre objetos metalicos cercanos a la fuente de alta
tension,este investigo el fenomeno y lo asocio a efectos
electromagneticos,tambien conocia los resultados de Henry pero suponia que las
oscilaciones generadas de esta forma seria dificiles de detectar,para demostrar
los efectos electromagneticos.Durante la preparacion de sus conferencias sobre
el tema descubrio un hecho,que investigo en forma mas profunda,las chispas
entre los objetos metalicos eran mas fuertes si la botella de Leyden era mas
chica,porque no utilizar capacitores mas pequenos y ver si el efecto era mas
notable?.
Por
lo tanto armo un oscilador como se muestra a continuacion:
figura 9
este
dispositivo trabajo muy bien;el pensba que los disturbios eran muy
irregulares,ruido electrico,se podia extraer chispas de los terminales
metalicos no en el medio,por lo que redujo las dimensiones de su aparato para
obtener longitudes de ondas de 40 a 50 cm,como se indica en la siguiente figura
que pertenece a Hertz
figura 10
,la
deteccion de la radiacion emitida se realizo como se indica en la figura1,con
un alambre doblado como un anillo,con dos esferas en los treminales en donde se
producia una chispa cuando se detectaba la radiacion,la estructura a modo de
espejo es un esqueleto de madera con una cubierta de metal ,tambien se aprecia
en el dibujo las esferas y las varas.Con este dispositivo ,en 1888,pudo
demostrar las ondas electromagneticas,con todos los fenomenos asociados como la
propagacion rectilinea,polarizacion,reflexion y refraccion
En el
siguiente dibujo el lector puede apreciar el circuito completo utilizado en la
experiencia,la bobina para producir alta tension es la llamada de Ruhmkorff,que
es como un oscilador de baja frecuencia(esta frecuencia no tiene nada que ver
con la frecuencia generada en el circuito del "spark gap",las varas y
las placas)para producir una corriente variable,en el primario del
transformador y obtener una alta tension en el secundario.
figura 11
CONCLUCION
Hertz
genero ondas electormagneticas con un circuito resonante indicado en la figura
1,en el cual se neutralizo las perdidas de energia por medio del efecto de
resistencia negatica de la chispa y la inductancia y capacidad distribuida del
mismo determina la frecuencia de la radiacion generada,la bobina de Ruhmkorff y
su circuito asociado no influye en la misma y solo se utiliza para generar la
alta tension para producir la chispa.El circuito de deteccion de las ondas es
un alambre en forma de anillo que posee una inductancia y una capacidad
distribuida cuya frecuencia de resonancia es igual a la generada y la chispa
generada entre las dos esferas es un medio de constatar la presencia de las
ondas electromagneticas que inducen una alta tension en dicho circuito.
Eduardo
Ghershman ,18.05.2001
enlace
a CIENCIA