La primera confirmación experimental de la teoría de Maxwell

¿Había establecido Maxwell sin ningún género de dudas que la luz consistía en ondas electromagnéticas o, al menos, que las ondas electromagnéticas existían? No. De hecho, la mayoría de los físicos fueron bastante escépticos durante varios años. El hecho de que la razón entre dos cantidades calculadas en experimentos eléctricos resultase ser próxima a la velocidad de la luz sugería que podía existir una conexión entre la electricidad y la luz. Nadie argumentaba seriamente que esto fuese solo una casualidad. Pero eran necesarias pruebas mucho más contundentes antes de que el conjunto de la teoría de Maxwell, con su concepto de corrientes de desplazamiento, pudiese ser aceptada.

¿Qué tipo de pruebas eran necesarias? La teoría de Maxwell podía explicar todos los hechos conocidos de la electricidad, el magnetismo y la luz. Pero eso también lo podían hacer otras teorías, aunque con menos globales en su planteamiento de unir los distintos fenómenos. Desde la perspectiva de un físico actual, las teorías alternativas eran mucho más complicadas, artificiosas y, en dos palabras, menos elegantes que la de Maxwell. Pero en la época que nos ocupa la teoría de Maxwell era algo completamente extraño, ya que la inmensa mayoría no estaba acostumbrada a pensar en términos de campos y, mucho menos, en manejar su expresión matemática. Algo tan poco común solo podía reemplazar a otras teorías si era capaz de predecir alguna propiedad desconocida del electromagnetismo o la luz.

El mismo Maxwell hizo dos de estas predicciones aunque no vivió para verlas confirmadas en 1888, pues murió a los 48 años, en 1879. La más importante fue que podía existir ondas electromagnéticas de muchas frecuencias diferentes. Todas ellas se propagarían por el espacio a la velocidad de la luz. La luz visible se correspondería a las ondas de un rango limitado de frecuencias detectable por el ojo humano.

Hertz

Heinrich Hertz

Para comprobar las predicciones de Maxwell era necesario inventar algún tipo de aparato que pudiese producir y detectar ondas electromagnéticas, preferiblemente distintas de las de la luz visible. El primero en conseguir esto fue Heinrich Hertz, quien desarrolló el sistema tras una observación casual. En ocasiones se producen chispas entre el hueco que existe entre los terminales de una bobina de inducción. Ese hueco está lleno de aire y, si bien el aire no conduce normalmente la electricidad, si existe una diferencia de potencial importante entre los terminales y éstos no están muy alejados, se establece una conexión conforme las moléculas que forman el aire se ionizan. Pasa entonces una breve cantidad de electricidad que nosotros percibimos como una chispa visible. Cada chispa visible que se produce es en realidad una serie de chispas mucho más pequeñas, que saltan rápidamente adelante y atrás (oscilan) entre los terminales. Hertz encontró que podía controlar la frecuencia de oscilación de las chispas con solo cambiar el tamaño y la forma de las placas metálicas que formaban el hueco.

hertz

Hertz tomó entonces un simple trozo de alambre y le dio forma de círculo pero dejando un hueco entre los extremos. Cuando lo colocaba cerca de una bobina de inducción, observó que saltaba una chispa entre los extremos, igual que ocurría entre los extremos de una bobina de inducción. Esto era sorprendente. Para explicarlo, Hertz razonó que conforme la chispa saltaba entre los terminales de la bobina de inducción, debería establecer campos eléctricos y magnéticos que cambiaban rápidamente. Si la teoría de maxwell era cierta entonces estos cambios se propagarían a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas, que tendrían una frecuencia igual a la de la oscilación de la descarga. Cuando estas ondas electromagnéticas pasaban por el círculo abierto de alambre, que actuaba de detector, establecían rápidamente campos eléctricos y magnéticos cambiantes en él. Un campo eléctrico lo suficientemente grande en el detector produce una chispa en su hueco, exactamente igual que ocurría en el campo transmisor establecido entre los terminales de la bobina de inducción. Esta observación fue la primera indicación sólida de que las ondas electromagnéticas existen.

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Un receptor evolucionado, en el que hueco es variable y ajustable micrométricamente.

A partir de aquí, Hertz demostró que la radiación electromagnética proveniente de su bobina de inducción tenía todas las propiedades conocidas de las ondas de luz. Podía reflejarse en la superficie de sólidos, incluidos los conductores metálicos y su angulo de reflexión era igual a su ángulo de incidencia. Podía enfocarse usando espejos metálicos cóncavos. Se difractaba si pasaba por un pequeño agujero en una pantalla. Presentaba fenómenos de interferencia, incluidas ondas estacionarias. Los prismas hechos de materiales no conductores (vidrio, madera) refractaban las ondas electromagnéticas.

Hertz fue más allá y, estableciendo ondas estacionarias usando grandes reflectores metálicos, fue capaz de determinar la distancia entre nodos consecutivos y, por tanto, medir su longitud de onda. Calculando la frecuencia de la corriente eléctrica oscilante a partir del análisis de sus circuitos, pudo determinar la velocidad de las ondas, ya que ésta no es más que el producto de frecuencia por longitud de onda. De esta forma pudo determinar experimentalmente que la velocidad de las ondas electromagnéticas era igual a la velocidad de la luz. Lo que Maxwell había predicho.

Los experimentos de Hertz confirmaron de forma espectacular la teoría electromagnética de Maxwell, demostrando que las ondas electromagnéticas existen, que viajan a la velocidad de la luz y que tienen las propiedades ópticas de la luz. Los físicos aceptaron muy rápidamente la teoría de Maxwell y empezaron a aplicarla con gran éxito al análisis detallado de todo tipo de fenómenos.

Así, en la última década del siglo XIX, la teoría electromagnética de Maxwell se irguió, junto a la mecánica de Newton, como la parte más firmemente establecida de los fundamentos de la física.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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