Radiación electromagnética

A principios del siglo XIX, mucho antes del descubrimiento del electrón , los experimentos comenzaron a mostrar que había una muy estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo - dos efectos que se habían considerado previamente como muy independiente. En 1820 Hans Oersted demostró que una aguja de la brújula se desvía cuando se pone cerca de una corriente eléctrica. En el mismo año André Ampere demostró que hay una fuerza magnética entre dos alambres paralelos que transportan corrientes eléctricas , y así es como se define la unidad de corriente , el amperio , . En 1821 Michael Faraday mostró que un cable que transporta una corriente giraría alrededor de un imán - el primer motor eléctrico ; y en 1832 se encontró con que se mueve un imán de barra rápidamente a través de una bobina de alambre provocó una corriente fluya brevemente en la bobina – el primer generador ( véase el capítulo 9 ) . En 1864 James Clerk Maxwell publicó su teoría del electromagnetismo , reuniendo todos estos resultados como un conjunto de ecuaciones matemáticas. Sus consecuencias fueron revolucionarios .

Figura 14 Michael Faraday (1791-1867) nació en Londres. Su padre, un herrero, a menudo estaba enferma, y la familia vivió enla pobreza. A los trece años se convirtió en mandadero de un encuadernador, y más tarde en su aprendiz. La lectura de los libros que él obligado, quedó fascinado por la ciencia, y se guarda un chelín (5p) una semana para asistir a un curso nocturno. Cuando un cliente le dio entradas para cuatro conferencias a cargo de Sir Humphrey Davy, que estaba encantado. e hizo notas cuidadosamente después. Decidido a convertirse en un científico, escribió a la Presiden de la Real Sociedad, pero recibió por respuesta. Cada vez más desesperado, finalmente apeló a Davy, el envío de sus notas escritas-como apoyo. Davy estaba impresionado, y Faraday se convirtió en ayudante de laboratorio en la Royal Institution. Allí se quedó, finalmente, tener éxito Davy como Director. Además de sus actividades de investigación de amplio alcance, que era un conferenciante consumado, fundando los populares discursos de la tarde Viernes que todavía continúan.
Figura 15 James Clerk Maxwell (1831-1879), nacido de una familia escocesa prominente, fue educado inicialmente en casa, pero fue enviado a la escuela después de esta madre murió. No fue un éxito. Era tímido, y su ropa, diseñada por su padre, eran viejos. Los chicos lo llamaban 'dafty'. Luego, para sorpresa general, la partida que ganar premios para las matemáticas y la poesía, ya los catorce se publicó su primer trabajo matemático. En Edimburgo y Cambridge, continuó para ganar premios y escribir poesía. Después de un período en el Aberdeen,en 1860 se convirtió en profesor en el Kings College de Londres, donde se desarrollaron sus ideas más importantes. Renunció en 1865, en parte por la mala salud, y pasó algunos años en Escocia a escribir su gran libro sobre el electromagnetismo. En 1871 fue persuadido a aceptar la primera cátedra de física experimental en Cambridge, y dedicó el resto de su vida, hasta su muerte prematura por cáncer, a establecer el Laboratorio Cavendish.
Las leyes del electromagnetismo de Maxwell son posiblemente tan grande como un logro leyes del movimiento de Newton. ( LudwigBoltzmann , otro gran científico , fue motivada por citar a Goethe : ' Fue Dios quien escribió estas líneas ') Maxwell adoptó la idea de campos de fuerza , extendiendo trhoughout espacio. Un campo eléctrico rodea cualquier carga eléctrica, y otro harge experimenta una fuerza cuando se coloca en este campo. Un campo magnético rodea un imán o una corriente eléctrica , y otro imán o corriente experimenta una fuerza cuando se coloca en este campo . Leyes de Maxwell incorporan descubrimiento de Faraday que un voltaje (que implie un campo eléctrico ) puede ser producido por un campo magnético cambiante , y que introducen el efecto inverso, que un campo magnético es producido por un campo eléctrico cambiante . Su gran triunfo fue el notable predicción de que no puede haber ondas electromagnéticas que consisten en nada más que los campos eléctricos y magnéticos oscilantes , y que éstos pueden viajar a través delespacio totalmente vacío . Fundamentalmente, la teoría también predice la velocidad de las olas - y era igual a la velocidad de la luz .
La naturaleza de la luz había sido objeto de debate desde hace siglos, la más famosa entre Newton , quien pensó que era una corriente de partículas , y otros que apoyaron una teoría ondulatoria . En el siglo XIX, la evidencia a favor de las olas era incontrovertible , pero la naturaleza de estas ondas sigue siendo poco clara . La teoría de Maxwell ahora los identificó como las ondas electromagnéticas. La cuestión que se planteó la posibilidad de otros tipos de ondas electromagnéticas. La radiación tumbado justo fuera del espectro visible (ultravioleta e infrarrojo en longitudes de onda más cortas y largas , respectivamente ) fue probablemente la radiación electromagnética, y la disipación de calor ( ahora se sabe que se encuentran principalmente en wavelenths más largos todavía ) podría incluirse . Luego, en 1887 Heinrich Hertz demostró la primera ' señal' hombre -mae transportada por las ondas electromagnéticas - el precursor de las transmisiones de radio, televisión y microondas . Toda la gama de conocidos espectro Electromagentic de hoy, a partir de los rayos gamma de la radiactividad a las ondas de radio más largas , podría aparecer sólo gradualmente durante el próximo siglo.
Figura 16 El espectro electromagnético.

Las fuentes de todas las ondas electromagnéticas están oscilando cargas eléctricas . En el caso de la luz sonlos electrones de los átomos ; pero cualquier carga oscilante o corriente alterna genera necesariamente la radiación electromagnética. Como la teoría de Maxwell predijo , las ondas transportan energía . De hecho , se podría considerar que la radiación electromagnética, viaja a través del espacio , en ausencia de cualquier sustancia material , como ' energía pura ' .

No iba a haber todavía otra vuelta de tuerca . Max Planck en 1900 y Albert Einstein en 1905 mostraron que la energía transportada por la radiación electromagnética se cuantifica . Se transmite o se recibe no como un flujo continuo , pero en unidades o wuanta bien definidos discretas , llamadas fotones . La energía de cada fotón sólo depende de la velocidad a la que la onda oscila . Un fotón de luz roja llevó menos de energía que uno de luz azul, que tiene una longitud de onda más corta y oscila a una frecuencia más alta, y un fotón de luz ultravioleta es más enérgico aún - asuntos de cierta importancia para los sistemas fotovoltaicos. (Tal vez el gran Newton tenía razón después de todo, y la luz es realmente un flujo de partículas ? Lamentablemente no, y tenemos que vivir con el hecho de que la luz se comporta a veces como una onda y, a veces en forma de paquetes discretos de energía. Iit depende literalmente cómo se mire en ella. )
Un punto final, en lugar teórico puede valer nada. La radiación electromagnética y la 'energía eléctrica' se discutió anteriormente son ambos incluidos en la teoría deMaxwell, por lo que tal vez podría ser descrito como aspectos diferentes de una única de la energía. Sin embargo, sigue siendo conveniente para muchos fines prácticos tratarlos como formas separadas, como lo hacemos aquí.
Figura I7 Max Planck (1858-I947) nació en Kiel pero educado en Munich.Él era un músico talentoso - pianista, director de orquesta y compositor -, pero la física tenía prioridad. y se convirtió en profesor en Berlín. ganar el Premio Nobel de l918.Fue presidente de la principal sociedad científica alemana. pero renunció en 1937 en protesta por el tratamiento de los académicos ÿ judíos.(Él ya había cruzado espadas hi con el gobierno nazi en I93 Organizar un evento conmemorativo para el químico Fritz Haber.)Su hijo mayor murió en Verdún en 1916. y el segundo fue ejecutado tras el complot contra Hitler I94 En I945. escapando a pie de las batallas finales de la W. Planck. años 87. y su esposa fueron asaltados y golpeados.Fueron encontrados por los estadounidenses y llevado a un lugar seguro en Gdttingen.Cuando retomó la enseñanza.