Les ones electromagnètiques

A mitjans del segle XIX, Maxwell va concloure que la llum podia ser una ona d’un tipus desconegut fins aleshores: una ona electromagnètica. Pocs anys després Hertz va trobar experimentalment aquest nou tipus d’ones. Calia però trobar el medi en el qual es transmetia la llum per l’espai, l’anomenat èter còsmic. Un famós experiment, fet per els físics americans Michelson i Morley a final del segle XIX, va intentar trobar aquest èter.

James Clerk Maxwell (Edinburg, Scotland, 1831 – Cambridge, England, 1879), físic escocès, es considerat per alguns quasi a l’alçada de Newton o Einstein, per la seva contribució als fonaments de l’electromagnetisme, una de les quatre interaccions bàsiques a la natura.

James Clerk Maxwell. Imatge Wikimedia Commons.

James Clerk Maxwell. Imatge Wikimedia Commons.

La primera contribució seva a la teoria de la llum va ser la creació de la primera fotografia en color, l’any 1861. Thomas Young havia descobert que la visió es deguda als receptors de l’ull sensibles a cadascun dels tres colors primaris, vermell, verd i blau, segons s’ha dit en la sessió anterior. Aprofitant aquesta idea, Maxwell va fer tres fotografies d’una cinta de tartà, el teixit tradicional escocès, en blanc i negre, però posant cada vegada un filtre de cadascun dels colors primaris. En una trobada de la Royal Institution de Londres, amb la presència de Michael Faraday (England, 1791 – 1867), Maxwell va projectar les tres imatges, una a sobre de l’altre, creant una imatge en color a la pantalla.

Primera fotografia en color. Maxwell 1861. Imatge Wikimedia Commons.

Primera fotografia en color. Maxwell 1861. Imatge Wikimedia Commons.

Faraday estava estudiant la relació entre l’electricitat i magnetisme. Coneixia l’experiència de Christian Oersted (Dinamarca, 1777 – 1851), que el 1820 havia mostrat que un corrent elèctric que passava per un fil conductor afectava a una brúixola situada en la seva proximitat, el que va ser la primera evidència de la relació entre electricitat i magnetisme. El 1831 Faraday va fer públic el descobriment de la inducció electromagnètica, segons el qual es produeix un corrent elèctric en un conductor exposat a un camp magnètic variable. Va ser Faraday qui primer va donar la idea de «camp de força» o simplement «camp», que ara és tan comú a la física i fins i tot en general. Va tenir la intuïció que en les proximitats d’un imant o d’un conductor per el que passa un corrent elèctric es generava quelcom que va anomenar camp magnètic o camp elèctric. Quan aquests dos camps es combinaven es produïa una vibració que es propagava per l’espai, una ona electromagnètica.

La genial intuïció de Faraday no anava però acompanyada amb el bagatge matemàtic adequat per donar a la seva teoria un tractament formal. Calia un altre geni, Maxwell, per fer-ho, i ho va fer reduint tota la informació de que es disposava sobre l’electricitat i el magnetisme a quatre equacions, que va publicar inicialment entre 1861 i 1862 i completament desenvolupades el 1873 (3). Les equacions de Maxwell descriuen completament els fenòmens electromagnètics, serveixen per explicar els resultats experimentals de que es disposava fins aleshores i introdueixen la hipòtesi de l’existència de les ones electromagnètiques que es traslladen per l’espai. Fins i tot, Maxwell va publicar el 1864 que la velocitat calculada de les ones electromagnètiques era molt similar, pràcticament la mateixa, que la de la llum, per el que concloïa que la llum, així com el calor radiant i altres radiacions, havien de ser ones electromagnètiques.

L’existència de les ones electromagnètiques implicava també, segons els coneixements de l’època, l’existència de l’anomenat «èter luminífer» o «èter còsmic» a través del qual es poguessin transmetre, igual que les ones mecàniques (com el so, per exemple) es transmeten a través de l’aire, l’aigua o els sòlids. D’aquest èter però, no es tenia cap prova experimental.
(1) (2) (3)

Heinrich Hertz (Hamburg, Alemanya 1857 – Bonn, Alemanya 1894) va obtenir el doctorat el 1880 a la universitat de Berlin, sota la direcció de Hermann von Helmholtz (Postdam, Alemanya 1821 – Charlottenburg, Alemanya 1894). Helmholtz havia suggerit Hertz que comprovés la teoria de Maxwell de les ones electromagnètiques com a treball de doctorat. El mateix Helmholtz havia promogut el 1879 el «Premi Berlin» de l’Acadèmia Pusiana de Ciències per qui provés experimentalment un dels efectes predits per la teoria de Maxwell i estava segur que Hertz podia aconseguir-lo. Però Hertz no va saber en aquell moment com construir un aparell per fer-ho i es va dedicar a treballar en fenòmens d’inducció.

Però després de ser nomenat professor al Politècnic de Karlsruhe, el 1886, treballant amb bobines i condensadors, va comprovar que descarregant un condensador a través d’una bobina es produïa una guspira en una altra bobina situada a prop. Allò li va donar la idea de com provar la teoria de Maxwell, a pesar que el Premi Berlin de 1879 ja havia expirat sense guanyador el 1882. Utilitzant un rodet o bobina de Ruhmkorff, que és una mena de transformador que produeix alt voltatge, va carregar elèctricament dos dispositius, cadascun dels qual tenia un metre de fil de coure amb una esfera de zinc de 30 cm de diàmetre en un extrem i un altra esfera petita en l’altre extrem. Posant a prop les dues esferes petites, va observar que saltaven espurnes entre elles. Hertz va suposar que el camp elèctric oscil·lant, degut a la càrrega i descàrrega dels dos dispositius, produïa ones electromagnètiques a més d’espurnes.

"Hertz schematic0" by Hertzian at the English language Wikipedia. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons

“Hertz schematic0” by Hertzian at the English language Wikipedia. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons

Només li calia disposar d’un receptor. Va provar una espira metàl·lica circular acabada en dues petites esferes properes o un muntatge similar al emissor. Hertz pensava que l’ona generaria un camp elèctric oscil·lant que crearia una diferència de potencial entre les esferes i faria saltar també una guspira, i així va ser. Posant una pantalla de zinc a 12 m de l’emissor, va aconseguir generar ones estacionàries i va determinar la seva longitud d’ona. Determinant la freqüència d’oscil·lació va poder calcular la velocitat a la que es transmetien les ones, que va resultar la de la llum, tal com havia predit Maxwell. L’any 1887, Hertz va enviar el seu descobriment a Helmholtz, a l’Acadèmia de Ciències de Berlin.
(4) (5) (6)

Experiment de Michelson i Morley
Aquest experiment ja ha estat explicat en aquest mateix blog (7).

A finals del segle XIX, la teoria de la llum com una ona electromagnètica havia quedat plenament consolidada. Donat que Michelson i Morley no van trobar cap indici de l’èter còsmic, quedava però aquest aspecte per descobrir: Quin era el medi a través del qual la llum viatjava per l’espai? O, si era l’èter còsmic, per què no s’havia pogut detectar?

Aquestes preguntes van quedar respostes pocs anys després, al començament del segle XX amb dues noves teories, la de la relativitat i la quàntica, que van donar encara un altre tomb a la teoria de la llum.

 Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
Sopa d’estrelles” del 18 de novembre de 2015.

Fonts d’informació utilitzades
(1) J J O’Connor and E F Robertson, «Light through the ages: Ancient Greece to Maxwell», University of St. Andrews. Agost 2002.
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/Light_1.html
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/Light_2.html
(2) Anne McNaught, «J.C. Maxwell: el Einstein olvidado de Escocia». BBC Discovery. http://www.bbc.com/mundo/noticias/2015/05/150427_james_clerk_maxwell_einstein_escocia_finde_dv
(3) James Clerk Maxwell, A treatise on electricity and magnetism. Clarendon Press. Oxford. 1873.
https://archive.org/stream/electricandmagne01maxwrich#page/n19/mode/2up
(4) Heinrich Hertz. «Electric Waves», Macmillan and Co. London, 1893.
https://archive.org/details/electricwavesbe00jonegoog
(5) https://en.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Hertz
https://www.youtube.com/watch?v=QZXYFr5YHew
(6) Carrete de Ruhmkorff. Universidad Politécnica de Cartagena. https://www.upct.es/seeu/_as/divulgacion_cyt_09/Libro_Historia_Ciencia/web/carrete_de_ruhmkorff.htm
(7) Experiment de Michelson i Morley, en aquest mateix blog.
http://www.deciencia.net/descobriment/?p=56

Aquesta entrada ha esta publicada en física, llum. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Els comentaris estan tancats.