Energía (VII, Radiación electromagnética)

A ver cómo definimos la radiación electromagnética.

Podríamos decir que es una forma de energía que se transmite en el vacío a la velocidad c, 3*10^5 km/seg. Energía y, quizá debiera decir información.
Sí, creo que digo bien: Energía. O sea: un valor numérico. Y digo bien, que va por el vacío. O sea, durante su transporte no va asociada a ningún soporte material. O al menos no va asociada a ningún soporte atómico. En realidad son varios valores numéricos los que se transmiten, amplitud y frecuencia, por ejemplo, que pueden variar en el tiempo, y servir de soporte para el transporte de información. Pero nos centraremos,de momento, en el tema energético.

Entonces lo que tenemos es un sistema emisor de la radiación que convierte algún otro tipo de energía, energía clásica llamemosle, en energía electromagnética. Se transporta en el vacío hasta contactar con un receptor que la reconvierte de nuevo en energía clásica.

Tipos de energía

La energía clásica, me refiero, va a ser una energía asociada a un sistema «material», o sea un sistema donde intervienen átomos y moléculas y, cómo no, todo hay que decirlo, un sistema de percepción, una conciencia de un «observador» que convierte los vaivenes energéticos en conciencia, o consciencia de una experiencia.

La energía clásica puede ser la cinética, la calorífica, la química…En tanto en cuanto va asociada a un sistema molecular. En un momento dado, por los motivos y condiciones que sean, el sistema molecular comienza a emitir radiación. Por ejemplo, un metal calentado al rojo, un circuito eléctrico oscilante o un proceso de fusión nuclear. La energía liberada se independiza así del soporte molecular y se trasmite en el vacío a velocidad c. Bueno, sí, se transmite en el vacio, pero también atraviesa el aire o elementos materiales, siempre según las frecuencias. Quiero decir que su transporte, a través del aire por ejemplo, es independiente de las moléculas del medio, por otra vía, por así decirlo.

El sol como fuente principal

Pensemos en el sol como emisor de energía electromagnética (https://es.m.wikipedia.org/wiki/Sol)

Tenemos un sistema material, o sea, formado por «materia», por «masa», por átomos. Átomos de hidrógeno y helio principalmente. En un 80 y 20% respectivamente. A grosso modo, podemos decir que la transformación de la energía clásica en energía electromagnética se realiza a través de un proceso de fusión de átomos de hidrógeno que se transforman en átomos de helio. Recordemos que hidrógeno y helio son los dos primeros elementos de la tabla periódica, con uno y dos electrones, y uno y dos protones, respectivamente. Entonces, en el proceso de fusión, dos átomos de hidrógeno se transmutan en un átomo de helio, liberando Energía electromagnética en el proceso. La masa se convierte en energía, según la fórmula E=m*c² energía que es irradiada en formato electromagnético. (Fotones: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Fotón)

La energía viaja por el espacio «vacío» hasta que es captada por algún sistema material receptor. Por ejemplo llega a la tierra, impacta en la superficie y eleva la temperatura. O quizá impacta en una placa solar generando una corriente eléctrica, o en una hoja de un árbol almacenando energía en forma de nutrientes o combustible orgánico (fotosíntesis)
https://es.m.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoeléctrico

https://es.m.wikipedia.org/wiki/Fotosíntesis

Variados son los circuitos de circulación de la energía solar una vez llegada a la tierra, puede ser un buen ejercicio de visualización creativa seguirles la pista. Pongamos por ejemplo, la evaporación del agua marina, convertida en lluvia, agua ríos… La fotosíntesis generando alimentos que nutren al los animales… O madera , combustible para el fuego… La placa solar convierte la electromagnética en eléctrica. También la madera, carbón, combustible fósil en general pueden reconvertirse en eléctrica a través de su combustión. Y la eléctrica, de nuevo puede convertirse en electromagnética.

Algunas cualidades de la energía electromagnética

Pero, en fin, ¿que cualidades definen a la electromagnética?

Digamos, en principio, que la electromagnética es independiente de la materia. Como decíamos antes: el emisor y receptor son sistemas materiales. Pero la electromagnética, en sí, se independiza de los átomos y moléculas de los sistemas materiales, viajando por el espacio.

Sea lo que sea que sea la energía electromagnética, se transmite sin intervención de, como decía, átomos y moléculas. Ni siquiera protones o electrones… Únicamente intervienen unas «cosas», los fotones, que quizá se encuentren en esa zona intermedia entre la materia y la energía. Ya tocará filosofar sobre ello, de momento quedarnos con que, al menos en lo que se refiere a los átomos, sus protones y electrones, la electromagnética viaja desligada de ellos. Los fotones serían entes puramente energéticos, de masa nula, llevando asociados: una frecuencia, una energía (en función de la frecuencia) y una velocidad (la de la luz o del campo electromagnético). Por tanto, parece que también debieran tener asignado una posición. Y no sé hasta qué punto, también un volumen… Pero, como localizamos en el espacio algo sin masa? ¿una esfera de influencia?

Onda y partícula

Las primeras hipótesis modernas sobre la naturaleza de la luz apuntaban hacia su naturaleza corpuscular, o sea, material. Más tarde se planteó la hipótesis sobre su carácter ondulatorio que explicaba estupendamente algunos fenómenos como el de la refracción y, finalmente, un enfoque intermedio, parecía ser, el chorro de fotones, para explicar otras incidencias.

Hablamos de la luz, como el ejemplo más visible de radiación electromagnética, pero se extiende a otros tipos. Como ya señalábamos en capítulos previos, ondas de radio, rayos X, rayos gamma etc.

La luz es «algo», y puesto que es «algo», inicialmente, se le supuso formada por partículas materiales que transportaban la energía relacionada. La energía se entendía que debía ir asociada a un soporte material y, en este sentido, la hipótesis de partículas materiales emanantes de la fuente se presentaba como buena candidata.

Hipótesis aparte, lo que nos interesa son los números prácticos. Hasta ahora contemplamos dos números: la energía y la velocidad. Energía que sale de un emisor y llega a un receptor con una velocidad determinada. Velocidad que es vectorial, con su dirección y sentido.

Energía que se transmite a través del vacío, pero también a través del aire, de gases, del agua y otros líquidos, y también algunos sólidos como el cristal. Seguimos pensando en la luz, aunque otro tipo de radiación puede comportarse de otro modo, como las ondas de radio o rayos X.

Posteriores estudios mostraron que la luz mostraba en ocasiones un comportamiento similar a ciertos tipos de ondas. El fenómeno de la refracción, por ejemplo.

El modelo ondulatorio lleva asociado otro par de números: la frecuencia y la longitud de onda y la amplitud.

El movimiento ondulatorio, tal y como se conocía hasta el momento, iba asociado a soportes físicos, ondas en el agua, ondas sonoras, etc. Se trata de una «perturbación» del medio material que se propaga en el espacio y el tiempo a una cierta velocidad. La perturbación, por otra parte, se corresponde con un movimiento armónico de formato sinusoidal. Pensemos por ejemplo en las ondas formadas en un estanque cuando tiramos una piedra. La perturbación sería un movimiento sinusoidal, de arriba hacia abajo. Pero, al mismo tiempo, la perturbación se va transmitiendo a lo largo, con otra velocidad de propagación.

De modo que, antes de nada, tenemos que considerar que una onda es un modelo matemático para explicar lo que hemos comentado: una perturbación armónica de cierta amplitud y frecuencia que se transmite a cierta velocidad.

Entonces, cuando hablamos de ondas electromagnéticas, nos referimos a eso, perturbaciones armónicas, con su amplitud y frecuencia, que se transmiten a una cierta velocidad, en este caso, velocidad de la luz. Cualquier otro parecido con los fenómenos ondulatorios materiales, como se dice, es pura coincidencia 😉.

La onda electromagnética se refiere en realidad a dos movimientos ondulatorios sincronizados. Uno se refiere a la propagación de un campo magnético y el otro a la propagación de un campo eléctrico, ambos propagándose en planos perpendiculares. Si el campo magnético va, por ejemplo sobre el plano X,Z el campo eléctrico iría sobre el X,Y. Tendríamos dos curvas sinusoidales, en fase y de la misma frecuencia. Para una coordenada x dada obtendríamos el valor de los respectivos campos, eléctrico y magnético en cada instante t.

La propagación de la onda se realiza por inducción mutua, o sea, que el campo magnético variable provoca el campo eléctrico, y a su vez el eléctrico crea el magnético. Ambos campos, eléctrico y magnético van en planos perpendiculares, como veíamos en capítulos anteriores. La propagación de la onda va perpendicular a ambos.

Una manera de generar ondas electromagnéticas es, por tanto, a través de un circuito eléctrico. Una corriente variable, de tipo sinusoidal por ejemplo, de cierta frecuencia, genera un campo eléctrico variable que genera otro magnético, y así ya tenemos iniciada la onda que se propaga a la velocidad de la luz.

Luego volvemos con más detalle a las ecuaciones de estas ondas.

Fotones y efecto fotoeléctrico

Pero antes señalar una comprobación experimental que mostraba la insuficiencia del modelo ondulatorio. Se trata del efecto fotoeléctrico.

En determinadas circunstancias, cuando proyectamos luz de un determinado color, violeta por ejemplo, sobre un metal, tiene como resultado la emisión de electrones, con una energía cinética medible. Podría pensarse que aumentando la intensidad de la luz aumentaría la Ec de cada electrón. Pero no, la energía se mantiene, lo que cambia es el número de electrones emitidos. Repitiendo la prueba con luz roja, cuya longitud de onda es la mitad… Los electrones salen con la mitad de Ec…

Para explicarlo se planteó el concepto del «foton». Una unidad elemental de energía, o cuanto de energía, moviéndose a velocidad de la luz.
Entonces a mayor (o menor) intensidad de luz, mayor número de fotones, mayor interacción con electrones y, por tanto, mayor número de electrones que saltan con energía Ec1.