Historia del espectro electromagnético




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Telecomunicaciones

Nota técnica NT10


Historia del espectro electromagnético

Tomado del libro Hazañas científicas de nuestro tiempo, publicado por Conacyt, México 1979, Ronald W. Clark


Introducción
A lo largo de tres cuartas partes del siglo veinte, el espectro electromagnético tuvo un papel determinante no sólo en la creación de nuevas y vastas industrias sino que también modificó la comunicación entre los seres humanos.
La mayoría de los grandes descubrimientos científicos, al igual que la mayoría de los inventos, pueden tener sus modelos en generaciones anteriores. Y aunque a medida que uno se remonta al pasado, los vestigios de dichos modelos se van atenuando, es más fácil asegurar que han desaparecido y no que no existieron nunca. Así sucede con el descubrimiento y la investigación de las radiaciones electromagnéticas, ese vasto espectro de ondas de las cuales únicamente una parte reducida la que se refiere a la luz visible se conocía desde hace más de un siglo.
El conocimiento del magnetismo, aunque no la comprensión del mismo, tiene sus orígenes en la Antigüedad. Desde Tales, que, según la tradición, fue el primero en advertir que ciertas rocas atraían el hierro, pasando por Petrus Peregrinus, que inventó la aguja de la brújula, se llega a William Gilbert, que en la época de Isabel Primera introdujo el estudio del magnetismo a la era del experimento numérico; asimismo, se conoce a Gilbert por su trabajo con los llamados "gilberts" de la fuerza magnetomotriz.
Gilbert no sólo desechó supersticiones como la que sostiene que el ajo anula el magnetismo, sino que descubrió el "ángulo de inclinación" del imán. También expuso la idea de que la aguja no apuntaba al cielo sino a los polos magnéticos de la tierra, que consideraba un solo imán esférico gigante. Gilbert descubrió algo casi tan significativo como que al frotar diversas gemas, éstas, como el ámbar, atraían objetos ligeros, y de ahí que las bautizara "electrizantes", en honor de la palabra ámbar en griego.
Mucho tiempo después de Gilbert, el conocimiento de los fenómenos eléctricos progresaba paralemente a la investigación sobre el magnetismo, sin relacionarse con ella. Esta relación ocurrió hasta 1819, cuando el físico danés Hans Oersted, al impartir una clase en la Universidad de Copenhague, acercó la aguja de la brújula a un alambre a través del cual pasaba corriente eléctrica. La aguja se crispó y luego giró; haciendo un ángulo recto con la corriente.
Cuando Oersted invirtió la corriente, la aguja osciló, todavía en un ángulo recto con respecto a ésta pero apuntando hacia la dirección opuesta.
André Marie Ampere, Georg Ohm y Charles Augustin de Coulomb son tres de los científicos que en el primer tercio del siglo diecinueve empezaron a reconocer los vínculos existentes entre la electricidad y el magnetismo. Más tarde, en 1831, Michael Faraday demostró que el movimiento de un imán en relación a una bobina de cable separada del imán, produce una corriente eléctrica en el cable, lo que fundamentaba su idea de que los fenómenos de la electricidad y del magnetismo podían estudiarse mejor si se los consideraba en términos de campos o regiones de espacio sobre los cuales se ejercían sus fuerzas. Al reconocer cada vez mejor los vínculos entre electricidad y magnetismo, se preparó el camino para Maxwell.
La teoría de Maxwell: Dinámica del campo electromagnético
James Clerk Maxwell fue el físico y matemático de Edimburgo que, en menos de dos décadas, hizo lo siguiente: usó los experimentos de Faraday para proporcionar ecuaciones que vincularan las dos clases de fenómenos; además, sostuvo que la luz en sí misma consistía de ondas electromagnéticas, y predijo también el futuro descubrimiento de ondas invisibles del mismo tipo. Se trata de las ondas radioeléctricas de Heinrich Hertz, descubiertas por primera vez en su laboratorio 25 años después de que Maxwell muriera de cáncer a la edad de cuarenta y ocho años.
La teoría revolucionaria de Maxwell finalmente se describió en Una Teoría Dinámica del Campo Electromagnético. Esta obra declara que ni la electricidad ni el magnetismo existieron nunca aislados, y ofrece una sencilla serie de ecuaciones que vinculan sus diversos fenómenos. La esencia de la teoría era que la oscilación de una carga eléctrica produce un campo electromagnético que se extiende a partir de su fuente y hacia afuera a una velocidad constante. Las ecuaciones de Maxwell indicaban que esta velocidad era de más o menos 186,300 millas por segundo. Se sabía que ésta era aproximadamente la velocidad de la luz, hecho que, para Maxwell, no podía tratarse de una coincidencia. Por lo tanto, llegó a la conclusión de que la luz misma debía ser una forma de radiación electromagnética, idea que a primera vista ponía fin a una disputa científica de años.
Desde tiempos de Newton, las teorías acerca de la naturaleza de la luz se dividían en dos grupos: por una parte, las que venían de la creencia griega de que la luz estaba compuesta de partículas diminutas en movimiento rápido, teoría que, con ciertas reservas, sostenía el propio Newton; y, por la otra, la novedosa idea expuesta por Christiaan Huygens según la cual la luz consistía de ondas que se propagaban a través de un éter que llenaba el espacio, de manera semejante a como se trasmiten las ondas en una substancia gelatinosa agitada. El francés Augustin Fresnel había efectuado un sinnúmero de experiementos para apoyar la teoría ondulatoria de la luz. En eso Maxwell, intrépidamente, sostuvo que toda la luz, ya fuera la de una vela, la del fuego, la del sol o la de alguna de las nuevas lámparas eléctricas, era radiación electromagnética.
Maxwell predijo la existencia de otras ondas electromagnéticas que también viajaban a través del espacio con la velocidad de la luz. La aceptación de lo que aún era teoría dependió en gran medida de su descubrimiento. Este tuvo lugar en Karlsruhe, en 1887, gracias a Heinrich Hertz. Hertz utilizó un circuito eléctrico que primero desarrollaba una carga en una de dos bolas de metal y después en la otra. La carga saltaba la brecha entre ambas bolas cada vez que se intensificaba lo suficiente. Según Maxwell, cada oscilación debía poner en marcha una onda electromagnética. Para detectarla, Hertz colocó un circuito cerrado, con una abertura. El instrumento funcionó. Las chispas en la primera sección del instrumento correspondían a unas chispas más pequeñas en la segunda sección, y las ondas puestas en marcha por el aparato osculante creaban una corriente complementaria, aunque más pequeña al receptor.
De esta forma se crearon las primeras ondas radioeléctricas o hertzianas hechas por el hombre. En seguida se efectuaron un sinnúmero de experimentos que demostraron que dichas ondas eran radiadas a la velocidad de la luz, y que podían reflejarse y refractarse de la misma manera. Todo esto apoyó aún más la concepción de Maxwell referente a un espectro total de radiaciones del que la luz visible constituía sólo una pequeña parte. Unos años después, cuando Wilhelm Roentgen produjo, a partir de una descarga de alta tensión en una válvula vacía, un nuevo tipo de radiación que llamó rayos X, puede decirse que proporcionó más evidencia todavía.
Y, muy a principios de la década de 1900, cuando se descubrió que los materiales radioactivos emitían rayos gamma, se contó con más evidencia aún. De este modo se tuvo noticia de la existencia de grandes segmentos del espectro electromagnético antes de que su explotación, por parte de inventores y técnicos, empezara en serio a principios de siglo.
Las ondas electromagnéticas pueden describirse en términos de longitud de onda y frecuencia; es decir, distancia entre las crestas de ondas sucesivas en cuanto a longitud de onda se refiere, y cantidad de ciclos del movimiento de la onda en cualquier tiempo dado en cuanto a frecuencia. Las enormes diferencias entre estas longitudes de ondas y frecuencias se cuentan entre sus más curiosas características. Así, en un extremo del espectro están los rayos gamma, con sólo de 10-12 a 10-10 centímetros entre cada cresta, creados en una relación de 1022 a 1020 veces por segundo. Al otro extremo están las ondas radioeléctricas, hasta de l06 centímetros de longitud y producidas 104 veces por segundo.
Así, la escala va, en términos sencillos, de rayos gamma de sólo billonésimas de pulgada de longitud a ondas radioeléctricas de hasta miles de pies. Entre unos y otras, de longitudes de onda progresivamente mayores que las de los rayos gamma, están los rayos X; las ondas ultravioleta, que desempeñan un papel importante en la fluorescencia; la luz visible, cuya longitud se incrementa del azul al rojo; los rayos infrarrojos -por debajo del rojo- o rayos de calor invisibles; y, finalmente, las ondas radioeléctricas, que llenan un gran sector del espectro que va de radiaciones de extremadamente alta frecuencia o, según las siglas inglesas, EHF, a las más largas pero de frecuencia muy baja, o, según las siglas inglesas, VLF; contraste que pone énfasis en el hecho de que a las altas frecuencias les corresponden longitudes de onda cortas.
Las grandes posibilidades que sugerían los experimentos de Hertz, que finalmente dieron por un hecho la existencia del espectro electromagnético, no fueron apreciadas sino poco a poco. Así, antes de que la radiotransmisión fuera explotada, el mundo científico quedó pasmado ante la noticia de una nueva radiación que, era obvio, contenía inmensas posibilidades.
El descubrimiento de los rayos X
Wilhelm Roentgen, director de la facultad de física de la Universidad de Wüzburg, en Baviera, realizaba experimentos con la luminosidad producida en determinadas substancias químicas mediante el uso de un tubo de rayos catódicos, invento en el que la descarga eléctrica se efectúa en un vacío parcial. El 5 de noviembre de 1895 Roentgen oscureció su laboratorio para observar mejor los resultados y encendió el tubo, que todavía estaba cubierto de cartón negro. Para su asombro, lo que vio fue que, aunque el tubo siguiera cubierto, una hoja de papel con una capa de bario de platinocianuro que estaba cerca, empezó a irradiar luz intensa y calor. Cuando apagó la corriente, cesó el resplandor; cuando la encendió, volvió. Al llevar la hoja al cuarto contiguo descubrió que mientras el tubo estuviera encendido, la hoja continuaba resplandeciendo allí.

El asombro de Roentgen resalta en las sobrias palabras científicas del reporte que escribió después de probar los poderes de los nuevos rayos. "El papel es muy transparente –decía-, los rayos me permitieron ver la pantalla fluorescente iluminarse muy vivamente incluso a través de un libro encuadernado de unas mil páginas, sin que, por otra parte, la tinta tipográfica me estorbara sino en forma mínima. Del mismo modo, vi la fluorescencia a través de dos juegos de barajas, aun cuando, al sostener un naipe entre el instrumento y la pantalla, dicho naipe pasara prácticamente inadvertido por el ojo. Asimismo, apenas si se percibe una hoja de papel de estaño, ya que para que su sombra se distinga con toda claridad en la pantalla es necesario colocar una capa del mismo sobre otra. Pero también son transparentes los gruesos bloques de madera. En cambio, las tablas de pino de dos o tres centímetros no dejan pasar la luz sino ligerisimamente. Una placa de aluminio de aproximadamente 15 milímetros de grosor, aunque debilitó la acción de manera considerable, no ocasionó que la fluorescencia desapareciera del todo. Las hojas de hule grueso, también permiten que los rayos las atraviesen."
Más importante que lo anterior eran los diferentes grados que los rayos penetraban la carne y los huesos humanos. Roentgen no tardó en advertir el inmenso valor médico del descubrimiento, y su anhelo de anunciarlo se equiparaba a la necesidad de verificar cuantos más hechos le fuera posible. Fue hasta el 28 de diciembre, después de siete semanas de continua experimentación, cuando finalmente entregó su primer artículo sobre el nuevo fenómeno a la Sociedad Físico-Médica de Wüzburg. La noticia llegó pronto a Berlín y a Viena, luego a otras capitales europeas y, para el anochecer del 23 de enero, cuando sustentaba una conferencia en la Universidad ante un salón completamente lleno, Roentgen alcanzó; la fama.
Un punto que Roentgen ya había confirmado era que los nuevos rayos afectaban la película fotográfica, así que para finalizar su conferencia llevó a cabo una impresionante demostración. ¿Le gustaría al profesor Albert von Kolliker, el anatomista de la Universidad, que fotografiara su mano? El profesor se paró de su asiento y colocó su mano sobre la película sensibilizada antes de que Roentgen encendiera el tubo. Un rato después Roentgen mostró la película revelada que exhibía con toda claridad los huesos, los suaves tejidos de la mano, y la firme imagen de un anillo de metal que el profesor llevaba en el tercer dedo.
Inmediatamente Kolliker propuso que los nuevos fenómenos no debían llamarse rayos X, como Roentgen los había llamado hasta ese momento, sino rayos Roentgen. Pero en la mayoría de los países se dificultaba pronunciar la "oe" del nombre alemán y al finalizar el siglo fue el término de rayos X el que consolidó; la fama. En ningún momento Roentgen pidió; que lo llamaran con el "von", que le había concedido el Príncipe de Baviera en reconocimiento a su realización, ni hizo el menor esfuerzo para ganar dinero con su descubrimiento.
Decía: "De acuerdo con la buena tradición del profesorado de las universidades alemanas, me parece que sus descubrimientos e inventos pertenecen a la humanidad, y que no deben permitir que ninguna patente, licencia o contrato los obstaculice, como tampoco que ningún grupo los controle."
El uso de los rayos X como medio auxiliar para el diagnóstico médico abarcó pronto el mundo entero. Entre las primeras y más obvias aplicaciones estaban las de localizar desde las balas en la pierna de un soldado hasta objetos ingeridos por niños. Posteriormente, a medida que la naturaleza de los rayos X se conoció y se comprendió mejor, fue posible fotografiar con ellos los tumores que no podían localizarse mediante ningún otro medio, así como con su ayuda llevar un registro del metabolismo del cuerpo humano y utilizarlos en infinidad de otras formas como un nuevo instrumento médico.
Pasó un tiempo antes de que ese instrumento fuera comprendido adecuadamente. Pero más tarde se advirtió que los rayos X se producían cuando los electrones que formaban la corriente de electricidad del cátodo en el tubo se detenían de pronto al entrar en contacto con el metal del ánodo. Cuando esto sucedía, los electrones cedían parte de su energía en rayos X, de modo muy parecido a la manera en que una bala detenida por un muro cederá su energía en rayos infrarrojos que se reconocen como calor. Se encontró que al aumentar el voltaje aplicado al tubo los rayos X resultantes tenían mayor poder de penetración; y experimentos posteriores demostraron también que a mayor poder de penetración de los rayos, mayor frecuencia.
En tanto que se investigaban y se explotaban las aplicaciones médicas de los nuevos rayos de Roentgen, el descubrimiento de Heinrich Hertz en Karlsrohe no pasaba inadvertido. Sus rayos se habían producido eléctricamente, viajaban a la velocidad de la luz, cosa que para la mayoría de los fines prácticos significaba que se extendían instantáneamente, y creaban una corriente complementaria a distancia, sin necesidad de ningún alambre de enlace. Estos hechos, por supuesto, emocionaban a quienes se encontraban utilizando la electricidad para transmitir mensajes por medio de alambres.
De la clave Morse al cohesor de Branly
En 1844 Samuel Morse había utilizado el código que lleva su nombre para enviar las palabras "¿Qué forjó Dios?" a lo largo de una línea telegráfica entre Baltimore y Washington. En 1876, Alexander Graham Bell había patentado un invento en el que se convertían vibraciones de ondas sonoras en una corriente fluctuante eléctrica que, a su vez, era enviada por un alambre antes de convertirse de nuevo en ondas sonoras. Ahora bien, el descubrimiento de Hertz parecía ofrecer inmensas nuevas posibilidades: la transmisión de mensajes a través de estuarios y canales, de barco a tierra, y en docenas de otras situaciones en las que tender un cable sería o impracticable o imposible.
Sin embargo, primero debía contestarse a varias de preguntas. ¿A qué distancia podían hacerse viajar estas misteriosas ondas? ¿Cómo se podía incrementar su fuerza para que pudieran ser fácilmente detectables? ¿Cómo se podía estar seguro de que las radiaciones de una longitud de onda no se mezclarían con las otras? Y, aun cuando fuera posible enviar los puntos y las rayas del sistema Morse, ¿sería algún día posible superimponer la voz humana en ondas inalámbricas, del mismo modo que Bell la había superimpuesto con buen éxito en una corriente eléctrica?
Todas estas preguntas señalaban tremendas posibilidades comerciales en un mundo en ebullición que pedía a gritos mejores comunicaciones. El resultado fue que a lo largo de la década de 1890, y de los primeros años del siglo veinte, los científicos de naciones tan distantes como los Estados Unidos y Alemania, Rusia y la Gran Bretaña, luchaban por resolverlas.
Los instrumentos básicos de conocimientos con los que trabajaban -las ecuaciones Maxwell y los artículos de Hertz y de los otros que habían seguido los pasos de Maxwell- estaban a la disposición de todo mundo. Las tecnologías disponibles para los investigadores de los laboratorios de Washington y Cambridge, San Petershurgo y Berlín, eran aproximadamente comparables. Así, no es de sorprender que el récord de invenciones que ayudaron a transformar el radio de un sueño en una utilidad práctica, fuera un récord de prioridades en competencia, de reclamaciones de derechos y de contraderechos, que por lo general alegaban buena fe pero que hacían poco sabio conceder más de cierta parte del crédito a una sola persona. Con toda justeza puede hacerse la excepción con Guillermo Marconi, que se abrió camino a través de las dificultades con la perseverancia del genio.
Uno de los primeros adelantos consistió en un aumento de la sensibilidad del detector para captar ondas inalámbricas. Esto se dio con el desarrollo de un invento conocido como el cohesor. El francés Edouard Branly ya había advertido que cuando se formaba una chispa de una máquina eléctrica o de una bobina de inducción cerca de un tubo de vidrio al vacío en el que estuvieran apiñadas limaduras de metal entre electrodos de plata, entonces la conductividad de las limaduras aumentaba repentinamente en nada menos que mil veces más.
En la década de 1890, Sir Oliver Lodge mostró que el invento también respondía a las ondas inalámbricas. Al conectarlo con un circuito que tuviera adaptado un timbre o un instrumento Morse, Lodge pudo registrar la llegada de ondas inalámbricas por timbre o por zumbido. El perfeccionamiento de la recepción también aumentó cuando el científico ruso Alexander Popov intensificó la sensibilidad del aparato receptor al adjuntar el cohesor -llamado así porque en el momento de la recepción todas las limaduras de metal, divididas finamente,se adherían a una larga vara de metal llamada antena.
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