PARTE III · Materia, energía y universo
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Electricidad, magnetismo y ondas
energía e información a distancia
En este capítulo
Una corriente eléctrica, un imán y la luz parecen fenómenos distintos. El electromagnetismo los relaciona mediante cargas y campos, y explica cómo las ondas pueden transportar energía e información.
15.1. Una interacción que adopta muchas formas#
La atracción de pequeños objetos por una superficie electrizada, la corriente en un conductor y la luz visible pertenecen a un mismo marco físico: el electromagnetismo. La unificación no consiste en afirmar que todos los fenómenos son idénticos, sino en describir relaciones entre cargas, campos y su evolución mediante leyes comunes. Las ecuaciones de Maxwell relacionan las fuentes eléctricas con los campos y permiten describir la propagación de ondas electromagnéticas. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 16.1.
La carga eléctrica es una propiedad física. Sus dos signos se denominan positivo y negativo. Un cuerpo puede ser eléctricamente neutro porque sus contribuciones positivas y negativas se compensan, no porque sus componentes carezcan de carga. El protón tiene carga positiva y el electrón negativa, de igual magnitud elemental. La corriente eléctrica se relaciona con el transporte de esa carga. NIST, s. f., «Ampere: Introduction».
Un campo eléctrico asigna a cada punto una magnitud y una dirección que permiten calcular la fuerza eléctrica sobre una carga de prueba. La relación
La idea de campo evita tratar cada interacción como una orden instantánea enviada entre objetos distantes. Los cambios físicos se propagan. Esa propagación y la energía asociada a los campos serán parte de la explicación, no recursos matemáticos sin consecuencias observables.
15.2. Voltaje y corriente: dos magnitudes, no dos nombres#
El voltaje, o diferencia de potencial eléctrico, relaciona una diferencia de energía potencial con la carga. Un voltio equivale a un julio por culombio. No mide «cuánta electricidad hay» de forma indiferenciada. Describe una diferencia entre dos puntos, bajo las condiciones en que el potencial puede utilizarse para representar el campo. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 7.2.
La corriente mide la carga que atraviesa una sección por unidad de tiempo:
Una diferencia de potencial no implica necesariamente corriente sostenida: hace falta una vía y un mecanismo de conducción. Del mismo modo, dos situaciones con la misma corriente pueden transferir energía a ritmos distintos si sus voltajes son diferentes.
La comparación con agua en tuberías puede ayudar a separar diferencia impulsora y flujo, pero tiene límites. Los campos transportan energía, las cargas interactúan y un circuito no es simplemente un depósito que vacía electrones nuevos hacia un aparato. En un conductor ordinario ya hay portadores de carga antes de que se establezca la corriente. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 9.2.
15.3. Por qué una señal llega antes que un electrón individual#
Cuando se modifica un circuito, la perturbación electromagnética se propaga por el sistema y altera el movimiento de las cargas que ya existen en diferentes posiciones. La velocidad de deriva, el desplazamiento dirigido medio de los portadores, suele ser mucho menor que la velocidad de propagación de la señal. Confundir ambas lleva a imaginar que cada electrón debe viajar desde una central hasta un aparato antes de que este responda. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 9.2.
Una comparación limitada ayuda: una fila de elementos que se transmiten una perturbación puede responder al otro extremo sin que el primer elemento recorra toda la fila. El circuito real no es una fila rígida y la propagación no es instantánea. La utilidad de la comparación consiste únicamente en separar el transporte de una perturbación del desplazamiento completo de un constituyente.
La energía electromagnética tampoco debe identificarse con la energía cinética de deriva de los electrones. Los campos poseen energía y su evolución describe transferencias por el espacio que rodea y ocupa un circuito. El modelo de cables y componentes concentra esa realidad en relaciones manejables cuando las dimensiones y frecuencias permiten hacerlo. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 16.3.
Esta es una aplicación del principio de niveles de descripción. Un esquema eléctrico puede predecir correctamente voltajes y corrientes sin dibujar cada campo. Cuando las señales cambian muy deprisa o las distancias importan, esa simplificación necesita ampliarse.
15.4. Resistencia y disipación#
La resistencia eléctrica relaciona voltaje y corriente. En un componente óhmico, bajo condiciones que mantienen aproximadamente constante su resistencia:
Ejemplo construido, puramente matemático. Un componente ideal de
En corriente continua, la potencia eléctrica transferida a un componente es
En el ejemplo anterior, la potencia inicial es 0,4 W y la final 1,6 W: duplicar el voltaje cuadruplica la potencia si la resistencia no cambia. La matemática permite detectar por qué una extrapolación lineal puede fallar antes de conocer los detalles de una máquina.
La misma relación ayuda a entender un compromiso de las redes eléctricas. Para transportar una potencia dada, aumentar el voltaje puede reducir la corriente y, con ella, las pérdidas resistivas. Pero el diseño debe resolver aislamiento, control y otras restricciones. La fórmula identifica una ventaja física; no contiene el diseño completo de una red. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 9.5.
15.5. Magnetismo e inducción: convertir movimiento y electricidad#
Un campo magnético modifica el movimiento de cargas en movimiento. Para una carga puntual, la parte magnética de la fuerza es perpendicular tanto a su velocidad como al campo. Por sí sola no realiza trabajo sobre esa carga: puede cambiar la dirección de la velocidad sin cambiar su rapidez. No debe confundirse esto con afirmar que un sistema electromagnético completo sea incapaz de transferir energía. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 11.3.
La inducción electromagnética aparece cuando cambia el flujo magnético asociado a un circuito. El flujo tiene en cuenta intensidad del campo, área y orientación de la superficie. La ley de Faraday relaciona su cambio con una fuerza electromotriz inducida. Aunque conserve ese nombre histórico, una fuerza electromotriz se mide en voltios, no en newtons. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 13.1.
Un generador electromecánico utiliza movimiento para producir esa transformación energética. Un motor utiliza interacciones electromagnéticas para producir movimiento. No crean energía: conectan formas de transferencia. En un generador real, extraer potencia eléctrica exige un aporte mecánico y aparecen pérdidas; la respuesta inducida no constituye un mecanismo que se alimente indefinidamente de sí mismo. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 13.6.
El transformador aprovecha inducción entre circuitos para modificar relaciones de voltaje y corriente mediante un flujo magnético variable. En el modelo ideal conserva potencia: obtener un voltaje mayor no significa obtener simultáneamente más energía sin entrada adicional. Las aproximaciones de idealidad deben corregirse por pérdidas y limitaciones del material. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 15.6.
15.6. Qué viaja cuando viaja una onda#
Una onda es una perturbación que se propaga. En una onda mecánica, las interacciones entre partes de un medio permiten que la perturbación avance sin que cada parte recorra necesariamente todo el trayecto. El sonido necesita un medio material; una onda electromagnética puede propagarse en el vacío. No toda ondulación visible describe el mismo mecanismo físico. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 1, § 16.1; NASA, s. f., «Anatomy of an Electromagnetic Wave».
La frecuencia,
La amplitud mide el tamaño de la oscilación en la variable considerada. Frecuencia y amplitud no son equivalentes: una vibración puede ser rápida y pequeña o lenta y grande. En medios dispersivos, distintas frecuencias pueden propagarse con diferentes velocidades de fase. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 1, § 16.1.
Ejemplo construido. Una onda que se propaga a 12 m/s y repite seis ciclos por segundo tiene longitud de onda de 2 m. Si otro sistema mantiene la misma velocidad de propagación y duplica la frecuencia, la longitud de onda se reduce a 1 m. No se ha duplicado la amplitud ni la cantidad total de energía por el mero hecho de modificar la frecuencia.
15.7. Interferencia, resonancia y selección#
En un régimen lineal, las perturbaciones pueden superponerse. La interferencia es el refuerzo o reducción de la perturbación resultante según cómo coincidan sus fases. Dos contribuciones pueden cancelarse en un lugar sin que la energía desaparezca del sistema: la distribución espacial del resultado y los intercambios con las fuentes deben contabilizarse. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 1, § 16.5.
La fase identifica en qué punto de su ciclo se encuentra una oscilación. Dos señales de igual frecuencia pueden coincidir en máximos o encontrarse en posiciones opuestas del ciclo. La frecuencia por sí sola no determina si se refuerzan.
La resonancia ocurre cuando un sistema responde especialmente a una excitación periódica próxima a determinadas frecuencias características. La amplitud alcanzada depende de cuánto se aporta y de cuánto se disipa; el amortiguamiento impide tratar el crecimiento como ilimitado en un sistema real. Las frecuencias propias dependen de estructura, masa, rigidez y otras propiedades del sistema. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 1, § 15.6.
La resonancia no es una propiedad mística de «vibrar en la frecuencia correcta». Es una relación cuantificable entre excitación y respuesta. Permite seleccionar señales y estudiar estructuras, pero trasladar esa palabra a una afirmación sobre salud, personalidad o sociedad no aporta por sí mismo evidencia.
15.8. Luz, espectro y radiación#
La luz visible es una franja del espectro electromagnético, que incluye radio, microondas, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Las fronteras entre nombres son convenciones de clasificación; algunos intervalos también se describen por el mecanismo de emisión. En el vacío, las ondas electromagnéticas se propagan a
El ojo humano no detecta todo ese espectro. Por ello una imagen infrarroja, de radio o de rayos X no es una fotografía visible con colores naturales ocultos: los colores mostrados pueden representar una asignación visual a mediciones de otras bandas. La interpretación exige conocer qué se midió y cómo se codificó. NASA, s. f., «Introduction to the Electromagnetic Spectrum».
Menor frecuencia Mayor frecuencia
Radio → Microondas → Infrarrojo → Visible → Ultravioleta → Rayos X → Gamma
Mayor longitud de onda Menor longitud de ondaOrden conceptual, no escala lineal. La separación de algunas categorías depende también de convenciones y mecanismos de emisión. El color visible ocupa solamente una parte del espectro. Elaboración conceptual basada en NASA, «Introduction to the Electromagnetic Spectrum».
En la descripción cuántica, la energía de un fotón es
Ionizar significa retirar electrones de un átomo o una molécula. La capacidad de un fotón para hacerlo depende de su energía y del sistema con el que interactúa. «Radiación» no significa automáticamente radiactividad, ni toda radiación posee el mismo mecanismo de interacción. Tampoco la categoría «no ionizante» demuestra ausencia de cualquier efecto a cualquier intensidad. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 16.5.
15.9. Ver es interpretar una interacción#
La reflexión devuelve parte de una onda hacia el medio de origen. La absorción transfiere energía al material. La transmisión permite que una parte continúe a través de él. La dispersión desvía radiación en distintas direcciones. Las proporciones dependen de frecuencia, composición, superficie y geometría. Por eso «transparente» no es una propiedad absoluta para todas las bandas del espectro. NASA, s. f., «Wave Behaviors».
La refracción describe el cambio de dirección asociado al paso entre medios con diferentes propiedades de propagación, cuando la incidencia y las condiciones producen ese cambio. El índice de refracción se relaciona con la velocidad de fase de la luz en un medio. Puede depender de la frecuencia, lo que permite separar componentes de un espectro. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 3, § 1.3.
Estas interacciones convierten la luz en una herramienta de conocimiento. Un espectro registra cómo se distribuye la intensidad con la longitud de onda o la frecuencia. Sus estructuras permiten investigar materiales y fuentes, siempre mediante modelos de emisión, absorción y propagación. No basta con que dos imágenes tengan colores parecidos para concluir que representan la misma composición.
La óptica también muestra por qué observación y teoría cooperan. Un instrumento registra una señal; para inferir de ella una temperatura o composición se necesita conocer la respuesta del instrumento y el mecanismo físico. Ese paso no vuelve arbitraria la inferencia: permite contrastarla mediante calibraciones y observaciones independientes.
15.10. De una perturbación a un mensaje#
Una onda puede transportar energía sin transportar un mensaje diseñado. Para comunicar información, un emisor modifica de manera controlada alguna propiedad de una señal y un receptor interpreta las variaciones. A esa modificación se la llama modulación. Las bandas de radio permiten comunicación porque las señales electromagnéticas pueden generarse, propagarse y detectarse mediante sistemas adecuados. Moebs, Ling y Sanny, 2016, vol. 2, § 16.5.
La información no es una sustancia adicional añadida a la onda. Depende de distinciones físicas y reglas de interpretación. Una misma secuencia de cambios puede representar letras bajo una convención y otra clase de datos bajo otra. Para que exista comunicación fiable deben diferenciarse señal, ruido y reglas de codificación.
La física limita el soporte: propagación finita, interferencias, absorción, energía y respuesta de materiales. La teoría de la información estudia, a otro nivel, qué distinciones pueden transmitirse y recuperarse. Confundir ambos niveles produce errores como atribuir a una señal más significado del que codifica o suponer que «digital» significa inmune a un medio físico.
Pregunta de transferencia 15. Dos señales electromagnéticas tienen la misma frecuencia, pero una transporta el doble de potencia que la otra. ¿Debe tener cada fotón de la primera el doble de energía? ¿Qué magnitud podría cambiar en su lugar? Un receptor distingue bien ambas señales en un entorno y deja de hacerlo en otro: ¿por qué el contenido codificado no basta para explicar la comunicación efectiva?
Términos esenciales: carga, campo eléctrico, campo magnético, voltaje, corriente, culombio, amperio, resistencia, ohmio, deriva, inducción, flujo magnético, generador, transformador, onda, frecuencia, longitud de onda, amplitud, fase, interferencia, resonancia, espectro, fotón, ionización, reflexión, absorción, refracción, modulación.