La energía electromagnética es familiar para la mayoría de las personas como luz y calor, pero puede adoptar muchas otras formas, como ondas de radio y rayos X. Estos son todos los tipos de radiación que se originan a partir de la fuerza electromagnética, que es responsable de todos los fenómenos eléctricos y magnéticos. La radiación viaja a la velocidad de la luz de una manera que se asemeja a las ondas.
A diferencia de las ondas sonoras, las ondas electromagnéticas no requieren un medio a través del cual moverse y pueden viajar a través del espacio vacío. La longitud de la ola puede variar desde cientos de yardas (metros) hasta escalas subatómicas. La gama completa de longitudes de onda se conoce como espectro electromagnético, del cual la luz visible forma solo una pequeña parte. A pesar del carácter ondulado observado de la radiación electromagnética (EMR), también puede comportarse como si estuviera compuesta de partículas diminutas, conocidas como fotones.
Luz, electricidad y magnetismo
La conexión entre la luz y el electromagnetismo fue revelada en el siglo XIX por el trabajo del físico James Clerk Maxwell sobre campos eléctricos y magnéticos. Usando ecuaciones que desarrolló, encontró que la velocidad a la que los campos se mueven a través del espacio era exactamente la velocidad de la luz y concluyó que la luz era una perturbación de estos campos, viajando en forma de ondas. Sus ecuaciones también mostraron que eran posibles otras formas de EMR con longitudes de onda más largas y más cortas; estos fueron identificados más tarde. Los hallazgos de Maxwell dieron lugar al estudio de la electrodinámica, según el cual EMR consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes en ángulos rectos entre sí y en la dirección del movimiento. Esto explica la naturaleza ondulatoria de la luz, como se observa en muchos experimentos.
Longitud de onda, frecuencia y energía
La radiación electromagnética se puede describir en términos de su longitud de onda, la distancia entre las crestas de las ondas, o su frecuencia, el número de crestas que pasan por un punto fijo durante un intervalo de tiempo fijo. Cuando se mueve a través del vacío, EMR siempre viaja a la velocidad de la luz; por lo tanto, la velocidad a la que viajan las crestas no varía y la frecuencia depende solo de la longitud de la onda. Una longitud de onda más corta indica una frecuencia más alta y una energía más alta. Esto significa que los rayos gamma de alta energía no viajan más rápido que las ondas de radio de baja energía; en cambio, tienen longitudes de onda mucho más cortas y frecuencias mucho más altas.
La dualidad onda-partícula
La electrodinámica tuvo mucho éxito al describir la energía electromagnética en términos de campos y ondas, pero a principios del siglo XX, la investigación de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, en el que la luz desprende electrones de una superficie metálica, planteó un problema. Descubrió que la energía de los electrones dependía por completo de la frecuencia, y no de la intensidad, de la luz. Un aumento en la frecuencia produjo electrones de mayor energía, pero un aumento en el brillo no hizo ninguna diferencia. Los resultados solo podrían explicarse si la luz consistiera en partículas discretas, luego llamadas fotones, que transfirieron su energía a los electrones. Esto creó un rompecabezas: observado a grandes escalas, EMR se comporta como ondas, pero sus interacciones con la materia en las escalas más pequeñas solo se pueden explicar en términos de partículas.
Esto se conoce como dualidad onda-partícula. Surgió durante el desarrollo de la teoría cuántica y se aplica a todo en la escala subatómica; los electrones, por ejemplo, pueden comportarse tanto como ondas como partículas. No existe un consenso general entre los científicos sobre lo que realmente significa esta dualidad sobre la naturaleza de la energía electromagnética.
Electrodinámica cuántica
Una nueva teoría, conocida como electrodinámica cuántica (QED), finalmente surgió para explicar el comportamiento de EMR similar a una partícula. Según QED, los fotones son las partículas que transportan la fuerza electromagnética, y las interacciones de los objetos con carga eléctrica se explican en términos de la producción y absorción de estas partículas, que en sí mismas no tienen carga. La QED se considera una de las teorías más exitosas jamás desarrolladas.
Cómo se produce la energía electromagnética
La electrodinámica clásica describió la producción de EMR en términos del movimiento de cargas eléctricas, pero una explicación más moderna, en línea con la teoría cuántica, se basa en la idea de que las partículas subatómicas de las que se compone la materia solo pueden ocupar ciertos niveles de energía fijos. La radiación electromagnética es liberada por el cambio de un estado de energía más alto a uno más bajo. Dejada a sí misma, la materia siempre intentará alcanzar su nivel más bajo de energía.
La EMR se puede producir cuando la materia absorbe energía temporalmente, por ejemplo, cuando se calienta, y luego la libera para caer a un nivel más bajo. También se puede lograr un estado de menor energía cuando los átomos o moléculas se combinan entre sí en una reacción química. La combustión es un ejemplo familiar: típicamente, una molécula se combina con el oxígeno del aire, formando productos que colectivamente tienen menos energía que la molécula original. Esto hace que se libere energía electromagnética en forma de llama.
En el núcleo del Sol, cuatro núcleos de hidrógeno se combinan, en una serie de pasos, para formar un núcleo de helio que tiene un poco menos de masa y, por lo tanto, menos energía. Este proceso se conoce como fusión nuclear. El exceso de energía se libera en forma de rayos gamma de alta frecuencia que son absorbidos por la materia más alejada, que luego emite esta energía, principalmente en forma de luz visible y calor.
Energía, vida y tecnología electromagnéticas
La energía del Sol es crucial para la vida en la Tierra. La luz del sol calienta la superficie de la Tierra, que a su vez calienta la atmósfera, manteniendo temperaturas adecuadas para la vida e impulsando los sistemas meteorológicos del planeta. Las plantas utilizan la energía electromagnética del Sol para la fotosíntesis, el método por el cual producen alimentos. La energía solar se convierte en energía química que impulsa los procesos que permiten a las plantas producir la glucosa que necesitan para sobrevivir a partir del dióxido de carbono y el agua. El subproducto de esta reacción es el oxígeno, por lo que la fotosíntesis es responsable de mantener los niveles de oxígeno del planeta.
La mayoría de las formas de tecnología dependen en gran medida de la energía electromagnética. La Revolución Industrial fue impulsada por el calor generado por la combustión de combustibles fósiles y, más recientemente, la radiación solar se ha utilizado directamente para proporcionar energía «limpia» y renovable. Las comunicaciones, la radiodifusión e Internet modernas dependen en gran medida de las ondas de radio y de la luz canalizada a través de cables de fibra óptica. La tecnología láser utiliza luz para leer y escribir en CD y DVD. La mayor parte de lo que los científicos saben sobre el universo proviene del análisis de EMR de varias longitudes de onda de estrellas y galaxias distantes.
Efectos sobre la salud
La EMR de alta frecuencia, como los rayos gamma, los rayos X y la luz ultravioleta, transporta suficiente energía para provocar cambios químicos en las moléculas biológicas. Puede romper enlaces químicos o eliminar electrones de los átomos, formando iones. Esto puede dañar las células y alterar el ADN, aumentando el riesgo de cáncer. También se han expresado preocupaciones sobre los efectos en la salud de la EMR de baja frecuencia, como las ondas de radio y las microondas que utilizan los teléfonos móviles y otros dispositivos de comunicación. Aunque estas formas de radiación parecen no tener un efecto directo sobre la química de la vida, pueden provocar que el tejido se caliente en áreas localizadas con exposición prolongada. Hasta ahora, no parece haber ninguna evidencia concluyente de que esto pueda enfermar a las personas.