LOS EXPERIMENTOS DE HERTZ Por José Carlos Gambau

EA2BRN.

Prácticamente todos los trabajos históricos sobre la radio comienzan citando los experimentos de Hertz. En cierto modo esto tiende a sacarlos de su contexto y presentarlos más bien en el ámbito de la ingeniería eléctrica. Nada más lejos de la realidad. Para poder comprender en su totalidad el significado de los experimentos de Hertz hay que comenzar por situarlos en su ámbito exacto: una investigación en el campo de la física pura. Por esta razón vamos a tratar sobre todo de la crisis que existió en física en la última mitad del siglo XIX debido a la incapacidad de las teorías de Newton para explicar el comportamiento del electromagnetismo y la luz. Los experimentos de Hertz fueron la prueba triunfal de las ideas de Maxwell y un importante apoyo a la teoría del éter. Unos años más tarde los avances hicieron insostenible la teoría del éter. Hasta mediados del siglo XIX la física era el reinado de las tres leyes de Newton (la inercia, la fuerza y la acción y reacción). La idea de que el Universo está formado por materia y vacío, y que las fuerzas se pueden transmitir bien por contacto (de una partícula a otra) o bien directamente a distancia (de forma instantánea) había explicado satisfactoriamente la mecánica y los movimientos de los astros (El propio Newton no estaba muy conforme con la idea de la acción a distancia ya que implicaba que un cuerpo puede actuar donde no está, pero no veía otra solución para la fuerza de la gravedad). Debido al gran éxito de la mecánica de Newton en la mecánica celeste estas ideas se habían convertido en un dogma de fe. La atracción electrostática y magnética eran un buen ejemplo de fuerzas a distancia, lo que reforzaba la idea de que toda la filosofía natural se debía de basar en las ideas de Newton. Sin embargo la electricidad y el magnetismo no acababan de encajar en este esquema newtoniano, y transcurrió toda la primera mitad del siglo XIX en estériles esfuerzos obligando a la naturaleza a hacer algo que no quería. En 1846 apareció la primera teoría unificada del electromagnetismo propuesta por Wilhem Weber, pronto siguieron otras teorías, pero todas ellas, incluida la de Weber, se habían tenido que apartar en un aspecto u otro de las ideas newtonianas y añadir hipótesis más o menos arbitrarias. James C. Maxwell publicó entre 1853 y 1862 sus trabajos teóricos sobre el electromagnetismo. Estos trabajos se basaban esencialmente en los experimentos e ideas de Faraday. Maxwell retomó algunas de las antiguas ideas de Descartes y su teoría de remolinos. Imaginó una sustancia formada por partículas en forma de remolinos que obedecían la mecánica de Newton, pero donde las fuerzas se transmitían por contacto de una partícula a otra (una versión avanzada de la antigua hipótesis del éter luminífero que empleó Huygens para explicar su teoría ondulatoria de la luz). No parece

James Clerk Maxwell (1831–1879)

probable que Maxwell creyera en la existencia real del éter, sino más bien lo empleó como un medio hipotético que ocupaba todo el espacio, y al no pensar en él como una entidad real le podía atribuir cualquier propiedad que necesitara para sus cálculos, por extraña e increíble que fuera. El resultado de todo ello fue un sistema de ecuaciones que explicaban armoniosamente y sin ninguna discrepancia todos los efectos electromagnéticos y predecía que las perturbaciones electromagnéticas debían viajar a la velocidad de la luz en forma de ondas transversales. Pero su teoría tuvo escaso eco. La razón hay que buscarla en las interacciones sumamente complejas que planteaba, y en que Maxwell fuera esencialmente un matemático, no un físico, por esta razón no tenía muy claro cómo debía interpretar sus ecuaciones. Sus discípulos y coetáneos se encontraron una teoría difícil de comprender, y cuya importancia se les escapaba por completo. Hacia 1880 la teoría de Maxwell tenía muy pocos adeptos, y estos pocos se encontraban en Inglaterra. Fuera de Inglaterra uno de los pocos

que intentó comprender la teoría de Maxwell fue Hermann von Helmholtz, pero se le hacía muy rara. Helmholtz había demostrado los puntos débiles de las teorías “newtonianas” del electromagnetismo (el más grave era que no cumplían con el principio de conservación de la energía), y veía los puntos fuertes de la teoría de Maxwell, en especial su predicción de las perturbaciones eléctricas propagándose a la velocidad de la luz, pero no acababa de estar totalmente de acuerdo con el mundo que postulaba Maxwell sin fuerzas a distancia (un dogma de fe en la física en esos momentos). En su lugar creó una teoría mixta en la que existía un éter, pero donde la fuerza viajaba de una partícula a otra en parte por medio de la acción a distancia entre ellas, y en parte por contacto. En esta teoría incluyó una constante k que indicaba la relación entre la fuerza transmitida a distancia y la fuerza transmitida por contacto. Si a esa constante k se le asignaba el valor 1 su teoría se transformaba en la teoría de Weber, si le asignaba el valor 0 se transformaba en la teoría de Maxwell, entre estos dos valores había infinitos valores intermedios. Helmholtz indicó la importancia de determinar experimentalmente el valor de k para decidir la teoría correcta, además señaló un medio para hacerlo: medir la influencia del dieléctrico en los fenómenos electromagnéticos. Expresado en un lenguaje más moderno significa que, mientras se está cargando o descargando un condensador, circula una corriente por el circuito, y esta corriente causa un efecto electromagnético en los conductores del circuito; Maxwell añadía y en el dieléctrico del condensador. Todas las teorías estaban de acuerdo sobre los conductores, y la experiencia dice que es así. Sin embargo diferían en lo que ocurre en el dieléctrico del condensador. Según la teoría de Maxwell también se tiene que generar una fuerza electromagnética, las demás teorías negaban la influencia de los dieléctricos en el comportamiento electromagnético.

Hermann von Helmholtz (1821 – 1894)

Helmholtz presentó este problema a la Academia de Ciencias de Berlín, quien ofreció un premio al primero que demostrara de forma experimental la existencia o no de algún efecto electromagnético al variar la polarización de un dieléctrico. Los trabajos experimentales de Hertz

Heinrich R. Hertz (1875 – 1894) Aquí aparece en escena Heinrich Hertz. Helmholtz presentó este problema a Hertz y le animó a emprender los experimentos necesarios. Hertz calculó el efecto que podía esperarse según la teoría de Maxwell y encontró que era excesivamente débil, muy por debajo de la sensibilidad de los instrumentos de la época, y por tanto indetectable. Aparentemente se olvidó del tema durante varios años. Por fortuna seis años más tarde, en la Universidad de Karlsruhe, volvió a retomar el tema y calculó nuevamente los efectos que se podían esperar empleando una corriente alterna de alta frecuencia. Estos cálculos le indicaron que podía observar algún efecto en el límite de detectabilidad. Este es el arranque de unos experimentos que cambiaron al mundo, sin embargo, al principio sus objetivos fueron muy modestos, simplemente trataba de encontrar la existencia de un débil efecto electromagnético en los dieléctricos. En estos experimentos no tardó en tropezarse con dos fenómenos inesperados: la influencia de la luz ultravioleta en las chispas (efecto fotoeléctrico) y la detección de los efectos electromagnéticos a distancias superiores a las esperadas. Fue esto último lo que le animó a desentrañar el proceso electromagnético. Dio a conocer los resultados de sus experimentos en doce papeles que se publicaron entre 1887 y 1891. El propio Hertz describe en su obra Ondas Eléctricas el problema inicial, cómo va cambiando sus ideas, el desarrollo de los experimentos y su implicación final. Se trata de una obra amena, fácil de seguir y realmente deliciosa para los interesados en la 2

historia de la física. Por esta razón no vamos a detallar todos los experimentos de Hertz, tan sólo vamos a ordenarlos cronológicamente y dar un pequeño resumen de ellos para apreciar su genialidad. Al lector que desee profundizar más en ellos le recomendamos la lectura de la obra Ondas Eléctricas de Heinrich Hertz, y para tener una clara comprensión de la problemática que había en física antes de Hertz, las dificultades que planteó la existencia del éter luminífero, y la solución final por parte de Albert Eisntein, recomendamos la lectura del libro Las teorías de los campos de fuerza de William Berkson editado por Alianza Universidad. Los experimentos de Hertz ordenados cronológicamente son: 1. “Sobre las oscilaciones eléctricas muy rápidas” – 1887 El primer paso que debía dar era demostrar que se podían obtener oscilaciones rápidas de alta frecuencia perfectamente regulares en un circuito abierto consistente de una varilla terminada en dos placas o esferas y separada en su centro por un chispero. Demostró la existencia de ondas regulares de alta frecuencia y el efecto de resonancia eléctrica examinando las chispas que se inducían en un anillo casi cerrado (a excepción de un chispero micrométrico). En la Introducción que hace en su obra nos cuenta que intentó encontrar sin éxito algún efecto causado por un dieléctrico situado entre las placas de los extremos de su oscilador. Tras su publicación descubrió que el tema de las oscilaciones eléctricas no era tan nuevo como pensaba, ya que otros experimentadores anteriores a él habían demostrado su existencia. Honestamente incluyó en su libro Ondas Eléctricas el papel de Wilhelm von Bezold sobre descargas eléctricas que se había hecho público en 1870. 2. “Efecto de la luz ultravioleta en la descarga eléctrica” – 1887

descubrió con sorpresa una cierta influencia mutua entre dos chispas que saltan simultáneamente. En este papel narra los detallados experimentos que hizo hasta resolver que se trataba tan sólo de un efecto causado por la luz ultravioleta. Se debía de haber observado este fenómeno con anterioridad en numerosas ocasiones, pero no parece que se le diera importancia ya que no aparece citado por ninguna parte antes de Hertz. 3. “Acción de una oscilación eléctrica rectilínea en un circuito cercano” – 1888 Hertz retoma el resultado negativo de un primer intento de detectar algún efecto electromagnético causado por un dieléctrico, interpreta que es muy débil y está oculto por los efectos directos causados por la propia oscilación eléctrica. En este papel explora con su aro el espacio cercano al oscilador. Su idea es encontrar algún punto donde la inducción directa es mínima parar tener más posibilidades de detectar los débiles efectos de los dieléctricos. Desplaza el aro alrededor del oscilador deteniéndose en varios puntos, en cada punto gira el aro respecto a su eje vertical mientras observa la intensidad de la chispa inducida, y después en ese mismo punto, y sin mover el aro, lo hace girar respecto a su centro haciendo que el chispero micrométrico recorra desde la posición más baja hasta la más alta, anotando en todo momento la intensidad de la chispa inducida en el aro. De esta forma puede observar y determinar los cambios de fase a diversas distancias del oscilador, además encuentra varias posiciones donde no se observa ninguna chispa en el aro. Deduce que en estas posiciones el chispero se encuentra en un nodo de tensión, y por tanto es como si estuviera en equilibrio. Además interpreta estos cambios de fase como una primera indicación de una velocidad de propagación finita. En la Fig. 1 se ofrece un ejemplo de dos posiciones del aro, en la Fig. 1a no se observa ninguna chispa, o son muy débiles. En la Fig. 1b se observan chispas fuertes en el aro

En el transcurso de los anteriores experimentos

Fig. 1a. Posición de mínimo

Fig. 1b. Posición de máximo

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4. “Efectos electromagnéticos producidos por las perturbaciones eléctricas en los aisladores” – 1887 Finalmente consigue tener éxito en su detección del efecto electromagnético en los dieléctricos. En este experimento se aprovecha de los puntos de equilibrio que ha encontrado. Prepara un aparato mediante el cual puede situar el aro en un punto fijo, hacerlo girar sobre su eje central hasta hacer desaparecer la chispa, e insertar un dieléctrico para medir su efecto. En la Fig. 2a se muestra una fotografía del aparato original de Hertz, en la Fig. 2b se muestra esquemáticamente el mismo. Primero se ha de girar el aro mientras funciona el aparato hasta que dejan de observarse chispas en el chispero micrométrico. Después se sitúa un bloque aislante entre las placas de los extremos del oscilador, vuelven a aparecer las chispas en el aro. Luego, manteniendo el bloque dieléctrico, se gira otra vez el aro hasta hacer desaparecer las chispas y se mide el ángulo de diferencia entre la posición de nulo antes y después de introducir el bloque aislante. Repitió este experimento con diversas sustancias y con la mayor pureza posible para no dejar ninguna duda del efecto observado. En las Figs. 2c y 2d podemos ver en qué consiste el experimento. Con este trabajo ganó el premio ofrecido por la Academia de Berlín. Pero había llegado demasiado lejos para darlos por concluidos. 5. “La velocidad de propagación de las acciones electromagnéticas es finita” – 1888 Los experimentos anteriores demostraron que algunas teorías del electromagnetismo (Weber, Neumann, etc.) eran incorrectas, y que la teoría de Maxwell era la que tenía más posibilidades, o la que estaba más cerca de ser la correcta. Una forma de determinar en qué medida era correcta la teoría de Maxwell era medir la velocidad de propagación de las perturbaciones eléctricas. Este es el objetivo que se propuso obtener. El método que se propone usar es 1º, medir la velocidad de las perturbaciones (ondas) que viajan por un hilo midiendo la distancia entre dos nodos en la onda estacionaria que aparece al combinarse la onda directa con la onda reflejada en el extremo del hilo, y relacionar esta distancia con la frecuencia (Maxwell predice la velocidad de la luz), y 2º, eliminar la onda reflejada en el hilo para obtener una onda progresiva, y analizar simultáneamente con el aro la onda que ha viajado por el hilo y la onda que ha viajado por el aire. Si las velocidades son las mismas (como predice la teoría de Maxwell) la fase ha de ser la misma

Fig. 2a.

Fig. 2b. El aro se encuentra en un punto nulo, en esta posición no se observa ninguna chispa.

Fig. 2c. Al colocar un bloque aislante vuelven a aparecer chispas en el aro.

Fig. 2d. Al girar unos grados el aro se obtiene de nuevo el punto nulo. El bloque aislante ha desplazado unos grados la posición del punto nulo en todo su recorrido y no debe de aparecer ningún patrón de interferencias. Para medir la velocidad de las ondas en el hilo Hertz se aprovechó de las ondas estacionarias que aparecen en un hilo cuando se deja su extremo libre. Recorriendo este hilo (12 m) con su aro no tuvo ningún problema para encontrar los nodos donde la señal era nula. La velocidad se obtiene simplemente al relacionar la distancia entre dos nodos y la frecuencia de la onda (obtenida por cálculo a partir de los datos del circuito oscilador). Aquí Hertz cometió un error al calcular la frecuencia, calculó una frecuencia

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inferior a la real, y por tanto dedujo una velocidad de propagación en los hilos de 200.000 km/s Para medir la velocidad de las ondas en el aire Hertz alargó el hilo, lo hizo salir por una ventana, y lo hizo terminar a tierra tras recorrer 60 m. De esta forma eliminaba la onda reflejada y no aparecía ninguna indicación de onda estacionaria en el hilo. Después examinó con el aro el espacio cercano al hilo donde la intensidad de la onda que viaja por el hilo y la onda que viaja por el aire han de ser aproximadamente iguales. Desgraciadamente se encontraba muy cerca una estufa de hierro que debió interferir seriamente con los experimentos, pero en esos momentos Hertz ignoraba los efectos de las masas conductoras cercanas. El resultado del experimento fue que obtuvo un patrón de interferencias que cuadraba con una velocidad de las ondas en el aire de 320.000 km/s. Hertz había demostrado sin duda alguna que no existía la acción instantánea a distancia (velocidad infinita), y se convenció que la teoría de Maxwell era la que estaba más cerca de la verdad. En las conclusiones finales de estos experimentos Hertz incluye las siguientes palabras, que indican los experimentos que planea para el futuro: Hay numerosas razones para creer que la ondas transversales de la luz son ondas electromagnéticas; se tiene un firme fundamento de

esta hipótesis al demostrar la existencia en el espacio de ondas electromagnéticas transversales que se propagan con una velocidad similar a la velocidad de la luz. Y un método por el cual se podría confirmar o rechazar este criterio importante. Ahora es posible estudiar experimentalmente las propiedades de las ondas electromagnéticas transversales, y compararlas con las propiedades de las ondas de la luz Hertz siempre estuvo preocupado por el resultado de este experimento y lo repitió numerosas veces, cada vez en condiciones más controladas y empleando diversas longitudes de onda. Con oscilaciones de una longitud de onda de 24 cm. y retirando todos los objetos metálicos de la habitación (estufa, tuberías de gas y quemadores), obtuvo una velocidad de propagación en los hilos metálicos rectos y en el aire de 280.000 km/s, muy cercana a la velocidad de la luz que predice la teoría de Maxwell. 6. “Las ondas electromagnéticas en el aire y su reflexión” – 1888 Hertz sentía que había demostrado de una forma indirecta y algo complicada la velocidad finita de propagación en el aire, y anhelaba demostrarlo de una forma más directa y sencilla. Durante los experimentos anteriores había observado unos fenómenos que parecían apuntar a una reflexión de las ondas en las paredes. Esto

Fig. 3 Estos gráficos están ordenados en el sentido de las agujas del reloj.

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le dio la idea de colocar una plancha metálica en un extremo de la habitación y provocar una onda estacionaria entre esta plancha y el oscilador. Para eliminar fuentes de error retiró todas las tuberías de gas y quemadores que había en la habitación y clavó en la pared opuesta al oscilador una hoja de cinc de 4 x 2 metros. La distancia entre el oscilador y la hoja metálica era de 13 metros. Para evitar la influencia del suelo situó el oscilador a una altura de 2,5 metros. Para poder hacer las observaciones a la misma altura montó un pasillo con las mesas y escritorios. Detectó rápidamente los nodos de la onda estacionaria que se formaba. En estos experimentos entró en sospechas de que había algo que no cuadraba y que podía haber cometido un error al calcular la frecuencia de oscilación. A partir de la posición de los nodos en estos experimentos dedujo la frecuencia de oscilación correcta con lo que obtuvo una velocidad de 290.000 km/s 7. “Las oscilaciones eléctricas tratadas según la teoría de Maxwell” – 1889 Hasta esos momentos Hertz se ha limitado a presentar todos los datos y resultados de sus experimentos sin preocuparse de la teoría. En este papel hace un estudio teórico para demostrar que la teoría de Maxwell es superior a todas y explica todos los hechos observados. En este trabajo intenta simplificar la complicada teoría de Maxwell eliminando muchas ideas auxiliares que no tienen significado alguno y sirven para enmarañar la ya por sí compleja teoría. Hay que indicar que en este trabajo teórico no utiliza las fórmulas de Maxwell tal como la conocemos hoy día con notación vectorial. Emplea las ecuaciones tal como las dedujo originalmente Maxwell, una ecuación independiente para cada eje. Demuestra matemáticamente que mientras está funcionando el oscilador entra y sale energía continuamente, pero en cada periodo de oscilación la energía que sale es superior a la que entra. Esto representa la energía perdida debida a la radiación. En este papel incluye un bello gráfico (Fig. 3) mostrando cómo se separa la energía electromagnética del oscilador y continúa su viaje por el espacio. Hertz finaliza su papel con las siguientes palabras: En nuestras investigaciones para explicar las observaciones por medio de la teoría de Maxwell no he conseguido eliminar todas las dificultades. No obstante, se ha encontrado que la teoría responde satisfactoriamente la mayoría de fenómenos; y debe reconocerse que esto no es poco. Pero si intentamos adaptar cualquier otra

teoría antigua a los fenómenos, nos encontramos desde el primer momento con incongruencias, a menos que reconciliemos estas teorías con las de Maxwell introduciendo el éter como dieléctrico y de la manera indicada por v. Helmholtz. 8. “La radiación eléctrica” – 1888 Este es el papel más famoso de Hertz. Su publicación ocasionó una auténtica conmoción en el mundo de la física. Hasta ahora se había limitado a demostrar que los dieléctricos juegan una parte en los fenómenos electromagnéticos y que las perturbaciones electromagnéticas viajan a una velocidad similar a la luz. En los experimentos que aparecen en este papel demuestra que las perturbaciones electromagnéticas siguen en todo momento las leyes de la óptica, de hecho, en los experimentos de Hertz estamos repitiendo los experimentos de Fresnel a una escala un millón de veces mayor. Una vez que Hertz se convenció que la acción de una oscilación eléctrica se propaga por el espacio como una onda pretendió concentrar su acción con un espejo parabólico, sin embargo fracasó debido a la relación entre la longitud de onda (= 4,7 metros) y las dimensiones del espejo que pudo alcanzar en la práctica. Para hacer estos experimentos tuvo que reducir la longitud de onda hasta una décima parte (= 33 cm) Con estas ondas y un espejo cilíndrico parabólico de 2 x 2 metros consiguió concentrar las ondas en un haz similar a un rayo. En el receptor usó un espejo similar. Los experimentos que hizo con este rayo fueron: Observación de sombras al interponer una plancha metálica entre ambos espejos; reducción de la intensidad (oscurecimiento) al cruzar una persona por el haz; observación de la difracción al colocar dos planchas metálicas, una a cada lado del haz, y acercarlas poco a poco hasta detener la acción; medición del ángulo de incidencia en los experimentos de reflexión; repetición de los experimentos ópticos de polarización con un marco de madera de 2 x 2 metros sobre el que se tendió una red de hilos paralelos separados por 3 cm.; reflexión del haz en la pantalla de hilos paralelos y confirmación de la analogía total con los experimentos de reflexión en una lámina de turmalina en óptica; refracción del haz en un gran prisma de asfalto (1,2 m de lado y 1,5 m de alto, con un peso de 550 kg.), midió una desviación de 22º, lo que resulta un índice de refracción de 1,69, el índice de refracción para la luz de los materiales similares está entre 1,5 y 1,6.

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La publicación de estos experimentos hizo exclamar a Lord Kelvin: … no me puedo referir a ese papel sin expresar la admiración y delicia con que veo las palabras “propagación rectilínea”, “polarización”, “reflexión”, “refracción”, que aparecen en el subtítulo. En los cincuenta y seis años que han pasado desde que Faraday ofendiera por primera vez a los físicos matemáticos con sus líneas de fuerza curvadas, muchos trabajadores y muchos pensadores han ayudado a construir la escuela del siglo XIX de plenum, un éter para la luz, el calor, la electricidad, el magnetismo; y los volúmenes alemanes e ingleses contienen los papeles eléctricos de Hertz, que se han dado al público en la última década del siglo, como un monumento permanente del espléndido logro que se ha alcanzado.

10. “Ecuaciones fundamentales del electromagnetismo en los cuerpos en reposo” – 1890

9. “Propagación de las ondas eléctricas por medio de hilos” – 1889

Antes de pasar a hablar de este trabajo y del siguiente será conveniente dar algunas definiciones generalmente poco conocidas en electricidad y que serán de ayuda al lector que lea este capítulo y el siguiente en la obra de Hertz Ondas Eléctricas: Conductor no isotrópico (anisótropo) Es un conductor cuyas propiedades eléctricas no son las mismas para todos los ejes (x, y, z). Conductor eolotrópico. Es un conductor no isotrópico que cada eje tiene propiedades eléctricas diferentes. Fuerza ponderomotriz. Es la fuerza que actúa sobre una partícula cargada situada en un campo electromagnético oscilante no homogéneo. Esta fuerza tiende a mover la partícula hacia el punto donde el campo es más débil sin influir el signo de la carga.

Se sabía desde hace tiempo que cuando fluye una corriente eléctrica continua por un hilo esta corriente circula por toda la sección del hilo, pero si la corriente es variable la autoinducción hace que se modifique la distribución de la corriente y tiende a concentrarla hacia el exterior. Pero cuando la corriente cambia varios millones de veces por segundo se confina a una película muy fina. En estos casos extremos es difícil aplicar las teorías antiguas, sin embargo la teoría de Maxwell lo explica sin dificultad. Hertz se propuso investigar lo que ocurre en el interior de un hilo por el que circula una onda electromagnética, y medir la profundidad que alcanza la corriente. Para examinar lo que ocurre en el interior tendió 24 hilos en paralelo que formaban una especie de tubo. Examinó el espacio interior con un aro pequeño y probó que no podía observar ninguna acción eléctrica en su interior. Después preparó tubos metálicos de diferente espesor, hasta llegar a un tubo de papel dorado, y en todos los casos no detectó nada en su interior. Llegó a probar un tubo de vidrio con un depósito electroquímico de plata de diferentes espesores. Pudo determinar que sólo comenzaba a detectar algo cuando la capa de plata era prácticamente transparente (un espesor inferior a una milésima de milímetro). Con este espesor tan mínimo debe pensarse más bien que las ondas se deslizan por el hilo, y circulan por el espacio inmediatamente próximo al hilo. Para demostrar esta suposición tendió dos hilos paralelos y en línea recta por donde envió las ondas. Sólo detectó la señal en el espacio entre los hilos y dedujo que la onda progresa por el espacio confinado entre los hilos.

Este papel, y el siguiente (11), son unos trabajos teóricos poco conocidos de Hertz. La intención es deducir a partir de las ecuaciones de Maxwell todos los efectos eléctricos y magnéticos conocidos en los cuerpos en reposo respecto al éter (equivale al reposo absoluto según la mecánica de Newton). Aunque estos trabajos son completamente originales de Hertz, no son los únicos en este campo. Otros investigadores habían trabajado también en el mismo tema y habían llegado a unos resultados similares (quien trabajó más en el tema fue Oliver Heaviside, que además fue el primero en presentar las ecuaciones en forma vectorial); Hertz tuvo conocimiento de estos trabajos con posterioridad, como menciona en su obra Ondas Eléctricas, y reconoce la prioridad de otras personas, no obstante, las ecuaciones simplificadas que dedujo reciben actualmente el nombre de ecuaciones de Hertz-Heaviside. En este trabajo establece y define las ideas fundamentales, y las ecuaciones que se relacionan con ellas. Después estudia la polarización eléctrica y magnética, la electricidad y magnetismo, la conservación de la energía y las fuerzas ponderomotrices con arreglo a estas ideas. En la segunda parte deduce todos los fenómenos a partir de las ideas fundamentales. En electrostática deduce la ley de Coulomb, en la distribución de corrientes continuas deduce la ley de Ohm y la Ley de Kirchhoff. Respecto a la fuerza magnética que establece una corriente eléctrica deduce la Ley de Ampere. En los fenómenos dinámicos deduce la ley de la inducción, la aparición de ondas transversales, y sus propiedades ópticas.

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11. “Ecuaciones fundamentales del electromagnetismo para los cuerpos en movimiento” – 1890 Este trabajo es la continuación lógica del anterior, en donde examinaba los cuerpos en reposo y no era necesario tener en cuenta el posible movimiento del éter, ya el cuerpo estaba inmóvil respecto al éter. En el caso de los cuerpos en movimiento respecto al éter surge la pregunta ¿la materia arrastra al éter en su movimiento, o el éter está siempre en reposo absoluto? Y en caso que el éter se mueva ¿se mueve el éter independientemente de la materia? Hertz se basó en este trabajo en la hipótesis de que los cuerpos en movimiento arrastran consigo al éter, aunque admite que entre sus experimentos no hay ninguno que pueda demostrar esta hipótesis. Hertz sólo pudo resolver completamente las ecuaciones electromagnéticas para unos pocos casos especiales. Entre estos casos especiales se encuentra la deducción teórica del experimento de Rowland (un disco metálico eléctricamente cargado genera un débil campo magnético al hacerlo girar). Termina su trabajo diciendo: La teoría nos muestra que podemos tratar por completo al fenómeno electromagnético en los cuerpos en movimiento, bajo ciertas limitaciones que hemos impuesto arbitrariamente. Es poco probable que estas restricciones correspondan a los hechos actuales del caso. La teoría correcta quizás debería distinguir entre las condiciones del éter en todos los puntos, y el éter embebido en la materia. Pero me parece que, para proponer actualmente una teoría en acuerdo con este punto de vista, deberíamos usar más hipótesis arbitrarias que las establecidas por la teoría. 12. “Acciones mecánicas de las ondas eléctricas” – 1891 Hertz sentía en su interior que todos los experimentos que había hecho se basaban en las mediciones de los efectos causados por la componente eléctrica de las ondas. En este papel expresa su esperanza de observar directamente la componente magnética de las ondas y establecer sin ningún género de dudas la existencia de nodos, ondas estacionarias, etc. Para ello prepara unos aparatos para medir directamente la fuerza mecánica causada por las ondas con la esperanza de diferenciar si estas fuerzas mecánicas estén causadas por la componente eléctrica o magnética. Para detectar la componente eléctrica construyó un tubo cilíndrico de oro de paredes muy delgadas, suspendido de un hilo de seda, un imán lo

mantenía en su posición. Cerca del tubo se encontraban dos hilos por los que pasaban las ondas. Todo este conjunto estaba encerrado dentro de una caja de vidrio. Situando este instrumento entre dos hilos rectos y paralelos pudo medir la intensidad de la onda estacionaria en ellos y dibujar en un papel una curva senoidal. Para detectar la fuerza magnética sustituyó el cilindro de oro por un bucle de aluminio. Al repetir con él los mismos experimentos que había hecho con el tubo de pan de oro observó que el anillo seguía desviándose en los nodos, donde el tubo no se desviaba en absoluto. Con esto concluye que el anillo se ve sujeto a la acción de los efectos de dos fuerzas. Junto a la oscilación eléctrica se encuentra otra oscilación de otro tipo, pero sus puntos nodales no coinciden, y la dirección entre ellas es perpendicular. Conclusión Los experimentos que Heinrich Hertz llevó a cabo entre 1887 y 1891 marcaron una época. Fue el triunfo de las ideas basadas en la existencia de un éter. Se estableció como prioritario resolver todos los problemas planteados con el éter. El primero era establecer la mecánica del éter, ¿un fluido “perfecto” o un sólido “elástico”? El segundo era resolver si el éter es arrastrado por los cuerpos en movimiento o si está siempre en reposo. Los numerosos esfuerzos dedicados por las principales figuras de la física teórica llegaron siempre a un callejón sin salida, o a resultados absurdos. H. A. Lorentz resolvió el problema de los cuerpos cargados en movimiento añadiendo las siguientes hipótesis: 1.- El éter siempre está inmóvil. 2.- la electricidad se compone de pequeñas partículas cargadas. 3.- La zona de influencia de las cargas que se mueven se aplasta en la dirección de movimiento según la relación √1 – (v/c)2 (transformaciones de Lorentz). Los resultados más notables de las teorías de Lorentz fueron: la predicción del efecto Zeeman, que se observó en 1896; y la existencia de las partículas eléctricas (electrones), que se confirmó experimentalmente en 1897. Sin embargo esta teoría llevó a un callejón sin salida: el éter en reposo absoluto, tal como predecían las ecuaciones de Lorentz, dejaría de influir por completo en las fuerzas electromagnéticas, y de hecho sería completamente indetectable. Todas estas contradicciones serían resueltas finalmente por Albert Einstein y su

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teoría de la relatividad. En su trabajo ya clásico “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento” Einstein llega a las transformaciones de Lorentz cuestionando tan sólo el concepto de simultaneidad y la noción de espacio y tiempo absolutos, sin emplear para nada la noción del éter. Si el éter está completamente inmóvil, no interviene para nada en ningún proceso, y por consiguiente es completamente indetectable, ¿por qué seguir manteniéndolo?

eléctricas Sin embargo, las vibraciones de un “transformador” o telégrafo son demasiado lentas; tomemos, por ejemplo, mil por segundo, que es una cifra elevada, la longitud de onda en el éter sería de 300 km, y la longitud focal del espejo debía tener la misma magnitud. Si pudiera construir un espejo tan grande como un continente, tendría éxito en sus experimentos pero no es practicable conseguir algo con los espejos normales, ya que no se observará el menor efecto.

Desde la perspectiva de nuestra sociedad tecnológica se tiende a ver a Hertz como la figura que dio origen a la radio y a las comunicaciones inalámbricas. Pero como acabamos esta es una perspectiva errónea, Hertz no pensaba en absoluto en un nuevo sistema de comunicaciones. En una carta que se conserva en el Deutsche Museum de Munich, Hertz responde a un tal Huber que le había preguntado sobre la posible aplicación de las ondas eléctricas a las comunicaciones. La respuesta que da Hertz es:

Es evidente que Hertz ha entendido que se trata de trabajar directamente con las oscilaciones de las comunicaciones telegráficas de alta velocidad (100 ppm). Hasta unos diez años más tarde no se pensó en usar una portadora de una frecuencia más elevada. Sin embargo los trabajos de Hertz fueron reconocidos inmediatamente en todo el mundo como uno de los logros más importantes del siglo XIX ya que establecían un nuevo modo de mirar el electromagnetismo y la física gracias a unos a uno de los trabajos experimentales más espectaculares de la historia de la ciencia, y que demostraron por primera vez, y sin ningún género de duda, que una rama de la física no seguía las ideas de Newton.

Las líneas magnéticas de fuerza se pueden propagar al igual que las eléctricas, como rayos, si sus vibraciones son lo suficiente rápidas; en este caso pueden avanzar juntas, y los rayos y ondas con que he trabajado en mis experimentos pueden designarse tanto magnéticas como

La sala de Conferencias del Instituto de Física de Karlsruhe, con los aparatos que usó Hertz para sus famosos experimentos.

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