El principio de Huygens-Fresnel
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Si has leído nuestro anterior artículo, base científica de la comunicación inalámbrica, en el punto donde hablamos de la propagación de las señales de radio, comentamos que las trayectorias eran una simplificación y que en un futuro artículo profundizaríamos más. Pues aquí estamos.
El principio de Huygens
Christiaan Huygens y Augustin Fresnel fueron 2 físicos, Holandés y Francés, gracias a los cuales debemos buena parte de los descubrimientos sobre trayectorias de fenómenos ópticos, aplicables a las señales de radio, porque, al igual que la luz visible, las ondas de radio son una radiación electromagnética. La historia fue más o menos así:
Corría el año 1678, cuando Huygens comunicaba por primera vez su teoría ondulatoria en la Real Academia de la Ciencia de París. Años más tarde, en 1690, publicaba Traité de la lumière, (puedes leer el libro original en Google Books) donde explicaba una gran cantidad de propiedades de la luz:
- que la luz era finita
- que viajaba a una gran velocidad constante
- que se propagaba hacia adelante en trayectoria rectilínea de forma similar al sonido
- que este viaje lo hacía dentro de un medio llamado éter
- que presentaba fenómenos como la reflexión y refracción
La publicación del tratado y sus experimentos, sirvieron para establecer el principio de Huygens:
«Cada punto de un frente de onda puede ser considerado como fuente secundaria de ondas que se expanden en todas direcciones con una velocidad igual a la velocidad de propagación de la onda primaria.»
Para ilustrarlo, podemos visualizar una gota cayendo en la superficie en calma de un líquido, la vibración originada en el punto de contacto se transmite por la superficie en todas direcciones. Si en su propagación, encuentra otras partículas en el líquido, éstas también vibrarán con la energía recibida, creando nuevas ondas que también se propagarán en todas direcciones.
La contribución de Fresnel
La verdad es que Huygens lo hizo bastante bien, su modelo explicaba muchas propiedades desde una aproximación simple, pero en su tiempo fue fuertemente discutido, pues un tal Isaac Newton era el rey de las teorías sobre la luz con su modelo corpuscular.
Tuvieron que pasar más de 100 años, para que en 1818, Fresnel apuntalara el principio de Huygens, llegando a la conclusión, gracias a experimentos y ensayos, de que la luz era una onda transversal. Añadió supuestos sobre la fase y amplitud de las ondas secundarias, y también un factor de inclinación, lo que explicaba fenómenos como la difracción.
Gracias a su contribución, con el tiempo el principio se denominó de Huygens-Fresnel, y fue crucial para el avance de la óptica física, explicando muchos de los aspectos de la propagación de la luz, desde un punto de vista clásico.
No fue hasta el siglo XX cuando se produjo el desenlace: la Teoría Cuántica unió las dos naturalezas de la luz, la ondulatoria y la corpuscular. Newton, Huygens y Fresnel se dieron la mano.
La trayectoria de las ondas
Con la visión de Huygens y Fresnel podemos comprender mejor la forma de propagarse de las ondas electromagnéticas.
El principio de Huygens establece que todo punto sobre determinado frente de onda esférico se puede considerar como una fuente puntual de ondas electromagnéticas, desde la cual nacen y se alejan otras ondas secundarias.
Si emitimos con una fuente puntual, el frente de onda es una esfera y las ondas se propagan en todas direcciones:
A una distancia suficiente grande de la fuente comparada con la longitud de onda de la señal, si nos fijamos en una pequeña parte del espacio, veríamos los rayos propagarse como un frente de onda casi paralelo:
¿Qué podemos deducir de este frente de ondas de esta pequeña región del espacio?
- Está formado por una serie de rayos (r1, r2, r3…), que son líneas trazadas a lo largo de la dirección de propagación.
- Cada rayo está formado por infinitos puntos que irradian energía en todas direcciones (flechas en rojo de la imagen, hemos puesto sólo 2 por simplificar, aunque hay infinitas).
- Sin embargo, sólo la dirección de avance inicial permanece (flecha en negro en la imagen), porque todas las ondas secundarias se anulan entre ellas.
Los conceptos de rayos y frentes de onda son auxiliares, para ilustrar la propagación de las ondas electromagnéticas a través del espacio vacío.
Cuando una superficie es plana, su frente de onda es perpendicular a la dirección de propagación y sigue el esquema que hemos visto. Sin embargo, cuanto el frente de onda está más cerca está de su fuente de emisión, la trayectoria se vuelve más complicada.
Hemos supuesto que emitimos con una fuente puntual, en 360º, ¿y si el diseño de la antena es otro? Por ejemplo, si tenemos una parabólica, la antena más comun en los radioenlaces, el frente de onda se propagará cerca de la fuente como un haz de rayos concentrado y muy direccional:
Como ves, gracias al principio de Huygens-Fresnel y analizando regiones concretas del espacio, se pudo entender cómo se propagaban las ondas, de una forma aproximada, porque la trayectoria real es muy complicada de calcular y se necesita de otra visión más realista (Leyes de Maxwell), pero fue un enfoque muy válido para explicar muchos de los fenómenos que se observaron en la luz y no se sabía por qué sucedían.
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Fuentes:
- Traité de la Lumière – Christiaan Huygens
- El Tratado sobre la Luz de Huygens y su transposición didáctica en la enseñanza introductoria de Óptica – Sonia Krapas
- Electronic Communications Systems – Wayne Tomasi
