Ondas electromagnéticas: qué son y cómo se producen (con ejemplos)

Las ondas electromagnéticas (EM) zumban a tu alrededor en todo momento, y su estudio representa un área crucial de la física. Comprender, clasificar y describir las diversas formas de radiación electromagnética ha ayudado a la NASA y otras entidades científicas empujan la tecnología humana hacia y más allá de un territorio previamente inexplorado, a menudo en forma dramática formas. Sin embargo, solo una pequeña fracción de las ondas electromagnéticas son visibles para el ojo humano.

En física, una cierta cantidad de matemáticas es inevitable. Pero lo bueno de las ciencias físicas es que las matemáticas tienden a ser lógicamente "ordenadas", es decir, una vez que estás familiarizado con las ecuaciones básicas. de la mecánica clásica (es decir, cosas generalmente grandes y visibles que se mueven), las ecuaciones del electromagnetismo parecen familiares, solo que con diferentes variables.

Para comprender mejor los campos y ondas electromagnéticos, debe tener un conocimiento básico de las ecuaciones de Maxwell, derivadas por James Clerk Maxwell en la segunda mitad del siglo XIX. Estas ecuaciones, de las que se deriva la solución general para las ondas EM, describen la relación entre la electricidad y el magnetismo. Al final, también deberías comprender lo que significa "ser" una ola: cómo

Las ecuaciones de Maxwell formalizan la relación entre la electricidad y el magnetismo y describen todos esos fenómenos. Sobre la base del trabajo de físicos como Carl Gauss, Michael Faraday y Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell descubrió que las ecuaciones producidas por estos científicos que relacionan los campos eléctricos y magnéticos eran fundamentalmente sólidas, pero imperfecto.

Si no está familiarizado con el cálculo, no se desanime. Puedes seguirlo bastante bien sin resolver nada. Solo recuerde que la integración no es más que una forma inteligente de encontrar el área debajo de una curva en un gráfico sumando porciones increíblemente pequeñas de esa curva. Además, aunque las variables y los términos pueden no significar mucho al principio, se referirá a ellos repetidamente a lo largo del artículo a medida que las "luces" continúen iluminándose para usted sobre este tema vital.

​Primera ecuación de Maxwellse deriva deLey de Gausspara campos eléctricos, que establece que el flujo eléctrico neto a través de una superficie cerrada (como el exterior de una esfera) es proporcional a la carga interior:

Aquí, el triángulo invertido ("nabla" o "del") representa un operador de gradiente tridimensional,ρes la densidad de carga por unidad de volumen yε​₀ es el electricopermitividad de espacio libre​.

​Segunda ecuación de Maxwelles la ley de Gauss para el magnetismo, en la que, a diferencia del caso de los campos eléctricos, no existe una "carga magnética puntual"monopolo magnético. En cambio, las líneas del campo magnético aparecen como bucles cerrados. El flujo magnético neto a través de una superficie cerrada siempre será 0, lo que resulta directamente de que los campos magnéticos son dipolares.

La ley establece, en efecto, que toda línea de un campo magnéticoBentrar en un volumen elegido en el espacio debe salir de ese volumen en algún punto, y ese es el siguiente flujo magnético a través de la superficie, por lo tanto, es cero.

​Tercera ecuación de Maxwell(Ley de inducción magnética de Faraday) describe cómo un campo eléctrico es creado por un campo magnético cambiante. La divertida "∂" significa "derivada parcial" e implica fluctuación. Dejando a un lado los símbolos extraños, la relación muestra que un cambio en el flujo eléctrico resulta y obliga a unano constantecampo magnético.

​Cuarta ecuación de Maxwell(la ley de Ampere-Maxwell) es la fuente para los demás, para la corrección de Maxwell al fracaso de Ampere en tener en cuenta las corrientes no estables onduladas a través de las otras tres ecuaciones con factores de corrección de su propio. La ecuación se deriva de la ley de Ampere y describe cómo un campo magnético es generado por una corriente (carga en movimiento), un campo magnético cambiante o ambos.

Aquí,μ​₀ es la permeabilidad del espacio libre. La ecuación muestra cómo el campo magnético dentro de un área dada alrededor de la corriente en un cableJcambia con esa corriente y con el campo eléctricomi​.

Una vez que Maxwell había formalizado su comprensión de la electricidad y el magnetismo con sus ecuaciones, buscó varias soluciones a las ecuaciones que pudieran describir nuevos fenómenos.

Dado que un campo eléctrico cambiante genera un campo magnético y un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico, Maxwell determinó que una onda electromagnética autopropagada podría ser generado. Usando sus ecuaciones, determinó que la velocidad de tal onda tendría una velocidad igual a la velocidad de la luz. Esto resultó no ser una coincidencia y llevó al descubrimiento de que la luz es una forma de radiación electromagnética.

En general, las ondas son oscilaciones en un medio que transfieren energía de un lugar a otro. Las ondas tienen una longitud de onda, un período y una frecuencia asociados. La velocidadvde una ola es su longitud de ondaλveces su frecuenciaF, o λf = v.

La unidad SI de longitud de onda es el metro, aunque los nanómetros se encuentran con mayor frecuencia porque son más convenientes para el espectro visible. La frecuencia se mide en ciclos por segundo (s^-1) ohercios(Hz), después de Heinrich Hertz. El períodoTde una ola es el tiempo que se tarda en completar un ciclo, o 1 / f.

Para el caso de una onda EM, a diferencia de la situación con ondas mecánicas,ves constante en todas las situaciones, lo que significa queλvaríainversamenteconF. Es decir, las frecuencias más altas implican longitudes de onda más cortas para un determinadov. "Alta frecuencia" también implica "alta energía"; es decir, energía electromagnéticamien julios (J) es proporcional aF, a través de un factor llamado constante de Planckh​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• La ecuación de una onda esy = A sin (kx - ωt), dóndeAes amplitud,Xes el desplazamiento a lo largo del eje x,kes el número de onda 2π / k, y

​ω​

es la frecuencia angular 2π / T.

Una onda electromagnética consta de un campo eléctrico (mi) onda que oscila en un plano perpendicular (en ángulo recto) a un campo magnético (B) onda. Si te imaginas a ti mismo como un muro de ondas electromagnéticas ("propagándose") por un piso nivelado, elmiEl componente de onda oscila en un plano vertical a través de su cuerpo y elBonda oscila dentro del piso horizontal.

Dado que la radiación electromagnética actúa como una onda, cualquier onda electromagnética en particular tendrá una frecuencia y una longitud de onda asociadas. Otra restricción es que, dado que la velocidad de las ondas electromagnéticas se fija en c = 3 × 10⁸ m / s, la velocidad a la que viaja la luz en el vacío (también se usa para la velocidad de la luz en el aire para aproximaciones cercanas). Por lo tanto, una frecuencia más baja se asocia con longitudes de onda más largas y viceversa.

Las ondas electromagnéticas no requieren un medio como agua o gas a través del cual propagarse; por tanto, ¡pueden atravesar el vacío del propio espacio vacío a la velocidad más rápida de todo el universo!

Las ondas electromagnéticas se producen en una enorme gama de frecuencias y longitudes de onda. Comenzando con baja frecuencia (menor energía) y, por lo tanto, mayor longitud de onda, los diversos tipos de radiación EM son:

• ​Ondas de radio(alrededor de 1 my más): la radiación EM de radiofrecuencia se extiende entre 20.000 y 300.000 millones de Hz. Estos "vuelan" no solo alrededor del mundo pero en lo profundo del espacio, y su aprovechamiento por Marconi a principios del siglo XX revolucionó el mundo de los humanos. comunicación.
• ​Microondas(alrededor de 1 mm a 1 m): Estos también pueden penetrar en el espacio, pero son útiles en aplicaciones meteorológicas porque también pueden penetrar en las nubes.
• ​Ondas infrarrojas(700 nm a 1 mm): la radiación infrarroja, o "luz infrarroja", es el material de las gafas de "visión nocturna" y otros equipos de mejora visual.
• ​Luz visible(400 nm a 700 nm): las ondas de luz en el espectro visible abarcan una pequeña fracción del rango de frecuencia y longitud de onda de las ondas electromagnéticas. Tus ojos, después de todo, son el producto bastante conservador de lo que la naturaleza necesita que recolecten para la supervivencia diaria.
• ​Luz ultravioleta(10 nm a 400 nm): la radiación ultravioleta es lo que causa las quemaduras solares y probablemente también las neoplasias malignas de la piel. Sin embargo, las camas de bronceado no existirían sin él.
• ​Rayos X(aproximadamente 0,01 nm a 10 nm): esta radiación de mayor energía es una ayuda de diagnóstico increíble en medicina, pero esto debe equilibrarse con su potencial para causar daño físico a sí mismos en niveles superiores. exposiciones.
• ​Rayos gamma(<0.01 nm): Como era de esperar, esta es una radiación de muy alta energía y, por lo tanto, potencialmente letal. Si no fuera porque la atmósfera de la Tierra bloquea la mayor parte de ella, la vida en su forma actual no habría podido ponerse en marcha hace miles de millones de años. Se utilizan para tratar tumores especialmente agresivos.

Debido a que la radiación electromagnética tiene las propiedades de una onda y actuará como una onda cuando se mide como tal, pero también actúa como una partícula (llamadafotón) cuando se mide como tal, decimos que tiene dualidad partícula-onda.

Una corriente constante produce un campo magnético constante, mientras que una corriente cambiante induce un campo magnético cambiante. Si el cambio es constante y cíclico, se dice que las ondas (y los campos asociados) oscilan o "se mueven" rápidamente de un lado a otro en un plano.

El mismo principio esencial funciona a la inversa: un campo magnético oscilante induce un campo eléctrico oscilante.

Las ondas electromagnéticas resultan de esta interacción entre campos eléctricos y magnéticos. Si una carga se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo de un cable, crea un campo eléctrico cambiante, que a su vez crea un campo magnético cambiante, que luego se autopropaga como una onda EM, capaz de emitir fotones. Esta es una instancia de dos ondas transversales (y campos) que se cruzan entre sí para formar otra onda transversal.

• Los átomos y las moléculas pueden absorber y emitir frecuencias específicas de radiación electromagnética consistentes con sus niveles de energía cuantificados asociados.

La gente a menudo confunde estos dos tipos de ondas simplemente porque están muy familiarizados con escuchar la radio. Pero las ondas de radio son, como saben ahora, una forma de radiación electromagnética. Viajan a la velocidad de la luz y transmiten información desde la estación de radio a su radio. Sin embargo, esa información se convierte luego en el movimiento de un altavoz, que produce ondas de sonido, que sonlongitudinalondas en el aire (como las de un estanque después de haber sido perturbado por una piedra arrojada).

• Las ondas sonoras viajan a aproximadamente 343 m / s en el aire, que es mucho más lento que las ondas de radio, y requieren un medio a través del cual viajar.

Un fenómeno llamado cambio de frecuencia Doppler en la radiación EM permite a los astrofísicos saber si los objetos en el espacio se mueven hacia nosotros o hacia nosotros. lejos de nosotros, porque un objeto estacionario que emite ondas EM mostrará un patrón diferente al que se está moviendo, en relación con un observador fijo.

Una técnica llamada espectroscopia permite a los químicos determinar la composición de los gases. La atmósfera de la Tierra protege a la biosfera de la radiación ultravioleta más dañina y de otras radiaciones de mayor energía, como los rayos gamma. Los hornos microondas para cocinar alimentos han permitido a los estudiantes universitarios preparar comidas en sus dormitorios. Las señales de teléfonos celulares y GPS son una adición relativamente reciente pero ya crítica a la lista de tecnologías que dependen de la energía EM.