Las ondas electromagnéticas (EM) zumban a su 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 a impulsar la tecnología humana dentro y más allá de un territorio previamente inexplorado, a menudo de manera dramática. Sin embargo, solo una pequeña fracción de las ondas EM 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, generalmente cosas grandes y visibles que se mueven), las ecuaciones de el electromagnetismo parece familiar, solo con diferentes variables.
Para comprender mejor los campos electromagnéticos y las ondas, debe tener un conocimiento básico de las ecuaciones de Maxwell, derivado por James Clerk Maxwell en la segunda mitad del siglo XIX. Estas ecuaciones, de las cuales se deriva la solución general para las ondas EM, describen la relación entre la electricidad y el magnetismo. Al final, también debe comprender lo que significa "ser" una onda: cómo estas Las ecuaciones de Maxwell formalizan la relación entre electricidad y magnetismo y describen todos esos fenómenos. Partiendo del trabajo de físicos como Carl Gauss, Michael Faraday y Charles-Augustin de Coulomb, Maxwell descubrió que las ecuaciones producidas por estos científicos en relación con los campos eléctricos y magnéticos eran fundamentalmente sólidas, pero imperfectas. Si usted ' 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 bajo una curva en un gráfico al sumar cortes increíblemente pequeños 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 sobre este tema vital. La primera ecuación de Maxwell es derivado de la ley de Gauss para 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, ρ La segunda ecuación de Maxwell es la ley de Gauss para el magnetismo, en la que , a diferencia del caso de los campos eléctricos, no existe una "carga magnética puntual" o un monopolar magnético . En cambio, las líneas de 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 sean dipolares. La ley establece en efecto que cada línea de un campo magnético B La tercera ecuación de Maxwell (ley de inducción magnética de Faraday) describe cómo un campo eléctrico es creado por un cambio de campo magnético 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 un campo magnético no constante La cuarta ecuación de Maxwell (la ley de Ampere-Maxwell) es la fuente. para los demás, la corrección de Maxwell ante la incapacidad de Ampere de dar cuenta de las corrientes no estables se extendió a través de las otras tres ecuaciones con factores de corrección propios. La ecuación se deriva de la ley de Ampere y describe cómo se genera un campo magnético por una corriente (carga móvil), un campo magnético cambiante o ambos. Aquí, μ Una vez que Maxwell formalizó su comprensión de la electricidad y el magnetismo con sus ecuaciones, buscó varias soluciones a las ecuaciones que podrían describir nuevos fenómenos. Dado que un campo eléctrico cambiante genera un campo magnético y un cambio cambiante. El campo magnético genera un campo eléctrico, Maxwell determinó que podría generarse una onda electromagnética autopropagante. 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 condujo 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. otro. Las ondas tienen una longitud de onda, período y frecuencia asociados con ellas. La velocidad v La unidad SI de longitud de onda es el medidor, 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) o hertz Para el caso de una onda EM, a diferencia de la situación con ondas mecánicas, v La ecuación para una onda es y \u003d A sin (kx - ωt), donde A ω es la frecuencia angular 2π /T. Una onda electromagnética consiste en una onda de campo eléctrico ( E Dado que la radiación electromagnética actúa como una onda, cualquier onda electromagnética en particular tendrá una frecuencia y longitud de onda asociadas. Otra restricción es que, dado que la velocidad de las ondas electromagnéticas se fija en c \u003d 3 × 10 8 m /s, la velocidad a la que la luz viaja 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 EM no requieren un medio como el agua o el gas para propagarse; ¡por lo tanto, pueden atravesar el vacío del espacio vacío en sí a la velocidad más rápida en todo el universo! Las ondas electromagnéticas se producen a través de un enorme rango de frecuencias y longitudes de onda. Comenzando con baja frecuencia (energía más baja) y, por lo tanto, con una longitud de onda más larga, los diversos tipos de radiación EM son: Porque 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 (llamada fotón Una corriente constante produce un magnético constante campo, 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 los 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 propaga a sí mismo 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. Las personas a menudo confunden estos dos tipos de ondas simplemente porque están muy familiarizadas con escuchar la radio. Pero las ondas de radio son, como ahora sabe, 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 en el movimiento de un altavoz, que produce ondas de sonido, que son ondas longitudinales Un fenómeno llamado cambio de frecuencia Doppler en la radiación EM permite a los astrofísicos saber si los objetos en el espacio se están moviendo hacia nosotros o lejos de nosotros, porque un objeto estacionario que emite ondas EM mostrará un patrón diferente al que se está moviendo, relativo a un observador fijo. Una técnica llamada espectroscopía permite a los químicos determinar la composición de los gases. La atmósfera de la Tierra protege la biosfera de la radiación ultravioleta más dañina y otras radiaciones de mayor energía, como los rayos gamma. Los hornos de 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.
ondas particulares son un poco diferentes.
Las ecuaciones de Maxwell
\\ nabla \\ cdot \\ mathbf {E} \u003d \\ frac {\\ rho} {\\ varepsilon_0}
es la densidad de carga por unidad de volumen y ε
0 es la permitividad eléctrica del espacio libre
.
ingresa a un elegido el volumen 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.
.
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 cable J
cambia con esa corriente y con el campo eléctrico E
.
Implicaciones de las ecuaciones de Maxwell
Propiedades de las ondas
de una onda es su longitud de onda λ
veces su frecuencia f
, o λf \u003d v.
(Hz), después de Heinrich Hertz. El período T
de una onda es el tiempo que se tarda en completar un ciclo, o 1 /f.
es constante en todas las situaciones, lo que significa que λ
varía inversamente
con f
. Es decir, las frecuencias más altas implican longitudes de onda más cortas para un determinado v
. "Alta frecuencia" también implica "alta energía"; es decir, la energía electromagnética E
en julios (J) es proporcional a f
, a través de un factor llamado constante de Planck h
(\u003d 6.62607 × 10 - 34 J).
es amplitud, x
es el desplazamiento a lo largo del eje x, k
es el número de onda 2π /k, y
¿Qué son las ondas electromagnéticas?
) que oscila en un plano perpendicular (en ángulo recto) a un onda del campo magnético ( B
). Si se imagina a sí mismo como una pared de ondas EM ("propagándose") a través de un piso nivelado, el componente de onda E
oscila en un plano vertical a través de su cuerpo y la onda B
oscila dentro del piso horizontal.
El espectro electromagnético
Dualidad onda-partícula
) cuando se mide como tal, decimos que tiene dualidad de onda de partículas.
¿Cómo se producen las ondas electromagnéticas?
¿En qué se diferencian las ondas de radio de las ondas de sonido?
en el aire (como las de un estanque después de que una roca arrojada lo haya perturbado).
Ejemplos cotidianos de ondas electromagnéticas
