Ondas electromagnéticas

Una onda es una perturbación dinámica que se propaga (cambio del equilibrio) de una o más cantidades que se describe comúnmente mediante una ecuación de onda en física, matemáticas y temas relacionados. Las ondas electromagnéticas son una mezcla de ondas de campo eléctrico y magnético producidas por cargas en movimiento. El origen de todas las ondas electromagnéticas es una partícula cargada. Esta partícula cargada genera un campo eléctrico (que puede ejercer una fuerza sobre otras partículas cargadas cercanas). Cuando una partícula cargada se acelera como parte de un movimiento oscilatorio (como lo predicen las ecuaciones de Maxwell), provoca ondas u oscilaciones en su campo eléctrico, así como un campo magnético. Miremos más de cerca. ¡El concepto de ondas electromagnéticas!

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Las ondas electromagnéticas (EM) son ondas que están relacionadas tanto con la electricidad como con el magnetismo. Estas ondas viajan por el espacio y están formadas por campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo.

Cuando los campos eléctricos y magnéticos interactúan y cambian con el tiempo, se producen ondas electromagnéticas. Estas ondas, que están vinculadas a la electricidad y el magnetismo, casi con seguridad viajarían más allá del espacio.

Las ecuaciones electromagnéticas se obtienen utilizando las ecuaciones de Maxwell. Estas ondas EM, según Maxwell, tienen una amplia gama de propiedades únicas que se pueden aplicar a una variedad de propósitos. Las ondas electromagnéticas son los campos eléctricos y magnéticos que cambian temporalmente y que fluyen a través del espacio.

El campo magnético varía con el tiempo y da lugar al campo eléctrico; el campo eléctrico cambia con el tiempo y da lugar nuevamente al campo magnético, y así sucesivamente. Cuando los campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo se acoplan y se propagan juntos en el espacio, se forman ondas electromagnéticas.

El campo magnético, como el campo eléctrico, es una onda sinusoidal, excepto que va en la dirección opuesta. Ambos campos (eléctrico y magnético) generan campos electromagnéticos. Cuando el campo eléctrico está a lo largo del eje x y el campo magnético está a lo largo del eje y, la onda se propaga en el eje z. La dirección de propagación de las ondas y los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí.

Formación de ondas electromagnéticas. 

En general, una partícula cargada genera un campo eléctrico. Otras partículas cargadas son empujadas por este campo eléctrico. Las cargas negativas aceleran en la dirección opuesta del campo, mientras que las cargas positivas aceleran en la dirección del campo. El campo magnético es creado por una partícula cargada que viaja. Otras partículas en movimiento son empujadas por este campo magnético. Debido a que la fuerza que actúa sobre estas cargas siempre es perpendicular a su movimiento, solo influye en la dirección de la velocidad, no en su rapidez.

Como resultado, el campo electromagnético es creado por una partícula cargada en aceleración. Los campos eléctricos y magnéticos que viajan a la velocidad de la luz c a través del espacio abierto se conocen como ondas electromagnéticas. Se considera que una partícula cargada está acelerando cuando oscila alrededor de un lugar de equilibrio. La partícula cargada produce una onda electromagnética de frecuencia f si su frecuencia de oscilación es f. La longitud de onda λ de esta onda se puede determinar usando la fórmula λ = c/f. Las ondas electromagnéticas son una especie de transferencia de energía basada en el espacio.

Fuentes de Onda Electromagnética (EM)

• Las ondas electromagnéticas se crean cuando las partículas cargadas eléctricamente vibran. La vibración del campo eléctrico asociado con la carga acelerada produce un campo magnético oscilante. Estos campos eléctricos y magnéticos vibrantes producen ondas electromagnéticas.
• Cuando la carga está en reposo, el campo eléctrico asociado a ella también es estático. Como resultado, debido a que el campo eléctrico no cambia con el tiempo, no se generan ondas EM.
• Una carga que viaja a velocidad uniforme no tiene aceleración. Debido a que el cambio en el campo eléctrico con el tiempo también es constante, no se generarían ondas electromagnéticas. Esto ilustra que la única forma de generar ondas EM es acelerar las cargas.
• Considere el caso de una partícula de carga oscilante. Tiene un campo eléctrico oscilante que crea un campo magnético oscilante. Luego, el campo magnético oscilante genera un campo eléctrico oscilante, y así sucesivamente.
• La propagación de la onda = la regeneración de campos eléctricos y magnéticos.
• Todos estos eventos están contenidos en una onda electromagnética. También vale la pena señalar que la frecuencia de una onda EM siempre es igual a la de la partícula oscilante que la produce.

Naturaleza de las ondas electromagnéticas

• Las ondas transversales son ondas electromagnéticas. La perturbación o desplazamiento en el medio causado por ondas transversales es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. En tal onda, las partículas del medio viajan en un camino perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
• Los campos eléctrico y magnético serán perpendiculares a una onda EM que se propaga a lo largo del eje x. Cuando la propagación de la onda es paralela al eje x, el campo eléctrico es paralelo al eje y, y el campo magnético es paralelo al eje z.
• En la naturaleza, las ondas electromagnéticas son claramente ondas transversales. El campo eléctrico de una onda EM ahora es proporcionado por,

E _y = E ₀ sen(kx-ωt )

donde, E _y es el eje x que representa la propagación de la onda, mientras que el eje y representa el campo eléctrico.

• La siguiente fórmula se utiliza para calcular el número de onda :

k = (2π/ωt)

• El campo magnético de una onda electromagnética es creado por,

B _z = B ₀ sin( kx-ωt )

donde, B _z es el campo eléctrico a lo largo del eje z, mientras que la dirección de propagación de la onda es x.

B ₀ = (E ₀ /c)

Aquí, hacemos algunas observaciones de ondas electromagnéticas. En el espacio libre o en el vacío, son oscilaciones de campo magnético y eléctrico autosostenidas. Las vibraciones de los campos eléctrico y magnético son diferentes a cualquier otra onda que hayamos visto hasta ahora en el sentido de que no hay un medio material involucrado. Las ondas longitudinales de compresión y rarefacción son ondas de compresión y rarefacción en el aire. Un sólido rígido resistente al corte también puede propagar ondas elásticas transversales (sonoras). 

Energía de las ondas electromagnéticas

• Las ondas EM llevan energía con ellas a medida que se mueven. Como resultado de esta característica, tienen una amplia gama de usos en nuestra vida diaria. La energía de una onda EM es transportada en parte por un campo eléctrico y en parte por un campo magnético.
• La energía total almacenada por unidad de volumen en una onda EM se calcula como,

E _T = Por unidad de volumen se almacena energía de campo eléctrico + energía de campo magnético almacenada por unidad de volumen

E _T = (1/2)(E ² ε ₀ ) + (1/2)(B ² μ ₀ )

• Experimentalmente se ha descubierto que,

Velocidad de una onda EM = Velocidad de la luz

E _T = (1/2)(E ² ε ₀ ) + (1/2)(E ² /c ² μ ₀ )

• ecuaciones de Maxwell-

E _T = (1/2)(E ² ε ₀ ) + (1/2)(E ² μ ₀ ε ₀ )

mi _T = mi ² ε ₀

Representación Matemática de Onda Electromagnética 

Es un avión del que estamos hablando. En la dirección x, la forma de una onda electromagnética es

E(x, t) = E _máx cos(kx – ωt + φ)

B(x, t) = B _máx cos(kx – ωt + φ)

dónde,

• E = vector de campo eléctrico en una onda electromagnética,
• B = vector de campo magnético en una onda electromagnética.

Maxwell fue el primero en visualizar las radiaciones electromagnéticas, mientras que Hertz fue el primero en confirmar experimentalmente la presencia de una onda electromagnética. La dirección de propagación de una onda electromagnética está determinada por el producto vectorial de los campos eléctrico y magnético. Está escrito así:

Características de las ondas EM

• La velocidad de las ondas EM en el espacio abierto o en el vacío es una constante fundamental. En los experimentos, se descubrió que la velocidad de las ondas EM era la misma que la velocidad de la luz. (c = 3 × 10 ⁸ m/s). c es una constante básica definida como sigue:

c = 1/√μ ₀ ε ₀

• Las ondas EM requieren campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo para propagarse. Las ondas electromagnéticas transmiten energía y velocidad.
• E _T =E ² ε ₀ es la energía total almacenada por unidad de volumen en ondas EM (en parte transportada por un campo eléctrico y en parte por un campo magnético). Este es un elemento vital para las aplicaciones prácticas de las ondas EM, ya que transportan tanto energía como impulso.
• Las ondas EM se utilizan en la comunicación, como en la comunicación de voz por teléfono celular.
• Las ondas electromagnéticas (ondas EM) aplican presión. Debido a que transportan energía e impulso, ejercen presión. La fuerza ejercida por las ondas electromagnéticas se conoce como presión de radiación.
• La forma de luz solar que recibimos del sol, por ejemplo, son los rayos de luz visible. Estos haces de luz están incluidos en las ondas EM. Nuestra mano se calentará y sudará si las dejamos mucho tiempo al sol. Debido a que la luz solar se transmite en forma de ondas electromagnéticas portadoras de energía (ondas EM), esto ocurre.
• Suponga que la energía total transferida a la mano es igual a E. Cantidad de movimiento = (E/c) Como c es tan grande, la cantidad de movimiento parece ser pequeña. La presión también es baja porque el impulso es muy bajo. Debido a esto, nuestras manos no se ven afectadas por la presión del sol.

Aplicaciones de las ondas electromagnéticas

1. Estas ondas ayudan al piloto a navegar la aeronave y lograr un despegue y un aterrizaje suaves. También se usan para averiguar qué tan rápido vuelan los aviones.
2. Las señales de radiodifusión y televisión se transmiten a través de ondas electromagnéticas.
3. En el campo de la medicina, estas ondas se pueden utilizar de diversas formas. Rayos X y cirugía ocular con láser, por ejemplo.
4. Se utilizan en equipos electrónicos como controles remotos de televisión, vehículos remotos, televisores LED, hornos de microondas, etc.
5. Las ondas electromagnéticas se pueden utilizar para determinar la velocidad de los automóviles que pasan.

Ejemplos de preguntas 

Pregunta 1: En el espacio libre, una onda electromagnética plana con una frecuencia de 44 MHz se mueve en la dirección x. E = 7,3   V/m en un punto específico del espacio y el tiempo. En este momento, ¿qué es B?

Responder:

Dado: E = 7,3 V/m, c = 3 × 10 ⁸ m/s

Tenemos,

B = E/c

 ∴ B = 7.3 / 3 × 10 ⁸

 ∴ B = 2.433 × 10 ⁸ T

Podemos determinar la dirección observando que E está a lo largo del eje y y que la onda se propaga a lo largo del eje x. Como resultado, B debe ser perpendicular a los ejes x e y. E × B debe estar a lo largo del eje x, según el álgebra vectorial. B está en la dirección z porque: 

(+ ) × (+ ) =  .

De este modo,

Pregunta 2: El campo magnético en una onda electromagnética plana viene dado por B _y =(2 × 10 ^-7 )T sen (0,5 × 10 ³ x + 1,5 × 10 ¹¹ t). ¿Cuáles son la longitud de onda y la frecuencia de la onda?

Responder:

Comparando la ecuación dada con

B _y  = B ₀ sen[2π(x/λ + t/T)]

Tenemos, 

λ = (2π/0,5×10 ³ ) m = 1,26 cm.

Y 1/T = ν = 1,5 × 10 ¹¹ )/2π = 23,9 GHz .

Pregunta 3: En incidencia normal, la luz con un flujo de energía de 18 W/cm ² cae sobre una superficie no reflectante. Encuentre la fuerza promedio aplicada sobre la superficie durante un período de 30 minutos si la superficie tiene un área de 20 cm ² .

Responder:

La cantidad total de energía que cae sobre la superficie es

U = (18 W/cm ² ) × (20 cm ² ) × (30 × 60 s)

∴ U = 6,48 × 10 ⁵ J

Como resultado, el impulso total entregado (para una absorción completa) es

p = U/c  

∴ p = 6,48 × 10 ⁵ J / 3 × 10 ⁸ m/s

∴ p = 2,16 × 10 ^–3 kg m/s

La superficie está sujeta a una fuerza promedio de

F = p/t

∴ F = 2,16 × 10 ^-3 / 0,18 × 10 ⁴ 

∴ F = 1,2 × 10 ^-6 N

Pregunta 4: Escriba cuatro aplicaciones de las ondas electromagnéticas.

Responder:

Aplicaciones de las ondas electromagnéticas :

• Podemos ver todo lo que nos rodea gracias a la radiación electromagnética.
• Estas ondas ayudan al piloto a navegar la aeronave y lograr un despegue y un aterrizaje suaves. También se usan para averiguar qué tan rápido vuelan los aviones.
• En el campo de la medicina, estas ondas se pueden utilizar de diversas formas. Rayos X y cirugía ocular con láser, por ejemplo.
• Las señales de radiodifusión y televisión se transmiten a través de ondas electromagnéticas.

Pregunta 5: Explique la formación de ondas electromagnéticas.

Responder:

En general, una partícula cargada genera un campo eléctrico. Otras partículas cargadas son empujadas por este campo eléctrico. Las cargas negativas aceleran en la dirección opuesta del campo, mientras que las cargas positivas aceleran en la dirección del campo.

El campo magnético es creado por una partícula cargada que viaja. Otras partículas en movimiento son empujadas por este campo magnético. Debido a que la fuerza que actúa sobre estas cargas siempre es perpendicular a su movimiento, solo influye en la dirección de la velocidad, no en su rapidez.

Como resultado, el campo electromagnético es creado por una partícula cargada en aceleración. Los campos eléctricos y magnéticos que viajan a la velocidad de la luz c a través del espacio abierto se conocen como ondas electromagnéticas. Se considera que una partícula cargada está acelerando cuando oscila alrededor de un lugar de equilibrio. La partícula cargada produce una onda electromagnética de frecuencia f si su frecuencia de oscilación es f. La longitud de onda λ de esta onda se puede determinar usando la fórmula λ = c/f. Las ondas electromagnéticas son una especie de transferencia de energía basada en el espacio.