Los trabajos de William Thomson (1824-1907) y Michael Faraday (1791-1867) sobre los campos eléctricos, magnéticos y las líneas de fuerza despertaron la curiosidad de un estudiante de Cambridge llamado James Clerk Maxwell (1831-1879).
Una vez graduado, rápidamente (1854) Maxwell reunió todos los trabajos fundamentales que se habían realizado en el campo de la electricidad y el magnetismo. Así, llegó a sintetizar sus descubrimientos en cuatro ecuaciones fundamentales, que ahora se conocen como las ecuaciones de Maxwell. De estas ecuaciones, dedujo que todas las perturbaciones del campo electromagnético viajan a la misma velocidad: la velocidad de la luz.
¿Qué son las ondas electromagnéticas?
Gracias a los estudios de Maxwell, se descubrió que la luz y las perturbaciones electromagnéticas (u ondas electromagnéticas) son lo mismo. ¡Esta unificación de la electricidad, el magnetismo y la óptica fue una de las mayores agrupaciones de campos aparentemente dispares de la física en la historia de la ciencia!
Características de las ondas electromagnéticas
A continuación, veremos algunas de las principales propiedades y características de las ondas electromagnéticas. Algunas de estas características pueden encontrarse en otros tipos de ondas de la naturaleza, pero otras son más específicas de electromagnéticas.
Las ondas electromagnéticas son transversales
Una onda electromagnética es una onda transversal en la que los campos eléctrico y magnético oscilan en direcciones perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Las ondas transversales oscilan en ángulo recto, con respecto a su dirección de propagación.
Velocidad de las ondas electromagnéticas en el espacio libre
El trabajo pionero de Maxwell sobre electricidad y magnetismo también proporcionó un método para calcular la velocidad de las ondas electromagnéticas.
Para ello, Maxwell tuvo que combinar matemáticamente dos constantes. Así llegó a la conclusión de que los campos eléctricos y los campos magnéticos pueden ser atenuados por la presencia de materia. En el espacio libre, las ondas electromagnéticas pueden viajar libremente, pero siguen estando acotadas por un límite de velocidad universal. Este límite está representado por la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del espacio libre.
La capacidad de un medio para resistir el desarrollo de un campo eléctrico en su interior se mide por su permitividad eléctrica. La permitividad del espacio libre se denota con \(\epsilon_0\).
La permeabilidad magnética del espacio libre \(\mu_0\) —la segunda constante— es una medida de la capacidad de este espacio para magnetizarse.
Las constantes \(\epsilon_0\) y \(\mu_0\) se escriben con subíndice cero, cuando los campos eléctricos y magnéticos existen en el vacío —a menudo conocido como espacio libre—.
El vacío es una región del espacio que no contiene materia, energía o campos con los que la onda electromagnética pueda interactuar.
Sus valores conocidos son \(\epsilon_0=8,85418782\cdot 10^{-12}\,\,\mathrm{C^2/N\cdot m^2}\) y \(\mu_0=4\pi\cdot 10^{-7}\,\,\mathrm{N/A^2}\).
La velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío (o espacio libre) viene dada por la siguiente ecuación:
\[c=\dfrac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}}\].
| Magnitud | Símbolo | Unidades en el SI |
| Velocidad de la luz | \(c\) | \(\mathrm{m/s}\) |
Permeabilidad en el vacío | \(\mu_0\) | \(\mathrm{N/A^2}\) |
| Permitividad en el vacío | \(\epsilon_0\) | \(\mathrm{C^2/N\cdot m^2}\) |
Tabla 1: Algunas de las constantes necesarias para entender las ondas electromagnéticas.
En el vacío, toda la radiación electromagnética viaja a la misma velocidad de \(c=3\cdot 10^8\,\,\mathrm{m/s}\) .
Las ondas electromagnéticas tienen las mismas propiedades que otras ondas
Como cualquier onda, las ondas electromagnéticas pueden refractarse y reflejarse.
Cuando las ondas electromagnéticas chocan con la materia, interactúan con ella de la misma manera que las ondas mecánicas. Las ondas electromagnéticas pueden reflejarse en una superficie, refractarse al entrar en un nuevo medio y difractarse o extenderse alrededor de las barreras.
¿Qué ocurre cuando las ondas electromagnéticas van de un lugar a otro
Las ondas electromagnéticas, al igual que otras ondas, transportan energía de un lugar a otro.
La radiación electromagnética es la transferencia de energía mediante este tipo de ondas.
Podemos pensar que las ondas electromagnéticas son una de las muchas formas de transferir energía de un almacén energético a otro. De hecho, tienen la capacidad de transportar energía a través de la materia y del espacio vacío.
Asimismo, pueden ser emitidas y absorbidas por la materia. Cuando la radiación electromagnética es absorbida por un material, la energía de la radiación se transfiere a otra forma de energía, como la energía térmica.
La radiación electromagnética también puede hacer que ciertos materiales, como los metales, liberen electrones cuando la radiación incide sobre su superficie. Se trata de un efecto puramente mecánico cuántico: los electrones de la superficie del metal absorben la energía de un solo fotón (una partícula cuántica de luz); si el electrón obtiene suficiente energía del fotón, puede ser expulsado de la superficie del metal. Esto se conoce como efecto fotoeléctrico.
Tipos de ondas electromagnéticas
Los diferentes tipos de ondas electromagnéticas pueden clasificarse según su longitud de onda o frecuencia. Sabemos que la frecuencia de una onda es inversamente proporcional a su longitud de onda para una velocidad constante. Como la velocidad de la luz es constante en el vacío, podemos concluir que a medida que la longitud de onda de una onda electromagnética aumenta, su frecuencia disminuye. Esta relación entre la frecuencia y la longitud de onda de una onda electromagnética se recoge en la ecuación \[c=\lambda\cdot f,\].
Donde:
- \(c\) es la velocidad de la luz y tiene un valor de \(c=3\cdot 10^8\,\,\mathrm{m/s}\).
- \(\lambda\) corresponde a la longitud de onda de la onda, que se mide en metros (\(\mathrm{m}\))
- \(f\) es su frecuencia, que se mide en hercios (\(\mathrm{Hz=s^{-1}}\)) .
Al reordenar para la frecuencia, obtenemos \[f=\dfrac{c}{\lambda}\]; de lo que se deduce que la frecuencia de una onda electromagnética es inversamente proporcional a su longitud de onda.
Tipo de onda electromagnética | Propiedades |
Ondas de radio | Tienen la mayor longitud de onda de todas las ondas electromagnéticas, y se utilizan para la transmisión de datos. |
Microondas | Son más cortas que las ondas de radio. Son muy útiles en la comunicación, porque pueden penetrar las nubes, el humo y la lluvia ligera. |
Infrarrojos | Sus longitudes de onda están entre las microondas y la luz visible. Las ondas infrarrojas se utilizan en los mandos de televisión, para cambiar de canal. |
Luz visible | El espectro de la luz visible abarca las longitudes de onda que pueden ser vistas por el ojo humano. |
Ultravioleta | Los rayos ultravioleta son producidos por el sol, y pueden causar quemaduras solares. |
Rayos X | Los rayos X pueden penetrar en tejidos blandos —como la piel y los músculos—, por lo que se utilizan para la obtención de imágenes médicas. |
Rayos gamma | Los rayos gamma son las ondas más cortas del espectro y, por tanto, las de mayor energía. |
Tabla 2: algunos de los casos más comunes de ondas electromagnéticas y sus propiedades
Fig. 1: El espectro electromagnético se muestra desde frecuencias bajas / longitudes de onda largas hasta frecuencias altas / longitudes de onda bajas.
Generación de ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas se diferencian de las mecánicas en que no se propagan a través de un medio. Esto significa que las ondas electromagnéticas pueden viajar a través del vacío del espacio, sin necesidad de ningún material que medie la propagación. El motivo es que las ondas electromagnéticas pueden considerarse como oscilaciones en el espacio y el tiempo de los campos magnético y eléctrico. Los campos eléctrico y magnético de una onda luminosa oscilan a 90 grados entre sí.
Fig. 2: Las ondas electromagnéticas están formadas por campos eléctricos y magnéticos, que oscilan en ángulo recto entre sí y en ángulo recto con la dirección de propagación de la onda.
Las ondas electromagnéticas pueden originarse mediante la oscilación de partículas cargadas. Esto se debe a que las partículas cargadas crean un campo eléctrico y, como se mueven hacia delante y hacia atrás, también crean un campo magnético. Los campos magnéticos cambiantes producen campos eléctricos y los campos eléctricos cambiantes producen campos magnéticos. De esta manera, las perturbaciones u ondas electromagnéticas, pueden autopropagarse a través del espacio.
Las ondas electromagnéticas pueden producirse de varias maneras.
Una fuente particular de radiación electromagnética, que encontramos con frecuencia en la vida moderna, son las ondas de radio producidas por los circuitos eléctricos.
- Los circuitos eléctricos de corriente alterna están formados por cargas que oscilan hacia arriba y hacia abajo en el circuito. Así, producen ondas electromagnéticas con una frecuencia característica que depende de la frecuencia de la corriente eléctrica.
- Como las ondas de radio son ondas electromagnéticas, pueden interactuar con las propias partículas cargadas. Esto significa que, al igual que las corrientes eléctricas, pueden producir ondas de radio. A su vez, las ondas de radio también pueden producir corrientes eléctricas de la misma frecuencia
Otra fuente de radiación electromagnética es la radiación gamma, producida por los núcleos de los átomos.
- Los cambios en el interior del átomo pueden hacer que se emitan y absorban ondas electromagnéticas de una amplia gama de frecuencias.
Las transiciones de los electrones entre niveles de energía son otra causa de la emisión de radiación electromagnética.
Ondas electromagnéticas - Puntos clave
- Las ondas electromagnéticas son ondas que se forman cuando un campo eléctrico y un campo magnético vibran juntos. Están formadas por campos magnéticos y eléctricos oscilantes.
Una onda electromagnética es una onda transversal en la que los campos eléctrico y magnético oscilan en direcciones perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación de la onda.
A través del vacío, toda la radiación electromagnética viaja a la misma velocidad de \(3\cdot 10^8\,\,\mathrm{m/s}\).
Al igual que las demás ondas, las ondas electromagnéticas tienen la capacidad de refractarse y reflejarse.
Las ondas electromagnéticas, al igual que otras ondas, transportan energía de un lugar a otro.
Los siete tipos de ondas electromagnéticas son: ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
Las ondas electromagnéticas se diferencian de las mecánicas en que no se propagan a través de un medio.
References
- Fig. 2: Electromagnetic waves (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electromagnetic_wave.svg) by LennyWikidata (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:LennyWikidata) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en).
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