Post on 12-Mar-2016
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Propagación de las Ondas
Electromagnéticas
na onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación
electromagnética a través del espacio. Y sus aspectos teóricos están relacionados
con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A
diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas se propagan por el
espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío.
Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las
oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado.
Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad constante muy
alta, pero no infinita de 300.000 km por segundo.
A esta velocidad podemos:
o darle la vuelta entera a la Tierra en 20 milisegundos.
o viajar a la Luna en 1,3 segundos.
o llegar al Sol en 8 minutos 19 segundos.
o llegar a la estrella más cercana en 4,2 años.
Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto
tiempo que quizás esa estrella haya desaparecido ya. O enterarnos de un suceso que
ocurre a miles de kilómetros prácticamente en el instante de producirse.
Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos
eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones
de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro
"construya" el escenario del mundo en que estamos.
Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento
complejo del mundo actual.
Origen y formación:
Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas. El
campo eléctrico originado por la carga acelerada depende de la distancia a la carga, la
aceleración de la carga y del seno del ángulo que forma la dirección de aceleración de la
carga y a la dirección al punto en que medimos el campo. En la teoría ondulatoria,
desarrollada por Huygens, una onda electromagnética, consiste en un campo eléctrico
que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los
campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampere) y los campos
magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma, la
onda se autopropaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y
eléctricos generándose continuamente. Estas O.E.M. son sinusoidales (Curva que
representa gráficamente la función trigonométrica seno), con los campos eléctrico y
magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación.
La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y
magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía
de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que
necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se
puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia
indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación
de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética
se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo. Los campos
producidos por las cargas en movimiento pueden abandonar las fuentes y viajar a
través del espacio (en el vacío) creándose y recreándose mutuamente. Lo explica la
tercera y cuarta ley de Maxwell.
Ley de Gauss nos dice que el flujo a través de una superficie cerrada es
proporcional a la carga encerrada. La ley de Gauss para el magnetismo, implica que
en la naturaleza NO existen campos magnéticos de un polo (monopolos), solo
existen campos magnéticos de dos polos (dipolos), ya que en una superficie
cerrada el número de líneas de campo que entran equivale al número de líneas que
salen.
Ley de Faraday. Esta ley relaciona el flujo del campo magnético con el campo
eléctrico, establece que el rotacional del campo eléctrico inducido por un campo
magnético variable es igual a menos la derivada parcial del campo magnético con
respecto al tiempo. La integral de circulación del campo eléctrico es la variación
del flujo magnético.
Ley de Ampere, generalizada
por Maxwell, establece la relación
entre los campos eléctrico y
magnético, con corrientes
eléctricas. Determina finalmente la
forma en la que un campo eléctrico
variable puede generar un campo
magnético y como consecuencia,
una corriente eléctrica en un
circuito. Expresa cómo las líneas de
un campo magnético rodean una
superficie por la que, circula una
corriente o hay una variación del
flujo eléctrico. La integral de
circulación del campo eléctrico es
proporcional a la corriente y a la
variación del flujo eléctrico.
Maxwell demostró que sus
ecuaciones podían combinarse para
dar lugar a una ecuación de ondas
que debían satisfacer los vectores y
cuya velocidad en el vacío debía
ser:
Lo que da un valor de 299.792.458
m/s.
Una carga eléctrica acelerada
crea un campo eléctrico variable y,
como explican las leyes de Maxwell,
los campos pueden abandonar la
fuente que los produce y viajar por el
espacio sin soporte material. Los
campos no necesitan un medio
deformable que vibre a su paso, lo
único que vibra son los valores de los
campos E y B en cada lugar. En
efecto, un campo eléctrico variable
engendra un campo magnético
variable que, a su vez, engendra otro
eléctrico y así avanzan por el
espacio. Las ondas
electromagnéticas, son ondas
transversales en donde el campo
eléctrico y el campo magnético son
perpendiculares entre sí, y a su vez
perpendiculares a la dirección de
propagación. No necesitan por tanto
soporte material para su propagación
haciéndolo incluso a través del vacío.
Como se aprecia en la ilustración, el
campo eléctrico y el campo magnético
están en fase, alcanzando valores
Propiedades de las ondas electromagnéticas
Para su propagación, las O.E.M. no requieren de un medio
material específico. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio
interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las
estrellas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda,
todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a la
velocidad de la luz (c = 299.792 km/s.), hasta que su energía se
agota. A medida que la frecuencia se incrementa, la energía de la
onda también aumenta. Todas las radiaciones del espectro
electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento
ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de
onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La
longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas
electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λ.f=c son
importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de
penetración y otras características.
Características principales de las ondas electromagnéticas
Las tres características principales de las ondas que
constituyen el espectro electromagnético son:
Frecuencia (f)
Longitud ( )
Amplitud(A)
Frecuencia
La frecuencia de una onda responde a un
fenómeno físico que se repite cíclicamente un
número determinado de veces durante un
segundo de tiempo, tal como se puede observar
en la siguiente ilustración:
A.- Onda senoidal de un ciclo o hertz (Hz) por
segundo.
B.- Onda senoidal de 10 ciclos o hertz por
segundo.
La frecuencia de esas ondas del
espectro electromagnético se representan
con la letra (f) y su unidad de medida es el
ciclo o Hertz (Hz) por segundo. Otras
unidades de frecuencias muy utilizadas son
las "revoluciones por minuto" (RPM) y los
"radianes por segundo" (rad/s). La
frecuencia y el periodo están relacionados
de la siguiente manera:
T: Período, tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos
valles por un mismo punto, o para completar un ciclo.
Longitud
Las ondas del espectro electromagnético se propagan por el espacio de
forma similar a como lo hace el agua cuando tiramos una piedra a un estanque, es
decir, generando ondas a partir del punto donde cae la piedra y extendiéndose
hasta la orilla. Cuando tiramos una piedra en un estanque de agua, se generan
ondas similares a las radiaciones propias del espectro electromagnético. Tanto las
ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del
espectro electromagnético poseen picos o crestas, así como valles o vientres. La
distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles
consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de
la onda electromagnética, constituye lo que se denomina “longitud de onda”.
P.- Pico o cresta: valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal
del espectro electromagnético, cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor
aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia onda crece o
decrece positivamente por encima del valor "0".
V.- Valle o vientre: valor máximo de signo negativo (–) que toma la onda senoidal
del espectro electromagnético, cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el
punto “0”. El valor de los valles aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A”
de la propia onda crece o decrece negativamente por debajo del valor "0".
N.- Nodo: Valor "0" de la onda senoidal. La longitud de una onda del
espectro electromagnético se representa por medio de la letra griega
lambda. ( ) y su valor se puede hallar empleando la siguiente fórmula
matemática:
De donde:
= Longitud de onda en metros.
c = Velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/seg).
f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz).