Ondas E-M

 

    A partir de la la teoría electromagnética de Maxwell, sabemos que si en un punto del espacio existe un campo eléctrico variable \(\vec{E}\), este campo generará un campo magnético variable \(\vec{B}\), que a su vez, dará lugar a otro campo eléctrico variable y así sucesivamente. Dicho en otras palabras, toda variación del campo eléctrico tiene un campo magnético asociado, y toda variación del campo magnético tiene asociado un campo eléctrico.

El campo eléctrico y el campo magnético se propagan en el espacio sin necesidad de que haya un un medio material de por medio. La propagación de esta perturbación es un fenómeno ondulatorio, tiene todas las características propias de una onda: reflexión, refracción, difracción e interferencia. Además, como en todo movimiento ondulatorio, las ondas electromagnéticas transportan energía y cantidad de movimiento sin que exista un transporte de materia.


Propagación de una onda electromagnética, los campos son perpendiculares.


Características de las ondas electromagnéticas

  • Se presenta simultaneamente la presencia de un campo eléctrico \(\vec{E}\) y un campo magnético \(\vec{B}\).

  • Los campos eléctrícos y magnéticos vibran en planos perpendiculares, es decir, el ángulo entre ellos es, en todo momento, de 90º. La dirección de propagación es perpendicular a ambos, por lo tanto lo que se tiene es una onda transversal.

  • Los campos eléctrícos magnéticos están en fase, esto significa que  toman los valores  máximos y nulos  simultáneamente (observa la figura anterior).

  • Maxwell calculó la velocidad de propagación de las en el vacío:$$c=\frac{1}{\sqrt{\epsilon_0\mu_0}}=3\times10^8m/s$$
\(\epsilon_0=\frac{1}{4\pi}\times10^9C^2N^{-1}m^{-2}\): constante dieléctrica del vacío.

\(\mu_0=4\pi\times10^{-7}Wbm^{-2}\): permeabilidad magnética del vacío.

La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas es igual a la velocidad de propagación de la luz en el vacío, lo que implica que la luz es en realidad una onda electromagnética.

  •  Los valores instantáneos de  \(\vec{E}\) y \(\vec{B}\) son proporcionales, están relacionadas mediante: \(\vec{E}=c\vec{B}\).

En resumen:

 Una onda electromagnética,  es la perturbación electromagnética producida por una oscilación eléctrica, está constituida por dos campos: uno magnético y otro eléctrico, perpendiculares entre sí;  y que se propagan en el vacío a una velocidad de: \(3\times10^8 m/s\).

Velocidad de la luz

Una de las primeras formas de medir, con bastante precisión, la velocidad de la luz se debió al físico francés Jean Foucault  a mediados del siglo XIX. Él utilizó dos espejos separados \(20 m\) uno del otro. Un espejo estaba fijo y el otro giraba a 800 revoluciones por segundo. Se dirigía un rayo de luz hacia el espejo que giraba, y si éste se encontraba en el ángulo adecuado, el rayo se reflejaba en el espejo fijo, rebotaba hacia el otro espejo y después se reflejaba de nuevo en la fuente.

En el tiempo que pasa para que la luz rebote entre los espejos, el espejo giratorio recorre un pequeño ángulo, de modo que el rayo que regresa a la fuente se desvia ligeramente de su trayectoria original.

Midiendo el ángulo que se había movido el espejo, Foucault determinó cuánto tiempo había requerido la luz para hacer su recorrido, y a partir de ahí, su velocidad.

El resultado fue 300,939 km por segundo.

En la década de 1920, el físico estadounidense Albert Michelson refinó el método de Foucault; envió un rayo de luz a través de un tubo de vacío de \(1.6 km\) de largo para eliminar el efecto del aire sobre la velocidad. Las mediciones modernas han afinado aún más esta cifra hasta llegar a:

 299,793 km por segundo.

Diagráma simplificado de Foucault para medir
la velocidad de la luz.
 



Actividad práctica

Las ondas se caracterizan por tener crestas y valles a lo largo de su oscilación, a mayor frecuencia de oscilación, es mayor la energía:

\(E=h\nu\)

Con:
\(E\), energía.
\(h\), constante de planck.
\(E\), frecuencia de la onda electromagnética.

Los puntos más energéticos son las cimas de las crestas, por lo tanto, si podemos detectarlos podríamos medir la distancia entre éstos y hallar la longitud de onda.
La velocidad de la luz sería: \(c=\lambda \nu\).
En el siguiente video te mostramos el método utilizando un microondas y queso. 

Midiendo la velocidad de la luz en la cocina.