ondas electromagnéticas

Maxwell (1837-1879) sintetizó las leyes básicas de la electricidad y el magnetismo en unas ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell.
I. La ley de Gauss para el campo eléctrico. El flujo eléctrico a través de una superficie cerrada depende solo de la carga eléctrica que contiene esta superficie.
II. La ley de Gauss del magnetismo. El flujo magnético a través de una superficie cerrada siempre es nulo, lo que es consecuencia de la no existencia de polos magnéticos aislados.
III: La ley de Faraday-Lenz. Los flujos magnéticos variables con el tiempo originan fuerza electromotriz inducida que , a su vez, genera un campo eléctrico.
IV. La ley de Ampère-Maxwell. Indica la relación de simetría de los dos campos. Los campos eléctricos variables también origina campos magnéticos.

Las ecuaciones de Maxwell muestran que se genera una onda electromagnética cuando cargas eléctricas son aceleradas. Si las cargas eléctricas se mueven con velocidad constante no se genera una onda, aún cuando existe un campo eléctrico y un campo magnético.

«Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas.»

Una consecuencia fundamental es que los campos eléctricos y magnéticos son capaces de propagarse en forma de onda, cuya velocidad en el vacío fue calculada por Maxwell,

Cuando Maxwell reemplazó los valores de la permitividad y la permeabilidad del vacío, conocidos usando experimentos con bobinas y condensadores, obtuvo que

c = 3 × 10^8 m/s .

La velocidad de la luz en el vacío.
Basado en esto, Maxwell propuso que la luz es una onda electromagnética.

Un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable y este a su vez uno eléctrico, de esta forma las ondas electromagnéticas (o.e.m.) se propagan en el vacío sin soporte material.

La carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un campo electromagnético, cuyas componentes E y B son perpendiculares . Sus valores en cada punto y en función del tiempo son:

E = Eo sen( wt -kx)
B = Bo sen( wt -kx)

Entonces, ¿cómo se generan las ondas electromagnéticas(o.e.m.)?

Así pues, parece que si aceleramos una carga ya tenemos lo suficiente para poder generar un campo magnético variable y, como podemos ver a partir de la ley de Faraday, si tenemos un campo magnético que varía en el tiempo, podemos inducir un campo eléctrico. Si la variación es tal que el campo eléctrico inducido también varía en el tiempo, por la ley de Ampère se inducirá un campo magnético, y así sucesivamente.

En resumen, a partir de la carga acelerada podemos tener un campo eléctrico y un campo magnético que se alimentan mutuamente y dan lugar, así, a una onda electromagnética.

A partir de las ecuaciones de Maxwell; Hertz describe teoricamente (calcula y representa gráficamente) el proceso de formación de ondas elecotromagnéticas en torno a un dipolo oscilante, que constituye su emisor.
El dipolo oscilante, también conocido como antena dipolo de Hertz, idealmente está formado por dos cargas eléctricas opuestas que oscilan armónicamente con cierta frecuencia a lo largo de un segmento, estando siempre simétricamente situadas respecto al centro. El orden de magnitud de la frecuencia del dipolo de Hertz era de 100 MHz, que se correspondía con la frecuencia de las oscilaciones eléctricas con las que realizó.

Podemos elegir como modelo de formación de ondas electromagnéticas al dipolo eléctrico oscilante (dos cargas iguales y opuestas cuya separación varía armónicamente con el tiempo). Según la teoría electromagnética clásica una carga que oscila con Movimiento Armónico Simple de frecuencia » f » radia energía de la misma frecuencia. La energía que emite la transporta un campo eléctrico y otro magnético. Veamos como son y como se forman

El ejemplo más simple cuando hablamos de dipolo eléctrico es que hay una carga positiva y una carga negativa del mismo valor separadas una determinada distancia. Así, podéis tener una situación como la de la figura 1, donde tenemos dos alambres, cada uno con una carga diferente, separados una cierta distancia.

Los dos alambres están conectados a un generador de corriente alterna de alta frecuencia. Esto quiere decir, básicamente, que el generador hace circular las cargas “muy deprisa”. Por lo tanto, en un instante hay arriba las positivas y abajo las negativas; y en el instante siguiente la situación es la inversa.

La idea básica es que el generador crea una diferencia de potencial que “saca” los electrones de la porción A y los lleva a la porción B. Acto seguido, el efecto se invierte y “saca” los electrones de la porción B y los trae, otra vez, hacia la porción A, y así sucesivamente.

 

El espectro electromagnético.

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de todas las ondas electromagnéticas. La longitud de una onda (λ) es el período espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso. La frecuencia (f) es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. Se cumple que c = λ.f
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, las microondas, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

En el siguiente video podéis ver un resumen de las ondas electromagnéticas y el espectro electromagnético: