Ondas electromagnéticas

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.^[1]​ Desde el punto de vista clásico, la radiación electromagnética son las ondas electromagnéticas generadas por las fuentes del campo electromagnético y que se propagan a la velocidad de la luz. La generación y la propagación de estas ondas son compatibles con el modelo de ecuaciones matemáticas definido en las ecuaciones de Maxwell.

La radiación de tipo electromagnético puede manifestarse de diversas maneras como ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitaran 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.

Las ondas electromagnéticas pueden ser generadas por distintas fuentes como son: cargas aceleradas, dipolos oscilantes, corrientes variables en distintos tipos de antenas entre otras. La forma de las ondas electromagnéticas depende de la fuente que las genera y de la distancia recorrida por las mismas.^[2]​

Existen multitud de fenómenos físicos asociados con la radiación electromagnética que pueden ser estudiados de manera unificada, como la interacción de ondas electromagnéticas y partículas cargadas presentes en la materia. Entre estos fenómenos están por ejemplo la luz visible, el calor radiado, las ondas de radio y televisión o ciertos tipos de radioactividad por citar algunos de los fenómenos más destacados. Todos estos fenómenos consisten en la emisión de radiación electromagnética en diferentes rangos de frecuencias (o equivalentemente diferentes longitudes de onda), siendo el rango de frecuencia o longitud de onda el más usado para clasificar los diferentes tipos de radiación electromagnética. La ordenación de los diversos tipos de radiación electromagnética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético.

La luz visible está formada por la radiación electromagnética cuyas longitudes de onda están comprendidas entre 400 y 700 nm. La luz es producida en la corteza atómica de los átomos, cuando un átomo por diversos motivos recibe energía puede que algunos de sus electrones pasen a capas electrónicas de mayor energía. Los electrones son inestables en capas altas de mayor energía si existen niveles energéticos inferiores desocupados, por lo que tienden a caer hacia estos, pero al decaer hacia niveles inferiores la conservación de la energía requiere la emisión de fotones, cuyas frecuencias suelen caer en los rangos asociados a la luz visible. Eso es precisamente lo que sucede en fenómenos de emisión primaria tan diversos como la llama del fuego, un filamento incandescente de una lámpara o la luz procedente del sol. Secundariamente la luz procedente de emisión primaria puede ser reflejada, refractada, absorbida parcialmente y esa es la razón por la cual objetos que no son fuentes de emisión primaria son visibles.

Cuando se somete a algún metal y otras sustancias a fuentes de temperatura estas se calientan y llegan a emitir luz visible. Para un metal este fenómeno se denomina calentar "al rojo vivo", ya que la luz emitida inicialmente es rojiza-anaranjada, si la temperatura se eleva más blanca-amarillenta. Conviene señalar que antes que la luz emitida por metales y otras sustancias sobrecalentadas sea visible estos mismos cuerpos irradian calor en forma de radiación infrarroja que es un tipo de radiación electromagnética no visible directamente por el ojo humano.

Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.

De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética.

Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica y química. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm.

En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).

La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es «c». La teoría electromagnética establece que:

siendo ${displaystyle varepsilon _{0}}$ y ${displaystyle mu _{0}}$ la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente.

En un medio material la permitividad eléctrica ${displaystyle varepsilon }$ tiene un valor diferente a ${displaystyle varepsilon _{0}}$. Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética ${displaystyle mu }$ y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio ${displaystyle v}$ será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c.

Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refracción, es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular a partir de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética de la siguiente manera:

La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone" en colores al pasar por un prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismáticos o telescopios.

Una consecuencia importante de la electrodinámica clásica es que una partícula cargada en movimiento acelerado (rectilíneo, circular o de otro tipo) debe emitir ondas electromagnéticas siendo la potencia emitida proporcional al cuadrado de su aceleración, de hecho la fórmula de Larmor para la potencia emitida viene dada por:

${displaystyle P={frac {q^{2}a^{2}}{6pi varepsilon _{0}{ ext{c}}^{3}}}}$

Donde:

Un ejemplo de este fenómeno de emisión de radiación por parte de partículas cargadas es la radiación de sincrotrón.

Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético.

El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).

En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del empleo al que están destinadas como se observa en la tabla, además se debe considerar un tipo especial llamado microondas, que se sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30 centímetros a 1 milímetro, que tienen la capacidad de atravesar la ionosfera terrestre, permitiendo la comunicación satelital.

WLAN^[3]​

El electromagnetismo clásico y la mecánica cuántica ofrecen descripciones diferentes de la radiación electromagnética. En el electromagnetismo clásico la radiación es un campo oscilante que se propaga desde la fuente emisora, mientras que en la mecánica cuántica la radiación es interpretada en términos de partículas (fotones) emitidas por una fuente. Esas dos descripciones, sin embargo, son complementarias y para situaciones macroscópicas no son cualitativamente diferentes.

Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede comprobar que esta "inducción" mutua hace que las ecuaciones de Maxwell admitan una solución en forma de onda que se propaga desde una fuente. Esta solución teórica fue la que llevó a postular que existirían ondas electromagnéticas y radiación electromagnética, e incluso a postular que la propia luz era una onda electromagnética.

Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792.458 m/s), y su dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí).

Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un haz o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

${displaystyle E=h u ,}$

donde ${displaystyle E}$ es la energía del fotón, ${displaystyle h}$ es la constante de Planck y ${displaystyle u }$ es la frecuencia de la onda.

Valor de la constante de Planck

Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda ${displaystyle lambda }$ y la frecuencia de oscilación ${displaystyle u }$ están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

${displaystyle { ext{c}}=lambda u ,}$

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Planck).

Un ejemplos de onda electromagnética sería la de la radio puesto que la señal se va propagando por esta hasta llegar al receptor que en este caso sería la radio ya que se propagan a través de un espacio transportando energía de un lugar a otro.

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