Introducción a las ondas electromagnéticas

Transcripción

1 Introducción a las ondas electromagnéticas Maxwell ( ), relacionando las fórmulas de la electricidad y del magnetismo llegó a conclusiones decisivas para el estudio de la Física. Afirma que las ondas electromagnéticas son la propagación de las variaciones de campos eléctricos y magnéticos, que se desplazan en fase, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación de las ondas. Las ondas o radiaciones electromagnéticas no necesitan un medio material para transmitirse. El espacio está vacío, no existe el éter. Todas se propagan con la velocidad de la luz. Al mismo tiempo que confirmaba las explicaciones dadas por la teoría ondulatoria de Huygens, unificó las teorías de la Óptica y el Electromagnetismo, estableciendo unas relaciones, que publicó en 1873, conocidas como ecuaciones de Maxwell, que podemos resumir como: 1ª ley de Maxwell o ley de Gauss para el campo eléctrico El flujo eléctrico que atraviesa una superficie geométrica cerrada es igual a la carga total existente en el interior de la superficie dividida por la permitividad del medio: q. 2ªley de Maxwell o ley de Gauss para el magnetismo El flujo magnético que atraviesa una superficie geométrica cerrada es siempre igual a cero:=. Por lo tanto, afirmó que no existen monopolos magnéticos. 3ªley de Maxwell o ley de Faraday para la inducción electromagnética Toda variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado produce en él una d f.e.m. inducida:, por tanto los campos magnéticos variables producen campos dt eléctricos. 4ªley de Maxwell o ley de Ampère-Maxwell Los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas y por campos eléctricos variables.

2 Ondas electromagnéticas Al estudiar el origen de la radiación EM se llegó a la conclusión de que una carga en repose o movimiento rectilíneo uniforme no emite energía, es decir sólo emite energía en una carga acelerada. Esta energía se emite en forma de ondas. Dentro de las magnitudes que caracterizan una onda destacamos los conceptos de : Longitud de onda: distancia entre dos puntos consecutivos que vibran en fase Período: tiempo que tarde una onda en realizar una oscilación completa Frecuencia: número de oscilaciones por segundo La relación entre estas magnitudes es : ( longitud de onda) velocidad de propagación: v. ( frecuencia) T(Período) De las ecuaciones de Maxwell se deduce que toda radiación electromagnética se 1 propaga en el vacío a la velocidad c, siendo y la permitividad eléctrica y la o permeabilidad magnética en el vacío respectivamente (c = m/s) De la expresión anterior podemos deducir que la velocidad de la onda electromagnética depende por lo tanto del medio en el que se desplace. Se define índice de c refracción de un medio (n) como n. v Cuando una radiación cambia de medio, modifica su velocidad, y por lo tanto su dirección según la ley de la refracción de Snell: n1 sin1 n2 sin2 Cundo la radiación en cambia de medio y por tanto modifica su velocidad, modifica su longitud de onda permaneciendo su frecuencia constante. La longitud de onda en un medio m v c es: n m n, siendo la longitud/ de onda en el vacío. Las soluciones a las ecuaciones de Maxwell nos llevan a que tanto el campo eléctrico como el campo magnético se pueden expresar de la forma E Ecos( t) ; B Bcos( t) siendo t la denominada fase de la onda.

3 Se dice que hay dos ondas electromagnéticas son coherentes cuando la diferencia de fase entre ellas es constante en el espacio y el tiempo Además de la refracción, con la radiación electromagnética se observan todos los fenómenos de carácter ondulatorio como son reflexión, interferencias, difracción, polarización, efecto Doppler Espectro electromagnético Las ondas electromagnéticas cubren un amplio intervalo de frecuencias o de longitudes de onda y, por conveniencia, pueden clasificarse de acuerdo con su fuente principal y su efecto más importante al interactuar con la materia. La clasificación no posee límites bien definidos, ya que diferentes fuentes pueden producir ondas cuyos intervalos se solapen. Resumimos aquí la c1asificación más usual del espectro electromagnético. Ondas de radiofrecuencia. Tienen longitudes de onda que van desde unos cuantos kilómetros hasta.3 m. El intervalo o gama de frecuencias va desde unos pocos Hz hasta 1 6 Hz Estas ondas, utilizadas en televisión y radio, son generadas por dispositivos electrónicos, principalmente circuitos oscilantes. Se utilizan también en técnicas como la creación de imágenes mediante resonancia magnética nuclear (NMRI, Nuclear Magnetic Resonance imaging). Microondas. Las longitudes de onda de las microondas van desde.3 m hasta 1-3 m. El intervalo de frecuencias es desde 19 Hz hasta 3 X 1 11 Hz. Estas ondas se utilizan en sistemas de radar y otros sistemas de comunicaciones, así como en el análisis de detalles muy finos de la estructura atómica y molecular; también son generados mediante dispositivos electrónicos. La región de las microondas se conoce también como UHF (ultra alta frecuencia con respecto a la radiofrecuencia, (Ultra High Frecuency). Espectro infrarrojo. Éste cubre longitudes de onda que van desde 1-3 m hasta 7,8.1-7 m (78 nm). El intervalo de frecuencias es de Hz hasta Hz. La región está subdividida en tres: el infrarrojo lejano, de 1-3 m a m; el infrarrojo central, de m a m; y el infrarrojo cercano, que se extiende hasta 7,8.1-7 aproximadamente. Estas ondas son producidas por moléculas y cuerpos calientes cuyos átomos son excitados térmicamente. Tienen mucha aplicación en la industria, la medicina, la astronomía etc.

4 Luz o espectro visible. Ésta es una banda estrecha de longitudes de onda a las cuales es sensible nuestra retina. Se extiende desde una longitud de onda de 7.8 x 1-7 m hasta 3,8.1-7 (78 nm a 38 nm) y frecuencias de Hz hasta Hz. La luz es producida por átomos y moléculas como resultado de ajustes internos en el movimiento de sus componentes, principalmente de los electrones. La luz es tan importante que ha dado lugar al desarrollo de una rama especial de la física aplicada, la óptica. Ésta ciencia estudia los fenómenos luminosos y la visión, e incluye el diseño de instrumentos ópticos. Las diferentes sensaciones que produce la luz en el ojo, llamadas colores dependen de la frecuencia (o de la longitud de onda) de la onda electromagnética. La sensibilidad del ojo depende también de la longitud de onda da la luz; esta sensibilidad es máxima para longitudes de onda de aproximadamente 5,6.1-7 m (56nm). Debido a la relación entre el color y la longitud de onda o la frecuencia, una onda electromagnética de longitud de onda o frecuencia bien definidas se conoce también como onda monocromática (monos: uno ; croma: color2). La visión es el resultado de las señales transmitidas al cerebro mediante dos elementos presentes en una membrana llamada retina, que está en la parte posterior del ojo. Estos elementos son los conos y bastones. Los conos son los elementos que se activan con la presentica de luz intensa, como la del día. Los conos son sensibles a la longitud de onda o color. Los bastones son elementos capaces de actuar baja una iluminación muy débil, como en un cuarto oscuro y son menos sensibles al color. La visión debida a los conos se conoce como fotópica y la debida a los bastones como escotópica. Rayos ultravioleta. Esta región cubre desde 3,8.1-7 m hasta m, con frecuencias que van desde Hz hasta Hz, aproximadamente. Estas ondas son producidas por átomos y moléculas excitados, así como por descargas eléctricas. Su energía es del orden de magnitud de la implicada en la ionización de átomos y la disociación molecular, y explica muchos de los efectos químicos de la radiación ultravioleta. El Sol es una fuente muy potente de radiación ultravioleta, que es la principal responsable de que uno se queme con los rayos solares. La radiación ultravioleta del Sol actúa también sobre los átomos de las capas superiores de la atmósfera, produciendo gran cantidad de iones. Esto explica por qué las capas superiores de la atmósfera, a una altura mayor que 9 Km, están altamente ionizadas. Por esta razón se les conoce como ionosfera. Si algún microrganismo absorbe radiación ultravioleta en exceso, puede ser destruido debido a las reacciones químicas producidas por la ionización y la disociación de sus moléculas. Por esta razón los rayos ultravioleta se utilizan en algunas aplicaciones médicas y en procesos de esterilización. Rayos X. Esta parte del espectro electromagnético se extiende desde longitudes de onda alrededor de 1-9 m hasta longitudes de onda de aproximadamente m, o frecuencias entre Hz y Hz. Los rayos W, descubiertos en 1895 por

5 WilhelmaRöntgen ( ) cuando estudiaba los rayos catódicos, son producidos por los electrones internos (los más fuertemente ligados) de los átomos. Otra fuente de rayos X es el bremsstrahlung o radiación de desaceleración mencionada en la sección 29.5 De hecho, éste es el modo más común de producción de rayos X. Los rayos X actúan sobre los átomos y moléculas de las sustancias por las que se propagan, produciendo disociación o ionización. Se utilizan en diagnosis médica debido a que huesos y tejidos tienen diferente absorción de rayos X, y esto permite obtener un contraste claramente definido sobre una placa fotográfica. También, como resultado de los procesos moleculares que inducen, ocasionan graves daños a organismos y tejidos vivientes. Por esta razón los rayos X se utilizan en el tratamiento contra el cáncer, para destruir el tejido enfermo. Se debe enfatizar que incluso una pequeña cantidad de este tipo de radiación puede destruir también tejidos sanos; por eso, una exposición a grandes dosis de rayos X puede ocasionar una destrucción suficiente para producir enfermedad e incluso muerte. Rayos γ. Estas ondas electromagnéticas son de origen nuclear. Sus longitudes de onda se traslapan con el límite superior del espectro de rayos X; van de 1-1 m aproximadamente, hasta muy por debajo de los 1-14 m, con un intervalo de frecuencias correspondiente que va desde Hz hasta más de Hz. La energía de estas ondas electromagnéticas es del mismo orden de magnitud que la de las energías implicadas en los procesos nucleares y, por consiguiente, la absorción de rayos γ puede producir algunos cambios nucleares. La radiación γ se produce en muchas sustancias radiactivas y se encuentra en grandes cantidades en los reactores nucleares y en la radiación cósmica. No es absorbida fácilmente por la mayoría de las sustancias, pero cuando un organismo viviente la absorbe, produce en él graves efectos. Aun así, los rayos γ se utilizan para tratar algunas formas de cáncer.