La radiación electromagnética

Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
lección 2
la radiación
1
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
sumario
z
z
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
z
z
z
z
la radiación
Introducción.
Campo Electromagnético.
Movimiento Ondulatorio.
La Onda Electromagnética.
Teoría Cuántica.
Espectro electromagnético.
2
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
la radiación
sistema de teledetección
z
Un sistema de teledetección se caracteriza por:
™
™
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
™
Emisión de radiación electromagnética de una fuente.
Interacción de la radiación con la superficie. terrestre.
Interacción de la radiación con la atmósfera.
Recepción de las ondas electromagnéticas.
3
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
Carlos Pinilla Ruiz
la radiación
4
sistema de teledección
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
Emisión
(Rad. Electromagnética)
Recepción
Interacción con
la atmósfera
Interacción con
la materia
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
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la radiación
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
sistema de teledección
5
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
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la radiación
las cuatro fuerzas de la naturaleza
z
Gravitatoria:
™
z
Electromagnética:
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
z
Ejercida entre cuerpos cargados eléctricamente.
Interacción nuclear fuerte:
™
z
Ejercida entre las masas.
Une los protones dentro del núcleo atómico.
Interacción nuclear débil:
™
Une nucleones (quarks) dentro del protón o
neutrón.
6
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
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la radiación
las cuatro fuerzas de la naturaleza
z
Gravitatoria:
™
z
Electromagnética:
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
z
Ejercida entre cuerpos cargados eléctricamente.
Interacción nuclear fuerte:
™
z
Ejercida entre las masas.
Une los protones dentro del núcleo atómico.
Interacción nuclear débil:
™
Une nucleones (quarks) dentro del protón o
neutrón.
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la radiación
8
campo electromagnético
z
Campo:
Teledetección
Ingeniería Técnica en Topografía
™
región del espacio en la que puede definirse una
función uniforme que depende de las coordenadas
de posición.
9
9
z
Si la magnitud asociada a la posición es una cantidad, el
campo se denomina escalar.
Si a cada posición se le puede asociar un vector, el campo
se denomina vectorial.
El campo electromagnético:
™
es el ejercido por una partícula cargada
eléctricamente.
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la radiación
los vectores del campo electromagnético
z
El campo electromagnético queda definido por los
vectores:
r
™
™
Teledetección
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z
campo eléctrico E r
campo magnético H
La fuerza ejercida sobre una partícula que se
desplaza en el seno de un campo electromagnético
es:
r
r
r
(
r
F =q E+v ∧B
)
vector inducción magnética
carga eléctrica
velocidad
r
r
B = μ0 H
permeabilidad magnética
9
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la radiación
10
las leyes de Maxwell
z
z
Maxwell relacionó la luz y el electromagnetismo.
Las Leyes de Maxwell (ecuaciones de campo)
definen las interacciones electromagnéticas:
Ley de Gauss para el campo eléctrico.
™ Ley de Gauss para el campo magnético.
™ Ley de induccion de Faraday-Henry
™ Ley de Ampère-Maxwell.
Teledetección
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™
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la radiación
ley de Gauss para el campo eléctrico
→
Teledetección
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div E =
1
ρ
ε0
r r r ∂E x ∂E y ∂E z
div E = ∇ ⋅ E =
+
+
∂x
∂y
∂z
9
siendo:
ρ = densidad de carga eléctrica.
Î ε0 = constante dieléctrica del medio.
Î
11
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la radiación
ley de Gauss para el campo magnético
Teledetección
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r
div B = 0
12
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la radiación
13
ley de inducción de Faraday-Henry
r
i
Teledetección
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r
r
∂B
rot E = −
∂t
r r r ∂
rot E = ∇ ∧ E =
∂x
Ex
r
j
∂
∂y
Ey
r
k
∂
=
∂z
Ez
⎛ ∂E z ∂E y ⎞ r ⎛ ∂E z ∂E x ⎞ r ⎛ ∂E y ∂E x ⎞ r
⎟⎟k
⎟⎟i + ⎜
= ⎜⎜
−
−
−
⎟ j + ⎜⎜
∂z ⎠ ⎝ ∂x
∂z ⎠
∂y ⎠
⎝ ∂x
⎝ ∂y
r
∂B ∂Bx r ∂B y r ∂Bz r
=
i +
j+
k
∂t
∂t
∂t
∂t
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la radiación
ley de inducción de Faraday-Henry
z
igualando término a término:
∂E z
Teledetección
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∂y
∂E z
∂x
∂E y
∂x
−
−
−
∂E y
∂z
∂E x
∂z
∂E x
∂y
=−
=−
=−
∂Bx
∂t
∂B y
∂t
∂Bz
∂t
14
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la radiación
15
ley de Ampère-Maxwell
r
r
r
∂E
rot B = μ 0 ε 0
+ μ0 J
∂t
Teledetección
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densidad de corriente:
r
r
∂E
Jd = ε0
∂t
r
r
J =σ ⋅E
conductividad eléctrica
corriente de desplazamiento
Variación de la carga con el tiempo
Variación del campo eléctrico
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la radiación
ley de Ampère-Maxwell en el vacío
z
En el vacío:
ρ=0
Teledetección
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y
r
J=0
r
div E = 0
r
div B = 0 r
r
∂B
rot E = −
∂t r
r
∂E
rot B = μ 0 ε 0
∂t
16
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la radiación
17
el movimiento ondulatorio
z
Teledetección
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z
z
z
z
La onda es una perturbación que se propaga en el
espacio.
En un campo que describa una propiedad física que
dependa del tiempo, la perturbación se propagará a
través del espacio.
Sea una función que describe el estado de los puntos
de una recta ξ=ξ(x).
La función ξ=ξ(x-a) tiene la misma forma y sólo se
diferencia un desplazamiento a.
Si a = vt, entonces la función representa una curva
que se desplaza sin deformación a lo largo del eje x
con una velocidad v.
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la radiación
el movimiento ondulatorio
ξ
Teledetección
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ξ=ξ(x).
x
ξ
ξ=ξ(x-a)
x
a
18
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la radiación
19
el movimiento ondulatorio
z
Si la función es sinusoidal del tipo:
y = ξ( x − vt ) = ξ o senk ( x − vt )
Teledetección
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z
el valor de la función en el punto x es el mismo que en el
punto x+2π/k:
⎡⎛
⎤
2π ⎞
2π ⎞
⎛
f ⎜ x + ⎟ = ξ 0 sen k ⎢⎜ x + ⎟ − vt ⎥ =
k ⎠
k ⎠
⎝
⎣⎝
⎦
= ξ 0 sen[k ( x − vt ) + 2π] = ξ 0 sen[k ( x − vt )] = f ( x )
z
La constante que representa el espacio tras el cual la
curva se repite de nuevo se le denomina longitud de
onda.
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y
la radiación
20
λ
λ = longitud de onda
O
x
Teledetección
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A
T
y
T = período
1/T = frecuencia
O
t
A
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la radiación
21
el movimiento ondulatorio
z
Teledetección
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z
z
Si la onda se genera en el espacio, la
ecuación incluirá una variable más:
ξ=ξ(x,y,z,t).
Frente de onda es el lugar geométrico de los
puntos del espacio alcanzados por la
perturbación en el instante t0, y queda definido
por: ξ(x,y,z,t)=ξ0.
Frentes de onda:
ondas planas
™ ondas cilíndricas
™ ondas esféricas
™
planos paralelos.
frentes cilíndricos.
esferas concéntricas.
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la radiación
22
La onda electromagnética
z
En un campo electromagnético que satisfaga
las condiciones de Maxwell en el vacío deben
existir:
un campo eléctrico paralelo al eje z en todos los
puntos del espacio.
™ un campo magnético paralelo al eje x
(perpendicular al campo eléctrico).
™ las intensidades de ambos deben depender
sólamente de su coordenada y y del tiempo t.
Teledetección
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™
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la radiación
23
la onda electromagnética
r
r
E = E 0 sen( y − vt ) k
r
r
B = B0 sen( y − vt ) i
Teledetección
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z
E0, B0 y v constantes
r
div E = 0
r
div B = 0 r
r
∂B
rot E = −
∂t r
r
∂E
rot B = μ 0 ε 0
∂t
Un campo así satisface las ecuaciones de
Maxwell bajo ciertas condiciones:
™
r
r
div E = 0 y div B = 0
r
E
la única componente de
es
Ez, que no depende de z, sino de y
r r r ∂E ∂E y ∂E z
+
div E = ∇ ⋅ E = x +
∂x
∂y
∂z
r
la única componente de B es
Bx, que no depende de x, sino de y
r r r ∂B ∂B y ∂Bz
+
div B = ∇ ⋅ B = x +
∂x ∂y
∂z
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la radiación
24
la onda electromagnética
™
Condición para dar cumplimiento a la 3ª ecuación de campo:
Teledetección
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r
r
E = E 0 sen( y − vt ) k
r
r
B = B0 sen( y − vt ) i
r
i
r ∂
rot E =
∂x
0
r
j
∂
∂y
0
r
k
r
∂
∂B
=−
∂z
∂t
Ez
r
r
∂
∂
[E0 sen( y − vt )] i = − [B0 sen( y − vt )] i
∂t
∂y
E0 cos( y − vt ) = −(− v )B0 cos( y − vt )
E0 = v B0
r
div E = 0
r
div B = 0 r
r
∂B
rot E = −
∂t r
r
∂E
rot B = μ 0 ε 0
∂t
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la radiación
25
la onda electromagnética
™
Condición para dar cumplimiento a la 4ª ecuación de campo:
r
i
r ∂
rot B =
∂x
Bx
Teledetección
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r
r
E = E 0 sen( y − vt ) k
r
r
B = B0 sen( y − vt ) i
r
j
∂
∂y
0
r
k
∂
=
∂z
0
r
div E = 0
r
div B = 0 r
r
∂B
rot E = −
∂t r
r
∂E
rot B = μ 0 ε 0
∂t
v
v
∂
∂
[B0 sen( y − vt )] k = μ 0 ε 0 [E0 sen( y − vt )] k
∂y
∂t
− B0 cos( y − vt ) = (−v) μ 0 ε 0 E0 cos( y − vt )
1
μ0 ε 0 = 2
c
B0 = μ 0 ε 0 v E0
B0 =
v = ±c
E0
c
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la radiación
26
Teledetección
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la onda electromagnética
z
El modelo de campo propuesto se propaga
con velocidad c = 3·108 m/s).
z
En cada punto de la onda y en cada instante,
la intensidad del campo eléctrico es igual a c
por la del magnético. En consecuencia,
ambos campos están en fase.
z
El campo eléctrico y el magnético son
perpendiculares entre sí y a la dirección de
propagación, siendo el rsentido
el resultante
r
del producto vectorial E ∧ B .
la radiación
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
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la onda electromagnética
Teledetección
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E
λ
B
x
27
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Teledetección
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polarización
la radiación
28
Dpto. de Ingeniería Cartográfica
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la radiación
29
la física cuántica
z
z
z
El electromagnetismo presenta deficiencias para explicar ciertos
fenómenos de interacción entre la radiación y materia.
La teoría cuántica de Planck palió estas deficiencias considerando que
todo cuerpo radiante emite energía electromagnética de forma discreta.
La energía emitida es multiplo entero de un determinado número,
denominado originalmente cuanto, y hoy conocido como fotón:
Teledetección
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ΔE = hν
™
h es la constante de Planck (6,626·10-34 J·s).
™
−27
también: h = h 2π = (1,05449 ± 0 ,00003) ⋅10 erg ⋅ s
™
™
z
ν es la frecuencia expresada en Hz, siendo ν = c λ
c es la velocidad de la luz expresada en m/s y λ la longitud de onda
expresada en m.
La radiación tiene una naturaleza dual:
™
™
corpuscular: explica los fenómenos de interacción con la materia.
ondulatoria: explica los fenómenos de propagación.
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la radiación
30
el espectro electromagnético
λ (m )
-13
-1 2
-11
- 10
10
10
10
-9
-8
-7
-6
10
-5
-4
10
10
-3
10
-2
10
-1
1
10
2
4
3
R ayo s γ
d u ro s
b la n d o s
IR próximo
IR medio
Teledetección
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R ayo s X
Ultravioleta
R ad ar
IR t é rm ic o
UHF
VH F
R a d io
M ic ro o n d a s
energía de enlace dela partícula α
rota ción de la molecula ICl
vibración de las moléculas
energía de enlace del H2
energía liberada e n la fisión
vibración de la molécula CO
Visible
de sinte gración β del tritio
Azul
0,4
R
R oojo
jo
Ver d e
0, 5
0, 6
HF
0, 7 μ m
MF
LF
10
5