Introducción a las ondas electromagnéticas

Introducción a las ondas electromagnéticas
Maxwell (1831-1879), 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:=0. 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
f.e.m. inducida:   
d
, 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.
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
oscilaciones por segundo
La
relación
entre
magnitudes es :
de
estas
velocidad de propagación: v 
 (longitud de onda)
T(Período)
  . ( frecuencia)
De las ecuaciones de Maxwell se deduce que toda radiación electromagnética se
1
propaga en el vacío a la velocidad c 
, siendo  0 y 0 la permitividad eléctrica y la
 0 o
permeabilidad magnética en el vacío respectivamente (c = 299.792.458 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
refracción de un medio (n) como n 
c
.
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 si n1  n2 sin2
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
es: m 
c

 n  0 , siendo 0 la longitud/ de onda en el vacío.
 
n
v
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  E0 cos( t) ; B  B0 cos( t)
siendo
t la denominada fase de la onda.
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 0.3 m. El intervalo o gama de frecuencias va desde unos pocos Hz
hasta 106Hz 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 0.3 m hasta
-3
10 m. El intervalo de frecuencias es desde 109 Hz hasta 3 X 10 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 10-3m hasta
7,8.10-7 m (780 nm). El intervalo de frecuencias es de 3.1011 Hz hasta 4.1014 Hz. La región está
subdividida en tres: el infrarrojo lejano, de 10-3 m a 3.10-5 m; el infrarrojo central, de 3.10-5 m a
3.10-6 m; y el infrarrojo cercano, que se extiende hasta 7,8.10-7aproximadamente. 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.

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 10-7 m hasta
3,8.10-7 (780 nm a 380 nm) y frecuencias de 4.1014 Hz hasta 8.1014 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
-7
aproximadamente 5,6.10 m (560nm).
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 3,8.10-7 m hasta 6.10-10 m, con
frecuencias que van desde 8.1014 Hz hasta 3.1017 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 90 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 10-9 m hasta longitudes de onda de aproximadamente 6.10-12
m, o frecuencias entre 3.1017Hz y 5.1019 Hz. Los rayos W, descubiertos en 1895 por
WilhelmaRöntgen (1845-1923) 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 10-10 m
aproximadamente, hasta muy por debajo de los
10-14 m, con un intervalo de frecuencias
correspondiente que va desde 3.1018 Hz hasta más
de 3.1022 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.