11.3: Producción y Propiedades de Ondas Electromagnéticas
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- Describir las ondas eléctricas y magnéticas a medida que salen de una fuente, como un generador de CA.
- Describir el momento que llevan las ondas electromagnéticas y su relación con la presión de radiación.
Podemos obtener una buena comprensión de las ondas electromagnéticas (EM) considerando cómo se producen. Siempre que una corriente varía, los campos eléctricos y magnéticos asociados varían, saliendo de la fuente como ondas. Quizás la situación más fácil de visualizar es una corriente variable en un cable recto largo, producida por un generador de CA en su centro, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\).
El campo eléctrico (\(\mathbf{E}\)) que se muestra alrededor del cable es producido por la distribución de carga en el cable. Tanto la distribución\(\mathbf{E}\) de carga como la distribución de carga varían a medida que cambia la corriente. El campo cambiante se propaga hacia afuera a la velocidad de la luz.
Existe un campo magnético asociado (\(\mathbf{B}\)) que también se propaga hacia afuera (ver Figura\(\PageIndex{2}\)). Los campos eléctrico y magnético están estrechamente relacionados y se propagan como una onda electromagnética. Esto es lo que sucede en las antenas de difusión como las de radio y de las estaciones de televisión.
Un examen más detallado del ciclo completo mostrado en la Figura\(\PageIndex{1}\) revela la naturaleza periódica de las cargas impulsadas por el generador que oscilan hacia arriba y hacia abajo en la antena y el campo eléctrico producido. En el momento\(t=0\), existe la separación máxima de carga, con cargas negativas en la parte superior y cargas positivas en la parte inferior, produciendo la máxima magnitud del campo eléctrico (o\(E\) -campo) en dirección ascendente. Un cuarto de ciclo después, no hay separación de carga y el campo al lado de la antena es cero, mientras que el\(E\) campo máximo se ha alejado a velocidad\(c\).
A medida que el proceso continúa, la separación de carga se invierte y el campo alcanza su valor máximo descendente, vuelve a cero y sube a su valor máximo ascendente al final de un ciclo completo. La onda saliente tiene una amplitud proporcional a la separación máxima de carga. Su longitud de onda (\(\lambda\)) es proporcional al periodo de la oscilación y, por lo tanto, es menor para periodos cortos o frecuencias altas. (Como de costumbre, la longitud de onda y la frecuencia (\(f\)) son inversamente proporcionales).
Ondas Eléctricas y Magnéticas: Moviéndose Juntos
Siguiendo la ley de Ampere, la corriente en la antena produce un campo magnético, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La relación entre\(\mathbf{E}\) y\(\mathbf{B}\) se muestra en un instante en la Figura\(\PageIndex{2}\) (a). A medida que la corriente varía, el campo magnético varía en magnitud y dirección.
Las líneas de campo magnético también se propagan lejos de la antena a la velocidad de la luz, formando la otra parte de la onda electromagnética, como se ve en la Figura\(\PageIndex{2}\) (b). La parte magnética de la onda tiene el mismo periodo y longitud de onda que la parte eléctrica, ya que ambas son producidas por el mismo movimiento y separación de cargas en la antena.
Las ondas eléctricas y magnéticas se muestran juntas en un instante en el tiempo en la Figura\(\PageIndex{3}\). Los campos eléctricos y magnéticos producidos por una antena larga de cable recto están exactamente en fase. Obsérvese que son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación, haciendo de ésta una onda transversal.
Las ondas electromagnéticas generalmente se propagan desde una fuente en todas las direcciones, formando a veces un patrón de radiación complejo. Una antena lineal como esta no irradiará paralela a su longitud, por ejemplo. La onda se muestra en una dirección desde la antena en la Figura\(\PageIndex{3}\) para ilustrar sus características básicas.
En lugar del generador de CA, la antena también puede ser accionada por un circuito de CA. De hecho, las cargas irradian cada vez que se aceleran. Pero mientras que una corriente en un circuito necesita una trayectoria completa, una antena tiene una distribución de carga variable formando una onda estacionaria, impulsada por la CA. Las dimensiones de la antena son críticas para determinar la frecuencia de las ondas electromagnéticas radiadas. Este es un fenómeno resonante y cuando sintonizamos radios o TV, variamos las propiedades eléctricas para lograr condiciones resonantes adecuadas en la antena.
Recepción de ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas llevan la energía lejos de su fuente, similar a una onda sonora que transporta energía lejos de una onda estacionaria en una cuerda de guitarra. Una antena para recibir señales EM funciona en reversa. Y al igual que las antenas que producen ondas EM, las antenas receptoras están especialmente diseñadas para resonar a frecuencias particulares.
Una onda electromagnética entrante acelera los electrones en la antena, configurando una onda estacionaria. Si la radio o TV está encendida, los componentes eléctricos captan y amplifican la señal formada por los electrones acelerantes. Luego, la señal se convierte a formato de audio y/o video. A veces se utilizan platos receptores grandes para enfocar la señal en una antena.
De hecho, las cargas irradian cada vez que se aceleran. Al diseñar circuitos, a menudo asumimos que la energía no escapa rápidamente a los circuitos de CA, y sobre todo esto es cierto. Una antena de difusión está especialmente diseñada para mejorar la tasa de radiación electromagnética, y el blindaje es necesario para mantener la radiación cerca de cero. Algunos fenómenos familiares se basan en la producción de ondas electromagnéticas por corrientes variables. Tu horno microondas, por ejemplo, envía ondas electromagnéticas, llamadas microondas, desde una antena oculta que tiene una corriente oscilante impuesta sobre ella.
Momentum transportado por ondas electromagnéticas
A medida que se reciben ondas electromagnéticas, como se describió anteriormente, las fuerzas ejercidas sobre las partículas cargadas (ver [enlace] 1 para los diagramas) trabajan sobre las partículas e incrementan su energía. La energía que lleva la luz solar es una parte familiar de cada día cálido y soleado. Una característica mucho menos familiar de la radiación electromagnética es la presión extremadamente débil que produce la radiación electromagnética al ejercer una fuerza en la dirección de la onda. Esta fuerza se produce debido a que las ondas electromagnéticas contienen y transportan impulso.
Para entender la dirección de la fuerza para un caso muy específico, considere una onda electromagnética plana incidente sobre un metal. Los electrones en el metal se mueven con la velocidad\(\boldsymbol{v}\) que es proporcional a la fuerza sobre él debido a la fuerza eléctrica aplicada (en dirección opuesta a\(\boldsymbol{E}\) porque el electrón está cargado negativamente). Hay otras fuerzas de fricción en el metal que hacen que este movimiento suceda (este es el origen de la ley de Ohm en los circuitos eléctricos). Tenga en cuenta que también hay un campo magnético en la onda electromagnética (Figura\(\PageIndex{4}\)). Usando la regla de la derecha (la fuerza magnética es\(\boldsymbol{F}=q(\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{B})\)), podemos obtener la dirección de la fuerza sobre el electrón (recuerde que el electrón está cargado negativamente), que se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). Esta fuerza está en la misma dirección que la dirección de propagación de la onda, y representa una transferencia de impulso transportada por la onda electromagnética de la onda al electrón. Este impulso es directamente proporcional a la energía transportada por la onda electromagnética y viene dado por,
\[p=\frac{E}{c}, \nonumber \]
donde\(p\) está la magnitud del impulso de la onda electromagnética,\(E\) es la energía de la onda electromagnética, y\(c\) es la velocidad de la luz.
Maxwell predijo que una onda electromagnética lleva impulso. Un objeto que absorba una onda electromagnética experimentaría una fuerza en la dirección de propagación de la onda. La fuerza corresponde a la presión de radiación ejercida sobre el objeto por la onda. La fuerza sería el doble de grande si la radiación se reflejara en lugar de absorberse, porque el cambio en el momento de la onda electromagnética en sí es el doble de grande (y hacemos cumplir la conservación del impulso del sistema en su conjunto).
La predicción de Maxwell fue confirmada en 1903 por Nichols y Hull midiendo con precisión las presiones de radiación con un balance de torsión. La disposición esquemática se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\). Los espejos suspendidos de una fibra se alojaron dentro de un recipiente de vidrio. Nichols y Hull pudieron obtener una pequeña desviación medible de los espejos al brillar luz en uno de ellos. A partir de la deflexión medida, pudieron calcular la fuerza desequilibrada sobre el espejo, y obtuvieron concordancia con el valor predicho de la fuerza.
La presión de radiación juega un papel en la explicación de muchos fenómenos astronómicos observados, incluida la aparición de cometas. Los cometas son básicamente trozos de material helado en los que se incrustan gases congelados y partículas de roca y polvo. Cuando un cometa se acerca al Sol, se calienta y su superficie comienza a evaporarse. El coma del cometa es la zona nebulosa que lo rodea a partir de los gases y el polvo. Algunos de los gases y polvo forman colas cuando salen del cometa. Observe en la Figura\(\PageIndex{6}\) que un cometa tiene dos colas. La cola de iones (o cola de gas en la Figura\(\PageIndex{6}\)) está compuesta principalmente por gases ionizados. Estos iones interactúan electromagnéticamente con el viento solar, que es una corriente continua de partículas cargadas emitidas por el Sol. La fuerza del viento solar sobre los gases ionizados es lo suficientemente fuerte como para que la cola de iones casi siempre apunte directamente lejos del Sol. La segunda cola está compuesta por partículas de polvo. Debido a que la cola de polvo es eléctricamente neutra, no interactúa con el viento solar. Sin embargo, esta cola se ve afectada por la presión de radiación producida por la luz del Sol. Aunque bastante pequeña, esta presión es lo suficientemente fuerte como para provocar que la cola de polvo se desplace de la trayectoria del cometa.
Después de que Maxwell mostrara que la luz llevaba impulso así como energía, finalmente surgió una idea novedosa, inicialmente solo como ciencia ficción. Quizás una nave espacial con una gran vela solar reflectante podría usar la presión de radiación para la propulsión. Dicho vehículo no tendría que llevar combustible. Experimentaría una fuerza constante pero pequeña de la radiación solar, en lugar de las cortas ráfagas de la propulsión de cohetes. Se aceleraría lentamente, pero al ser acelerado continuamente, eventualmente alcanzaría grandes velocidades. Una nave espacial con pequeña masa total y una vela con un área grande serían necesarias para obtener una aceleración utilizable.
El último logro en este concepto está representado por el proyecto IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA), que se lanzó en mayo de 2010. La vela solar IKAROS se encuentra actualmente viajando a través del sistema solar. Durante su viaje de seis meses a Venus, la aceleración y el control de actitud utilizando la vela solar, en lugar de propulsores, fueron probados con éxito. La última actualización de la nave espacial fue en mayo de 2014, en una órbita de diez meses alrededor del Sol. En la Figura se muestra un modelo a escala de la nave espacial\(\PageIndex{7}\).
Resumen de la Sección
- Las ondas electromagnéticas son creadas por cargas oscilantes (que irradian cada vez que se aceleran) y tienen la misma frecuencia que la oscilación.
- Dado que los campos eléctricos y magnéticos en la mayoría de las ondas electromagnéticas son perpendiculares a la dirección en la que se mueve la onda, generalmente es una onda transversal.
- Las ondas electromagnéticas llevan impulso y ejercen presión de radiación.
- El impulso de una onda electromagnética es directamente proporcional a su energía.
Glosario
- campo eléctrico
- una cantidad vectorial (E); las líneas de fuerza eléctrica por unidad de carga, que se mueven radialmente hacia afuera desde una carga positiva y hacia una carga negativa
- fuerza de campo eléctrico
- la magnitud del campo eléctrico, denotado E -field
- campo magnético
- una cantidad vectorial (B); se puede utilizar para determinar la fuerza magnética sobre una partícula cargada en movimiento
- fuerza del campo magnético
- la magnitud del campo magnético, denotado campo B
- onda transversal
- una onda, como una onda electromagnética, que oscila perpendicularmente al eje a lo largo de la línea de desplazamiento
- onda estacionaria
- una onda que oscila en su lugar, con nodos donde no ocurre movimiento
- longitud de onda
- la distancia de un pico al siguiente en una ola
- amplitud
- la altura, o magnitud, de una onda electromagnética
- frecuencia
- el número de ciclos de onda completos (arriba-abajo hacia arriba) que pasan un punto dado dentro de un segundo (ciclos/segundo)
- resonante
- un sistema que muestra una oscilación mejorada cuando se somete a una perturbación periódica de la misma frecuencia que su frecuencia natural
- oscilar
- para fluctuar de ida y vuelta en un ritmo constante
- presión de radiación
- presión ejercida por una onda electromagnética sobre una superficie
- vela solar
- una nave espacial que utiliza la presión de radiación debida a la radiación solar en su propulsión
1 Sección 16.2: Ecuaciones de Maxwell y Ondas Electromagnéticas
Universidad Física II - Termodinámica, Electricidad y Magnetismo