Cuando se genera una perturbación en un medio material o elástico donde se propaga energía sin movimiento de masas, estamos hablando de ondas mecánicas. Un ejemplo de este tipo de ondas es el sonido que se propaga por un medio elástico como es el aire. Pero existen otro tipo de ondas que no necesitan un medio elástico de propagación como es el caso de la luz, a este tipo de ondas se les denominan ondas electromagnéticas y pueden viajar por el vacío a grandes velocidades manifestando los fenómenos de interferencia, difracción, reflexión, refracción y polarización.

Si el campo eléctrico es variable produce un campo magnético, o si el campo magnético es variable también produce un campo eléctrico que varía con el tiempo, quiere decir que los dos campos están estrechamente relacionados constituyendo un campo electromagnético. Estos campos electromagnéticos generados son perpendiculares y su propagación genera las ondas electromagnéticas.

La forma analítica para comprender las ondas electromagnéticas es observar las regiones que conforma el espectro electromagnético, caracterizado por las amplias gamas de frecuencias o de longitudes de onda.

Objetivo general

Analizar y modelar una onda electromagnética haciendo uso de las ecuaciones de Maxwell.

Objetivos específicos

• Interpretar los fenómenos ondulatorios de ondas mecánicas con los conceptos de onda electromagnética.
• Interpretar el concepto de ondas electromagnéticas planas.
• Establecer el carácter electromagnético característico de las ondas luminosas.
• Utilizar las ecuaciones de Maxwell para ondas electromagnéticas.
• Describir las diferentes regiones del espectro electromagnético.

Una onda es la transmisión de energía de un punto a otro sin movimiento de masas; aquellas que necesitan un medio elástico como el aire son llamadas ondas mecánicas. Existen otras ondas que se transmiten en el espacio vacío a las que se le llaman ondas electromagnéticas.

Estas ondas se caracterizan por tener una interacción entre los campos eléctricos y magnéticos como es el caso de la luz.

La ley de Faraday indica que una fuente de campo eléctrico es producida por una variación de un campo magnético en el tiempo y que un campo eléctrico variante en el tiempo produce un campo eléctrico como lo establece la ley de Ampere – Maxwell.

Así, una carga en reposo (no varia respecto al tiempo) da inicios de análisis de los campos eléctricos y magnéticos de forma independiente. De esta manera, se reúnen las cuatro ecuaciones de Maxwell en la interacción de cargas en reposo o movimiento.

Estas interacciones son capaces de propagarsen de un lugar a otro y al tener las mismas características de una onda se las llama ondas electromagnéticas.

Una forma de pensar en el movimiento ondulatorio es cuando tenemos una carga en el espacio y ésta vibra con movimiento armónico simple asociado a una expulsión de la energía en sus extremos, exceptuando su punto de equilibrio o posición inicial. Con los experimentos del físico alemán Heinrich Hertz en 1887 se corroboró el postulado teórico dado a la velocidad de la luz por Maxwell, cuando determinó las frecuencias de resonancia de sus circuitos y por ende, la rapidez y longitud de onda por radio de la expresión.

Donde concuerda la velocidad generada por la onda con la velocidad de la luz. La frecuencia se mide en Hertz en honor a estos trabajos realizados por dicho autor.

Material de apoyo

Al poner a vibrar el campo eléctrico:

Y el campo magnético:

En un solo eje de simetría, por ejemplo en el eje x, estas dos cantidades deben ser perpendiculares moviéndose a una velocidad constante C o velocidad de la luz.

En este caso los campos son uniformes en dirección de su propagación y la onda resultante se le conoce como Onda Plana. Una forma de verificar si esta onda cumple con las dos primeras ecuaciones de Maxwell, esto es; las ecuaciones de Gauss para el campo eléctrico y la ley de Gauss para el campo magnético.

Uno de los fenómenos ondulatorios en las ondas electromagnéticas es la reflexión. Este fenómeno hace que los objetos reflejan o brillen. El principio de superposición indica que al sumar una onda incidente con una onda reflejada forma una onda estacionaria.

En una onda electromagnética el campo eléctrico total, es la suma vectorial de todos los campos eléctricos incidentes y reflejados.

Material de apoyo

Las ondas electromagnéticas al igual que las ondas mecánicas se propagan de forma sinusoidal tanto en el tiempo como en el espacio en cualquier punto del campo eléctrico y del campo magnético.

Teniendo en cuenta que la frecuencia f es el número de revoluciones en un tiempo dado, c es la velocidad de la luz y λ la longitud de onda se relacionan mediante:

La siguiente interactividad complementa lo anterior y lo ejemplifica para mayor claridad. La característica fundamental de las ondas electromagnéticas es que se pueden propagar en el espacio vacío, pero además lo hace en ambientes donde está presente un medio elástico como lo requieren las ondas mecánicas para su propagación.

Este medio elástico que sirve como canal para la propagación de ondas mecánicas está presente en los estados de la materia: (líquido, sólido y gaseoso). Veamos los siguientes ejemplos.

La transmisión de una onda electromagnética conlleva energía asociada producida por la interacción de sus campos eléctricos y magnéticos; esta energía es aprovechada en diversos campos, tanto naturales, como artificiales.

La energía del sol es vital para las plantas y su proceso de fotosíntesis. En elementos artificiales, el ser humano la manipula en los electrodomésticos como el horno microondas, la radio, rayos X entre otros.

La energía asociada a las ondas electromagnéticas se transmite a través de un tiempo dado. La región del espacio ocupado por esta onda se puede definir como el área de la sección transversal que se transmite en un tiempo determinado sobre la perpendicular a la dirección en que viaja la onda.

De esta manera, podemos concluir que la onda se desplaza en un segmento infinitesimal de espacio con la característica que su velocidad es constante, para ello tenemos:

dx = cdt

El flujo de energía que pasa por el área en un tiempo determinado se le conoce con el nombre de: el vector de Poynting S. Introducido por el físico inglés, John Poynting (1854 - 1914). Al calcular la potencia en términos del vector, obtenemos:

Una de las características principales que tienen los cuerpos materiales es que transmiten momento lineal o cantidad de movimiento. La cantidad de movimiento P es el producto de su masa por la velocidad del cuerpo. P = mv.

Esta cantidad de movimiento relacionada a las ondas no está asociada con la masa, pero sí con la densidad de la cantidad de movimiento.

Para una mejor comprensión se presentan los siguientes ejemplos.

Material de apoyo

Las ondas electromagnéticas tienen la característica de que todas viajan a la misma velocidad, esto es a c = 3x10⁸ m/s o velocidad de la luz. Una onda tiene como característica además de la velocidad, la frecuencia y la longitud de onda.

Cuando podemos manipular las frecuencias que conforman el espectro electromagnético a un solo valor, esto es, un solo color se considera luz monocromática ya que solo tiene una frecuencia incluida, mientras que la luz normal posee varias frecuencias, por lo que, se suele llamar luz policromática. Un análisis más profundo y detallado del espectro son las líneas espectrales, las cuales forman parte de la identificación de dicho elemento o de la composición de la sustancia a examinar.

Fue Isaac Newton quien bautizó esta radiación como espectro al encontrar que la luz se descompone en una serie de frecuencias cuando pasa a través de un prisma.

Actividad de aprendizaje

Juega y repasa todo lo relacionado con las ondas electromagnéticas.

Una onda es la transmisión de energía de un punto a otro sin movimiento de masas, aquellas que necesitan un medio elástico como el aire son llamadas ondas mecánicas. Existen otras ondas que se transmiten en el espacio vacío a las que se le llaman ondas electromagnéticas.

En 1865 Maxwell unificó los dos criterios sobre los campos eléctricos y magnéticos que se representan en sus cuatro ecuaciones.

Las frecuencias, la rapidez y longitud de onda se relacionan por medio de la expresión:

Donde concuerda la velocidad generada por la onda a la velocidad de la luz. La frecuencia se mide en Hertz Hz.

La onda plana se da cuando los campos son uniformes en dirección de su propagación.

Uno de los fenómenos ondulatorios en las ondas electromagnéticas es la reflexión.

Un ejemplo de onda mecánica es el sonido y se propaga gracias a que el aire es un medio elástico. Al igual que el sonido, la luz que es una onda electromagnética, también se propaga en los estados de la materia, sean conductores de carga o no, como es el caso de los dieléctricos. Esta relación se determina con el índice de refracción del material: