Las ondas electromagnéticas, a diferencia de las ondas mecánicas, no requieren de un medio para propagarse, no obstante, las ondas electromagnéticas portan energía de una región del espacio a otra. Esta energía está asociada con los campos eléctrico y magnético en movimiento.
Simulación propagación de una onda electromagnética.
Imagen de And1mu, Wikimedia Commons
Ahora bien, al final de la primera lección vimos que, dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar como una onda o como un flujo de partículas, llamadas fotones, a este fenómeno se le conoce como la dualidad onda-partícula de la luz.
En el año 1905, el físico alemán Albert Einstein, publicó un artículo en el que explicaba el fenómeno de efecto fotoeléctrico, el cual era un experimento de la física que no tenía explicación en el ámbito de la física clásica. En este famoso artículo, por el cual se le otorgó el premio Nobel en el año de 1921, obtiene una expresión para el cálculo de la energía E de un fotón asociado con una onda electromagnética, esta energía es proporcional a la frecuencia de la onda asociada y se obtiene mediante la siguiente expresión:
$E= hf$
Donde f es la frecuencia de la onda y h es la constante de Planck, su valor es
$h = 6.626 \times 10^{-34} J\cdot s$
De esta expresión se puede observar que, a diferencia de las ondas mecánicas, la energía de las ondas electromagnéticas es directamente proporcional a su frecuencia de propagación. El experimento de efecto fotoeléctrico se abordará con más detalle en la unidad 3.
A continuación, veamos un ejemplo de cómo se calcula la energía de un fotón asociado a una onda electromagnética, si se conoce su frecuencia.
Ejemplo
Una onda de radio es una onda electromagnética. Calcula la longitud de onda de la trasmisión de una estación de radio FM que transmite a 100 MHz . ¿Cuál es el valor de la energía de un fotón asociado a esta onda?
Antena de emisoras de radio. Foto de ResoneTIC, Pixabay
Solución
Comenzaremos calculando la longitud de la onda utilizando la fórmula para la velocidad de propagación de las ondas que es v=f. Recordemos que en el caso de las ondas electromagnéticas, la velocidad de la luz al propagarse en el vacío es aproximadamente $c=3108ms c=3\times 10^{8} \frac{m}{s}$, podemos utilizar este valor aproximando para el caso de la propagación de la onda de radio en el aire. De este modo, tenemos lo siguiente:
$\lambda = \frac{v}{f} = \frac{c}{f}$
Sustituyendo los datos del problema
$\lambda= \frac{3×10^8 \frac{m}{s}}{100×10^6 Hz} = \frac{3×10^8 \frac{m}{s}}{100×10^6 \frac{1}{s}} = 3m$
Luego, calculamos la energía del fotón asociado a esta onda electromagnética, sustituyendo el valor de la constante de Planck y la frecuencia:
$E= hf = (6.626\times 10^{-34}J\cdot s)(100\times 10^6 \frac{1}{s}) = 6.626\times 10^{-34+8}J$
Finalmente
$E = 6.626 \times 10^{-26}J$
Conclusión
Una onda de radio con una frecuencia de 100 MHz (Megahertz) que se propaga en el aire, tiene una longitud de onda de 3 m, y la energía del fotón asociado a esta onda es $E=6.626\times 10^{-26}\ J$(Joule).
Actividad H5P
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