Historia y descubrimiento de las Ondas Electromagnéticas

James Clerk Maxwell fue el primero en hacer la observación teórica de que un campo electromagnético variable admite una solución cuya ecuación de movimiento se corresponde a la de una onda. Eso sugería que el campo electromagnético era susceptible de propagarse en forma de ondas, tanto en un medio material como en el vacío. Esta última posibilidad de propagación en el vacío suscitó ciertas dudas en su momento, ya que la idea de que una onda se propagara de forma auto-sostenida en el vacío resultaba extraña.

Además las ecuaciones de Maxwell sugerían que la velocidad de propagación en el vacío era constante, para todos los observadores. Eso llevo a interpretar la velocidad de propagación constante de las ondas electromagnéticas como la velocidad a la que se propagaban las ondas respecto a un supuesto éter inmóvil que sería un medio material muy sutil que invadiría todo el universo. Sin embargo, el famoso experimento de Michelson y Morley descartó la existencia del éter y quedó inexplicado hasta que Albert Einstein daría con la solución para la constancia de la velocidad de la luz en su teoría especial de la relatividad.

Ondas ElectromagnéticasLas ondas electromagnéticas son transversales, en ellas la dirección de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación.

Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell.

A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse.

Quizá el mayor logro teórico de la física en el siglo XIX fue el descubrimiento de las ondas electromagnéticas. El primer indicio fue la relación imprevista entre los fenómenos eléctricos y la velocidad de la luz.

Relación entre la electricidad y la luz

La idea de Faraday, que evolucionó hacia el concepto de "campo magnético: ese espacio en el que se pueden observar los cambios en las fuerzas magnéticas. Faraday también mostró que un campo magnético que cambia en el tiempo, como el producido por la corriente alterna (CA), podría conducir corrientes eléctricas, si los hilos de cobre estuvieran colocados de la forma adecuada. Esto era la "inducción magnética", el fenómeno en el que se basan los transformadores eléctricos.

Por lo tanto, los campos magnéticos podían producir corrientes eléctricas y ya sabemos que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. ¿Sería quizá posible que el espacio sustentara un movimiento ondulatorio alternante entre los dos? Del tipo de:

Campo Magnet

ico

Corriente

Electrica

Campo Magnet

ico

Corriente

Electrica

Campo Magneti

co

Corriente

Electrica

Las ondas electromagnéticas pueden seguir cualquier dirección en el espacio a partir de una antena, o del origen de la radiación, pero siempre seguirán manteniendo las dos componentes, eléctrica y magnética, con un desfase de 90° entre ellas, es decir, los dos campos seguirán siendo perpendiculares.

Situación de los campos eléctrico y magnético para 

la polarización vertical (a) y horizontal (b)

La onda electromagnética representada la polarización vertical puesto que es la disposición adoptada por el campo eléctrico de la misma. En caso de estar invertidos los campos eléctrico y magnético se dice que la polarización de la onda es horizontal.

Espectro de ondas

electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas, lejos del foco emisor, pueden considerarse ondas transversales planas formadas por un campo magnético y por un campo eléctrico, perpendiculares entre sí y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación. La amplitud de la radiación determina el brillo y la relación entre la amplitud y la fase de los campos eléctrico y magnético condiciona el estado de polarización.

La longitud de onda condicionará el color de la radiación. Un cambio de 50 nm o menos nos dará otro color diferente.

Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es constante en cada medio específico. Al pasar de un medio a otro la única característica que permanece constante es la frecuencia. La velocidad varía para cada longitud de onda. La frecuencia y la longitud de onda se relacionan según la siguiente expresión matemática:

Longitud de onda = C X T = C ÷ fDonde es la longitud de onda, C es la velocidad de la luz en el vacío, T el

periodo y "f" la frecuencia. La frecuencia es el número de vibraciones por unidad de tiempo y su unidad es por tanto el ciclo por segundo o el Hz (Hertzio), La longitud de onda es una distancia y por lo tanto su unidad de medida es el metro. Como la luz es una radiación electromagnética que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas se usan submúltiplos del metro, como son el Angstrom (Å) que es la diezmilmillonésima de metro y el Nanómetro (nm) que es la milmillonésima de metro.

Ondas longitudinales y transversales

Ondas Transversales: Las partículas del medio oscilan en ángulos rectos con respecto a la dirección en la que viaja la onda, es decir, con respecto a su dirección de propagación. Ejemplo. Onda en el agua, radiación electromagnética.

Ondas Longitudinales: Las partículas oscilan a lo largo de la línea que representa la dirección en la que la onda está viajando. Ejemplo: sonido

Tipos de Ondas Electromagneticas

Infrarrojos: El calor es también una radiación de tipo electromagnético, su campo se extiende desde 750 GHz hasta 3 THz. Las radiaciones infrarrojas tienen aplicación en calefacción, en dispositivos de control, etc. Es emitida por cuerpos calientes y son debidas a vibraciones de los átomos.

Su longitud de onda varía entre 10 -

3m < lambda < 10-7m

La fotografía infrarroja tiene grandes aplicaciones, en la industria textil se utiliza para identificar colorantes, en la detección de falsificaciones de obras de arte, en telemandos, estudios de aislantes térmicos, etc. En la foto se observa la fotografía en infrarrojos de una mano

Tipos de Ondas Electromagnéticas

Espectro visible: El campo visible abarca aproximadamente desde 375x10 12 hasta 750x10 11 Hz, lo que representa longitudes de onda comprendidas entre 0,8 y 0,4 mm. Es la pequeña parte del espectro electromagnético a la que es sensible el ojo humano.

Se producen por saltos electrónicos entre niveles atómicos y moleculares. Las longitudes de onda que corresponden a los colores básicos son

Rojo De 6200 a 7500 Ao

Naranja De 5900 a 6200 Ao

Amarillo De 5700 a 5900 Ao

Verde De 4900 a 5700 Ao

Azul De 4300 a 4900 Ao

Violeta De 4000 a 4300 Ao

Tipos de Ondas Electromagnéticas

Rayos ultravioleta UVA: Por encima de las radiaciones visibles tenemos los rayos ultravioleta que, aunque no sean visibles, como sucede con los infrarrojos, podemos sentirlos en nuestro cuerpo. Estos rayos se propagan entre 750x10 12 y 3x10 16 Hz.

Se producen por saltos electrónicos entre átomos y moléculas excitados. Su longitud de onda está entre 30Ao < lambda < 4000 Ao .

El Sol es emisor de rayos ultravioleta, son absorbidos por la capa de ozono, y si se recibe en dosis muy grandes puede ser peligrosa ya que impiden la división celular, destruyen microorganismos y producen quemaduras y pigmentación de la piel.

Tipos de Ondas Electromagnéticas

Rayos X: De aplicación en electro-medicina, los rayos Roentgen abarcan las frecuencias comprendidas entre 3x10 16 y 6x10 19 Hz. Se producen por oscilaciones de los electrones próximos a los núcleos. Su longitud de onda está entre 0.1Ao < lambda < 30 Ao.

Son muy energéticos y penetrantes, dañinos para los organismos vivos, pero se utilizan de forma controlada para los diagnósticos médicos.

Tipos de Ondas Electromagnéticas

Rayos gamma: Provienen de las radiaciones de los materiales radiactivos y se propagan a frecuencias entre 6x10 19 y 3x10 22 H z. Su longitud de onda (lambda) < 0.1 Ao, donde 1 Ao (Armstrong) es igual a 10 -10m. Se originan en las desintegraciones nucleares que emiten radiación gamma. Son muy penetrantes y muy energéticas

Tipos de Ondas Electromagnéticas

Radiación de microondas: Son producidas por vibraciones de moléculas. Su longitud de onda está en el rango de 0.1 mm < lambda < 1 m

Se utilizan en radioastronomía y en hornos eléctricos. Esta última aplicación es la más conocida hoy en día y en muchos hogares se usan los "microondas". Estos hornos calientan los alimentos generando ondas microondas que en realidad calientan selectivamente el agua. La mayoría de los alimentos, incluso los "secos" contienen agua.

Las microondas hacen que las moléculas de agua se muevan, vibran, este movimiento produce fricción y esta fricción el calentamiento. Así no sólo se calienta la comida, otras cosas, como los recipientes, pueden calentarse al estar en contacto con los alimentos.

Tipos de Ondas Electromagnéticas

Ondas de radio: son ondas electromagnéticas producidas por el hombre con un circuito oscilante. Su longitud de onda varía entre 1 cm < lambda < 1 km.

Se emplean en radiodifusión, las ondas usadas en la televisión son las de longitud de onda menor y las de radio son las de longitud de onda mayor.

Las radioondas más largas se reflejan en la ionosfera y se pueden detectar en antenas situadas a grandes distancias del foco emisor. Las ondas medias se reflejan menos en la ionosfera, debido a su gran longitud de onda pueden superar obstáculos, por lo que pueden recorrer grandes distancias. Para superar montañas necesitan repetidores. Las ondas cortas no se reflejan en la ionosfera, requieren repetidores más próximos. Se transmiten a cualquier distancia mediante los satélites artificiales. Este tipo de ondas son las que emiten la TV, teléfonos móviles y los radares.

Radiodifusión:

El Comité Consultivo Internacional de las Comunicaciones de Radio (CCIR) dividió en 1953 el espectro de frecuencias dedicado a la propagación de las ondas de radio, en las bandas y utilizaciones más importantes. Las ondas de radio utilizadas en radiodifusión marina son las más largas, entre 2.000 y 1.000 m y su frecuencia está comprendida entre 30 y 300 kHz. La gama de onda media comprende las frecuencias entre 300 kHz y 3 MHz, de uso preferente en radiodifusión OM. La gama de ondas cortas, que alcanzan distancias más elevadas, tiene una longitud entre 100 y 10 m y se propagan entre 3 y 30 MHz Finalmente, las ondas ultracortas van desde 10 a 1m propagándose entre 30 y 300 MHz

En estos últimos puntos ya existe un solapamiento entre ondas de radio, televisión y frecuencia modulada. Esto es así porque esta última trabaja en el margen de frecuencia comprendido entre 88 y 108 MHz en América, entre 66 y 72 MHz en Europa Oriental y entre 88 y 104 MHz en el resto del Mundo.

Radiodifusión:

La radiodifusión nació en EE.UU. y de allí provienen la mayoría de las publicaciones de orden técnico que llegan a nuestras manos, por ello, aunque hagamos la oportuna traducción a nuestro idioma es conveniente conocer el significado de las abreviaturas más corrientes.

VLF Very Low Frequency Muy Baja Frecuencia

LF Low Frequency Baja Frecuencia

M F Medium Frequency Frecuencia Media

H F High Frequency Alta Frecuencia

VHF Very High Frequency Muy Alta Frecuencia

UHF Ultra High Frequency Ultra Alta Frecuencia

SHF Super High Frequency Frecuencia Súper-Alta

EHF Extremely High Frequency Frecuencia Extremadamente Elevada

Radiodifusión:

Sigla Rango Denominación Empleo

VLF 10 kHz a 30 kHz Muy baja frecuenciaRadio gran

alcance

LF 30 kHz a 300 kHz Baja frecuencia Radio, navegación

MF 300 kHz a 3 MHz Frecuencia mediaRadio de onda

media

HF 3 MHz a 30 MHz Alta frecuenciaRadio de onda

corta

VHF 30 MHz a 300 MHz Muy alta frecuencia TV, radio

UHF 300 MHz a 3 GHz Ultra alta frecuencia TV, radar

SHF 3 GHz a 30 GHz Súper alta frecuencia Radar

EHF 30 GHz a 300 GHz Extra alta frecuencia Radar

Ecuaciones de Maxwell

Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792 km/s), y su dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí).

Dualidad onda - corpúsculo

Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

Donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda

Dispersión de la luz blanca en un prisma.La permitividad eléctrica y la

permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de onda).

La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismáticos o telescopios.