LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Onda electromagnética (O.E.M.)

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 se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado.
Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad constante muy alta, pero no infinita de 300.000 km por segundo.
A esta velocidad podemos:
- darle la vuelta entera a la Tierra en 20 milisegundos
- viajar a la Luna en 1,3 segundos
- llegar al Sol en 8 minutos 19 segundos
- llegar a la estrella más cercana en 4,2 años
Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo que quizás esa estrella haya desaparecido ya. O enterarnos de un suceso que ocurre a miles de kilómetros prácticamente en el instante de producirse.
Años luz: En un año la luz recorre 9,46 millones de millones de kilómetros:
9.460.000.000.000 Km = 9,46 x 1012 Km.
A esta distancia se le llama el año-luz y es muy útil para expresar las distancias entre cuerpos estelares. Para viajar a la estrella más cercana (Alfa Centauro), la luz se demora 4,2 años, se dice entonces que Alfa Centauro se encuentra a una distancia de 4,2 años-luz.
Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en que estamos.
Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo del mundo actual.

Origen y formación

Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas
El campo eléctrico originado por la carga acelerada depende de la distancia a la carga, la aceleración de la carga y del seno del ángulo que forma la dirección de aceleración de la carga y a la dirección al punto en que medimos el campo.
En la teoría ondulatoria, desarrollada por Huygens, una onda electromagnética, consiste en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma, la onda se auto propaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose continuamente. Estas O.E.M. son sinusoidales (Curva que representa gráficamente la función trigonométrica seno), con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación .

Características de la radiación E.M.

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.
Los campos producidos por las cargas en movimiento pueden abandonar las fuentes y viajar a través del espacio (en el vacio) creándose y recreándose mutuamente. Lo explica la tercera y cuarta ley de Maxwell.

Leyes de Maxwell

Ley de Gauss y nos dice que el flujo a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga encerrada.
Ley de Gauss para el magnetismo, implica que en la naturaleza NO existen campos magnéticos de un polo (monopolos) , solo existen campos magnéticos de dos polos(dipolos), ya que en una superficie cerrada el número de líneas de campo que entran equivale al número de líneas que salen.
Ley de Faraday. Esta ley relaciona el flujo del campo magnético con el campo eléctrico, establece que el rotacional del campo eléctrico inducido por un campo magnético variable es igual a menos la derivada parcial del campo magnético con respecto al tiempo. La integral de circulación del campo eléctrico es la variación del flujo magnético.
Ley de Ampère, generalizada por Maxwell. Establece la relación entre los campos eléctrico y magnético, con corrientes eléctricas. Establece finalmente la forma en la que un campo eléctrico variable puede generar un campo magnético y como consecuencia, una corriente eléctrica en un circuito. Expresa cómo las líneas de un campo magnético rodean una superficie por la que, circula una corriente o hay una variación del flujo eléctrico. La integral de circulación del campo eléctrico es proporcional a la corriente y a la variación del flujo eléctrico.
Maxwell demostró que sus ecuaciones podían combinarse para dar lugar a una ecuación de ondas que debían satisfacer los vectores y cuya velocidad en el vacío debía ser:

Lo que da un valor de 299.792.458 m/s.

Fenómenos asociados a la R.E.M.

Interacción entre radiación electromagnética y conductores:
Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.
De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética.

Penetración de la R.E.M.

En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).

Origen y propagación de las O.E.

Una carga eléctrica acelerada crea un campo eléctrico variable y, como explican las leyes de Maxwell, los campos pueden abandonar la fuente que los produce y viajar por el espacio sin soporte material.
Los campos no necesitan un medio deformable que vibre a su paso, lo único que vibra son los valores de los campos E y B en cada lugar.
En efecto, un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable que, a su vez, engendra otro eléctrico y así avanzan por el espacio.
Las ondas electromagnéticas, son ondas transversales en donde el campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares entre sí, y a su vez perpendiculares a la dirección de propagación. No necesitan por tanto soporte material para su propagación haciéndolo incluso a través del vacío.

Como se aprecia en la ilustración, el campo eléctrico y el campo magnético están en fase, alcanzando valores máximos y valores mínimos al mismo tiempo.

Recuerda además que estos dos campos no son independientes, ya que sus valores instantáneos están relacionados entre sí por la expresión E=c.B
Expresión en la que c es la velocidad de propagación de la luz.

Propiedades de las ondas electromagnéticas

Para su propagación, las O.E.M. no requieren de un medio material específico. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas.
Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a la velocidad de la luz (c = 299.792 km/s.), hasta que su energía se agota.
A medida que la frecuencia se incrementa, la energía de la onda también aumenta. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λ.f=c son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.

Características principales de las ondas electromagnéticas

Las tres características principales de las ondas que constituyen el espectro electromagnético son:
Frecuencia (f)
Longitud ()
Amplitud (A)

Frecuencia

La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de tiempo, tal como se puede observar en la siguiente ilustración:

A.- Onda senoidal de un ciclo o hertz (Hz) por segundo.
B.- Onda senoidal de 10 ciclos o hertz por segundo.
La frecuencia de esas ondas del espectro electromagnético se representan con la letra (f) y su unidad de medida es el ciclo o Hertz (Hz) por segundo. Otras unidades de frecuencias muy utilizadas (en otros ámbitos) son las "revoluciones por minuto" (RPM) y los "radianes por segundo" (rad/s).
La frecuencia y el periodo están relacionados de la siguiente manera:

T.- Período: tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos valles por un mismo punto, o para completar un ciclo.

V.-Velocidad de propagación: Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c.
La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionados por las siguientes ecuaciones:

En donde:
C = Velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/seg).
= Longitud de onda en metros.
v = Velocidad de propagación.
T = Periodo.

Longitud

Las ondas del espectro electromagnético se propagan por el espacio de forma similar a como lo hace el agua cuando tiramos una piedra a un estanque, es decir, generando ondas a partir del punto donde cae la piedra y extendiéndose hasta la orilla.
Cuando tiramos una piedra en un estanque de agua, se generan ondas similares a las radiaciones propias del espectro electromagnético.
Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del espectro electromagnético poseen picos o crestas, así como valles o vientres. La distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de la onda electromagnética, constituye lo que se denomina “longitud de onda”.

P.- Pico o cresta: valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal del espectro electromagnético, cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece positivamente por encima del valor "0".
V.- Valle o vientre: valor máximo de signo negativo (–) que toma la onda senoidal del espectro electromagnético, cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el punto “0”. El valor de los valles aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece negativamente por debajo del valor "0".
N.- Nodo: Valor "0" de la onda senoidal.
La longitud de una onda del espectro electromagnético se representa por medio de la letra griega lambda. ( ) y su valor se puede hallar empleando la siguiente fórmula matemática:

De donde:
= Longitud de onda en metros.
c = Velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/seg).
f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz).

Amplitud

La amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como “nodo” o “cero”.
De acuerdo su longitud de onda, las O.E.M. pueden ser agrupadas en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas