SubDETERMINACION DE LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS. Teoría de
maxwell sobre las ondas electromagneticas Métodos de
producción de ondas Experimento de Hertz Propiedades de
las ondas electromagneticas Ondas electromagneticas planas
Energia y momentum B. APLICACIÓN DEL ESPECTRO DE LA
RADIACION ELECTROMAGNETICA Ondas de radiofrecuencia Microondas
Ondas infrarrojas Luz visible Rayos ultravioleta Rayos x Rayos
gamma
Teoría De MaxwellSobre Las Ondas Electromagnéticas
SubJames Clerk Maxwell (Edimburgo, Escocia, 13 de junio de 1831
– Cambridge, Inglaterra, 5 de noviembre de 1879).
Físico escocés conocido principalmente por haber
desarrollado la teoría electromagnética
clásica, sintetizando todas las anteriores observaciones,
experimentos y leyes sobre electricidad, magnetismo y aun sobre
óptica, en una teoría consistente. Las ecuaciones
de Maxwell demostraron que la electricidad, el magnetismo y hasta
la luz, son manifestaciones del mismo fenómeno: el campo
electromagnético. Desde ese momento, todas las otras leyes
y ecuaciones clásicas de estas disciplinas se convirtieron
en casos simplificados de las ecuaciones de Maxwell. Su trabajo
sobre electromagnetismo ha sido llamado la "segunda gran
unificación en física", después de la
primera llevada a cabo por Newton. Además se le conoce por
la estadística de Maxwell-Boltzmann en la teoría
cinética de gases.
SubMaxwell fue una de las mentes matemáticas más
preclaras de su tiempo, y muchos físicos lo consideran el
científico del siglo XIX que más influencia tuvo
sobre la física del siglo XX habiendo hecho contribuciones
fundamentales en la comprensión de la naturaleza. Muchos
consideran que sus contribuciones a la ciencia son de la misma
magnitud que las de Isaac Newton y Albert Einstein. En 1931 con
motivo de la conmemoración del centenario de su
nacimiento, Albert Einstein describió el trabajo de
Maxwell como «el más profundo y provechoso que la
física ha experimentado desde los tiempos de Newton.
Maxwell se dedicó a la realización de estudios de
carácter privado en sus posesiones de Escocia. Es el
creador de la electrodinámica moderna y el fundador de la
teoría cinética de los gases. Formuló las
ecuaciones llamadas "ecuaciones de Maxwell", y que se definen
como las relaciones fundamentales entre las perturbaciones
eléctricas y magnéticas, que simultáneamente
permiten describir la propagación de las ondas
electromagnéticas que, de acuerdo con su teoría,
tienen el mismo carácter que las ondas luminosas.
Más tarde Heinrich Hertz lograría demostrar
experimentalmente la veracidad de las tesis expuestas por
Maxwell. Sus teorías constituyeron el primer intento de
unificar dos campos de la física que, antes de sus
trabajos, se consideraban completamente independientes: la
electricidad y el magnetismo (conocidos como electromagnetismo).
En el año 1859 Maxwell formuló la expresión
termodinámica que establece la relación entre la
temperatura de un gas y la energía cinética de sus
moléculas.
Maxwell sobre las ondas electromagnéticas SubUna 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; es decir, pueden
desplazarse por el vacío. Las ondas luminosas son ondas
electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del
rango de la luz visible. 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. Las
ondas electromagnéticas son transversales; las direcciones
de los campos eléctrico y magnético son
perpendiculares a la 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.
Métodos de producción de ondas SubSon aquellas
ondas que no necesitan un medio material para propagarse.
Incluyen, entre otras, la luz visible y las ondas de radio,
televisión y telefonía. Todas se propagan en el
vacío a una velocidad constante, muy alta (300 0000 km/s)
pero no infinita. 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. 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.
Experimento de Hertz SubEl experimento de Franck y Hertz se
realizó por primera vez en 1914 por James Franck y Gustavo
Ludwig Hertz. Tiene por objeto probar la cuantificación de
los niveles de energía de los electrones en los
átomos. El experimento confirmó el modelo
cuántico del átomo de Bohr demostrando que los
átomos solamente podían absorber cantidades
específicas de energía (cuantos). Por ello, este
experimento es uno de los experimentos fundamentales de la
física cuántica. Por esta experiencia Franck y
Hertz recibieron el premio Nobel de física en 1925. En
1914, Franck y Hertz, que trabajaban en las energías de
ionización de los átomos, pusieron a punto una
experiencia que usaba los niveles de energía del
átomo de mercurio. Su experiencia sólo usaba
electrones y átomos de mercurio, sin hacer uso de ninguna
luz. Bohr encontró así la prueba irrefutable de su
modelo atómico.
Propiedades de las ondas electromagnéticas SubLas ondas
electromagnéticas no necesitan un medio material para
propagarse. 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 una velocidad c = 299.792 km/s. 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 (l) y la frecuencia (f) de
las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la
expresión l·f = c son importantes para determinar
su energía, su visibilidad, su poder de penetración
y otras características.
SubSiendo las siguientes, las propiedades mas
características de las ondas electromagnéticas.
Reflexión y Refracción Polarización.
Difracción Superposición e interferencia
Dispersión Absorción
Ondas electromagnéticas planas SubEn la física de
propagación de ondas (especialmente ondas
electromagnéticas), una onda plana o también
llamada onda mono dimensional, es una onda de frecuencia
constante cuyos frentes de onda (superficies con fase constante)
son planos paralelos de amplitud constante normales al vector
velocidad de fase. Es decir, son aquellas ondas que se propagan
en una sola dirección a lo largo del espacio, como por
ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se
propaga en una dirección única, sus frentes de
ondas son planos y paralelos. Por extensión, el
término es también utilizado para describir ondas
que son aproximadamente planas en una región localizada
del espacio. Por ejemplo, una fuente de ondas
electromagnéticas como una antena produce un campo que es
aproximadamente plano en una región de campo lejano. Es
decir que, a una distancia muy alejada de la fuente, las ondas
emitidas son aproximadamente planas y pueden considerarse como
tal.
ENERGIA Y MOMENTUM SubLa propiedad llamada cantidad de movimiento
o momentum está asociada a la cantidad de masa que tiene
un objeto y a la velocidad con que este se mueve; es
transferible, es decir, una persona o un objeto pueden transferir
momentum a un cuerpo. Esta propiedad está asociada a la
cantidad de masa que tiene un objeto y a la velocidad con que
este se mueve; es transferible, es decir, una persona o un objeto
pueden transferir momentum a un cuerpo. Para esto debemos
interactuar con él; dicho de otro modo, debemos ejercerle
una fuerza. La densidad de enegía asociada con el campo
eléctrico de una onda electromagnética es
E e =1 2 ? 0 e 2
De igual manera usando B=e c y
c=1 ? 0 µ 0 v
se obtiene para la densidad de energía magnética
EB=1 2µ 0 B 2 =1 2µ 0 c 2 e 2 =1 2 ? 0 e 2 ,
B. APLICACIÓN DEL ESPECTRO DE LA RADIACION
ELECTROMAGNETICA
ONDAS DE RADIOFRECUENCIA SubEl término radiofrecuencia,
también denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se
aplica a la porción menos energética del espectro
electromagnético, situada entre unos 3 kHz y unos 300 GHz.
El hercio es la unidad de medida de la frecuencia de las ondas, y
corresponde a un ciclo por segundo. Las ondas
electromagnéticas de esta región del espectro, se
pueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en un
generador a una antena. Las bases teóricas de la
propagación de ondas electromagnéticas fueron
descritas por primera vez por James Clerk Maxwell. Heinrich
Rudolf Hertz, entre 1886 y 1888, fue el primero en validar
experimentalmente la teoría de Maxwell.
MICROONDAS SubSe denomina microondas a las ondas
electromagnéticas definidas en un rango de frecuencias
determinado; generalmente de entre 300 MHz y 300 GHz, que
supone un período de oscilación de 3 ns
(3×10-9 s) a 3 ps (3×10-12 s) y una longitud de onda
en el rango de 1 m a 1 mm. Otras definiciones, por ejemplo las de
los estándares IEC 60050 y IEEE 100 sitúan su rango
de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de
onda de entre 30 centímetros a 1 milímetro. El
rango de las microondas está incluido en las bandas de
radiofrecuencia, concretamente en las de UHF (ultra-high
frequency – frecuencia ultra alta) 0,3–3 GHz, SHF
(super-high frequency – frecuencia super alta) 3–30 GHz y
EHF (extremely-high frequency – frecuencia extremadamente alta)
30–300 GHz. Otras bandas de radiofrecuencia incluyen ondas
de menor frecuencia y mayor longitud de onda que las microondas.
Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda
—en el orden de milímetros— se denominan ondas
milimétricas.
ONDAS INFRARROJAS SubOndas infrarrojas son ondas
electromagnéticas cuyas longitudes de onda varían
entre aproximadamente 7 X 10 ~ 7 y 10-4 metros. Los seres humanos
no pueden ver este tipo de radiación, pero puede percibir
como calor. Causa de la temperatura de nuestra cuerpo caliente
producimos radiación en su mayor parte en forma de ondas
infrarrojas. Es cómo funcionan algunas clases de gafas de
visión nocturna: detectan ondas infrarrojas procedentes de
objetos y personas, incluso cuando no hay suficientemente visible
la luz para que los seres humanos a ver bien. Las ondas
infrarrojas también son conocidas como ondas
térmicas y se caracterizan por, como su nombre lo indica,
estar debajo del rojo que la visión humana puede percibir.
La longitud de una onda infrarroja es más grande que una
onda visible. La longitud de las ondas infrarrojas va desde 800
nm hasta 1mm. Para encontrar una onda infrarroja es necesario
detectar el calor. En comunicaciones las ondas infrarrojas son
útiles para relación a corto alcance, dichas ondas
no atraviesan objetos sólidos, esto es una ventaja para
que no exista interferencia. La luz infrarroja como tal ha sido
un gran alivio para la seguridad de algunas empresas, ya que ni
siquiera se necesita permiso del gobierno para operar un sistema
de esta índole.
LUZ VISIBLE SubSe le llama un espectro visible a la región
del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz
de percibir. A la radiación electromagnética en
este rango de longitudes de onda se le llama luz visible o
simplemente luz. No hay límites exactos en el espectro
visible; un típico ojo humano responderá a
longitudes de onda desde 400 a 700 nm aunque algunas
personas pueden ser capaces de percibir longitudes de onda desde
380 a 780 nm. Se llama luz a la parte de la radiación
electromagnética que puede ser percibida por el ojo
humano. En física, el término luz se usa en un
sentido más amplio e incluye todo el campo de la
radiación conocido como espectro electromagnético,
mientras que la expresión luz visible señala
específicamente la radiación en el espectro
visible. La óptica es la rama de la física que
estudia el comportamiento de la luz, sus características y
sus manifestaciones. El estudio de la luz revela una serie de
características y efectos al interactuar con la materia,
que permiten desarrollar algunas teorías sobre su
naturaleza.
RAYOS ULTRAVIOLETA SubSe denomina radiación ultravioleta o
radiación UV a la radiación electromagnética
cuya longitud de onda está comprendida aproximadamente
entre los 400 nm (4×10-7 m) y los 15 nm (1,5×10-8 m). Su nombre
proviene de que su rango empieza desde longitudes de onda
más cortas de lo que los humanos identificamos como el
color violeta. Esta radiación puede ser producida por los
rayos solares y produce varios efectos en la salud. El
descubrimiento de la radiación ultravioleta está
asociado a la experimentación del oscurecimiento de las
sales de plata al ser expuestas a la luz solar. En 1810 el
físico alemán Johann Wilhelm Ritter
descubrió que los rayos invisibles situados justo
detrás del extremo violeta del espectro visible eran
especialmente efectivos oscureciendo el papel impregnado con
cloruro de plata. Denominó a estos rayos "rayos
desoxidantes" para enfatizar su reactividad química y para
distinguirlos de los "rayos calóricos" (descubiertos por
William Herschel) que se encontraban al otro lado del espectro
visible. Poco después se adoptó el término
"rayos químicos". Estos dos términos, "rayos
calóricos" y "rayos químicos" permanecieron siendo
bastante populares a lo largo del siglo XIX. Finalmente estos
términos fueron dando paso a los más modernos de
radiación infrarroja y ultravioleta respectivamente.
RAYOS X SubLa denominación rayos X designa a una
radiación electromagnética, invisible, capaz de
atravesar cuerpos opacos y de imprimir las películas
fotográficas. Los actuales sistemas digitales permiten la
obtención y visualización de la imagen
radiográfica directamente en una computadora (ordenador)
sin necesidad de imprimirla. La longitud de onda está
entre 10 a 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias
en el rango de 30 a 3000 PHz (de 50 a 5000 veces la frecuencia de
la luz visible). Los rayos X son una radiación
electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de
radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz
visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia
fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son
radiaciones de origen nuclear que se producen por la des
excitación de un nucleón de un nivel excitado a
otro de menor energía y en la desintegración de
isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de
fenómenos extra nucleares, a nivel de la órbita
electrónica, fundamentalmente producidos por
desaceleración de electrones. La energía de los
rayos X en general se encuentra entre la radiación
ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos
X son una radiación ionizante porque al interactuar con la
materia produce la ionización de los átomos de la
misma, es decir, origina partículas con carga
(iones).
RAYOS GAMA SubLa radiación gamma o rayos gamma (?) es un
tipo de radiación electromagnética, y por tanto
constituida por fotones, producida generalmente por elementos
radiactivos o por procesos subatómicos como la
aniquilación de un par positrón-electrón.
También se genera en fenómenos astrofísicos
de gran violencia. Debido a las altas energías que poseen,
los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante
capaz de penetrar en la materia más profundamente que la
radiación alfa y la beta. Pueden causar grave daño
al núcleo de las células, por lo cual se usan para
esterilizar equipos médicos y alimentos. Los rayos gamma
se producen por des excitación de un nucleón de un
nivel o estado excitado a otro de menor energía y por
desintegración de isótopos radiactivos. Se
diferencian de los rayos X en su origen. Éstos se generan
a nivel extra nuclear, por fenómenos de frenado
electrónico. Generalmente a la radiactividad se le vincula
con la energía nuclear y con los reactores nucleares.
Aunque existe en el entorno natural: a) rayos cósmicos,
expelidos desde el sol y desde fuera de nuestro sistema solar: de
las galaxias; b) isótopos radiactivos en rocas y
minerales.