Ondas electromagnéticas

Una onda electromagnética consiste en un campo eléctrico y un campo magnético que vibran perpendicularmente entre sí en fase y, a su vez, son perpendiculares a la dirección de propagación.

En la figura se representa una onda electromagnética en la que el campo eléctrico sólo vibra en el plano Oyz. El plano de vibración del campo eléctrico se define como campo de vibración de la onda. El plano perpendicular al de vibración es el plano de polarización.

Una forma de representar gráficamente una onda electromagnética polarizada linealmente es dibujar segmentos paralelos con flechas en ambos extremos y en sentidos opuestos que representan las oscilaciones del campo eléctrico.

La siguiente representación gráfica corresponde a la onda electromagnética plana de la figura anterior.

Las ecuaciones de la onda electromagnética plana representada son

E_z=E_o sen (kx-ωt)

B_x=B_o sen (kx-ωt)

El vector velocidad de la onda electromagnética es paralelo al producto vectorial de los vectores campo eléctrico y magnético.

c // E x B

Con letra negrilla se han representado en este caso los vectores citados.

La luz es una onda electromagnética de longitudes de onda comprendidas entre 400 nm y 700 nm.

El espectro electromagnético de una radiación

Es el conjunto de longitudes de onda o de frecuencias de una radiación electromagnética.

Cada objeto emite ondas electromagnéticas debido a las oscilaciones de las partículas cargadas que contiene, en particular de los electrones. El conjunto de longitudes de onda o de frecuencias de la radiación electromagnética que emite un cuerpo recibe el nombre de espectro de emisión. El conjunto de longitudes de onda o de frecuencias de la radiación electromagnética que absorbe un cuerpo recibe el nombre de espectro de absorción.

En la siguiente imagen se representa el espectro electromagnético completo.

Generación y recepción de ondas electromagnéticas

Se pueden generar ondas electromagnéticas, emitirlas y recibirlas con unos materiales sencillos:

• Encendedor de gas doméstico.

• 4 varillas metálicas de igual longitud (unos 10 cm)

• Papel de aluminio

• 2 pinzas de cocodrilo

• Cable conductor

• Lamparita de neón.

Las dos puntas metálicas de un encendedor de gas se han de separar unos milímetros más y se han de soldar con estaño a dos cables que se conectarán a sendas pinzas de cocodrilo.

Se han de preparar cuatro varillas metálicas de igual longitud, unos 10 cm, y montarlas sobre soportes aislantes. Además las varillas a las que se conecten las pinzas de cocodrilo soportarán dos láminas de papel de aluminio como se observa en la imagen. Las dos puntas de estas varillas estarán a pequeña distancia d para que al producir una diferencia de potencial electrostático ΔV con el encendedor, el campo eléctrico generado, E»ΔV/d, sea un campo eléctrico disruptivo, con el que el aire se hace conductor. De este modo se visualiza la existencia de una diferencia de potencial entre las varillas. No es necesario sin embargo que se produzca la descarga disruptiva para que se produzca una onda electromagnética que acelere los electrones libres de las varillas de la antena receptora situada detrás

Los electrones acelerados entre los dos electrodos generan una onda electromagnética que es recibida por la antena receptora, cuyas varillas tienen la misma longitud que las varillas de la antena emisora. Esta onda electromagnética genera una tensión en las varillas de la antena receptora, produciendo una corriente que pasa por el detector de la onda producida, la lamparita de neón.

En la imagen adjunta se muestra con detalle la descarga eléctrica producida al pulsar el encendedor de gas y la iluminación de la lamparita de neón que se produce un tiempo mínimo después de la descarga eléctrica. Las ondas electromagnéticas se transmiten a la velocidad c=3,00·10⁸ m/s.

Interpretación física de la generación y recepción de una onda electromagnética

Analizaremos las líneas del campo eléctrico generado por la oscilación de un dipolo eléctrico.

Las líneas del campo eléctrico de un dipolo estático se muestran en la imagen siguiente.

¿Cómo son las líneas del campo eléctrico de un dipolo oscilante?

Supongamos un dipolo oscilante vertical, teniendo cada carga con movimiento vibratorio armónico de periodo T. Inicialmente las cargas están en reposo. En la imagen se representa un estado en el que las cargas eléctricas se acercan acelerando. Debido al movimiento de las cargas eléctricas del dipolo, las líneas del campo eléctrico difieren en sus proximidades a las cargas eléctricas, como se observa en la figura, teniendo una curvatura anómala respecto del modelo de las líneas del campo eléctrico estático.

Al cabo de un tiempo de un cuarto de periodo, t=T/4, la línea del campo eléctrico se cierra. Posteriormente la línea se separa de las cargas y vuelve a formarse una segunda línea.

Al cabo de un tiempo de oscilación un poco mayor que un cuarto de periodo, t>T/4, se ha formado una línea cerrada del campo eléctrico que se va expandiendo y se está formando una nueva línea.

Después de un tiempo un poco superior a medio periodo, t>T/2, la distribución de líneas del campo eléctrico se muestra en la figura. Por otra parte las líneas del campo magnético son perpendiculares a las del campo eléctrico en cada punto.

La propagación de las variaciones del campo eléctrico y magnético constituye una onda electromagnética.

La producción de un dipolo oscilante puede realizarse con un generador de voltaje alterno de alta frecuencia conectado a dos varillas como se esquematiza en la imagen, de este modo se crea un dipolo eléctrico oscilante que produce una onda electromagnética.

En la imagen esquemática siguiente se representa una antena de ondas electromagnética formada por un generador de voltaje de alta frecuencia conectado a dos varillas metálicas.

El funcionamiento de la antena de ondas electromagnéticas es reversible si un campo electromagnético incide sobre la antena, produciendo una oscilación de las cargas eléctricas y una diferencia de pequeño potencial alterno de la misma frecuencia que la onda electromagnética. En lugar del generador de ondas habrá que poner un amplificador para poder trabajar con la información que transporta la señal.