Onda electromagnética

A onda electromagnética é un modelo utilizado para representar a radiación electromagnética.

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: Onda.

Convén distinguir ben a radiación electromagnética, que é o fenómeno estudado, e a onda electromagnética, que é unha das representacións do fenómeno. Outra representación ten en conta a existencia do fotón.

Son exemplos de ondas electromagnéticas as ondas de radio, as microondas, a radiación de calor, os raios X, a radiación gamma e a luz. Esta última, a onda luminosa, é unha onda electromagnética na que a lonxitude de onda corresponde ao espectro visíbel, comprendido entre as lonxitudes de onda de 400 e 750 nm^[1], correspondentes ás enerxías de fotón de 1,5 a 3 eV.

Historia

Retrato de Christiaan Huygens, quen desenvolveu a teoría ondulatoria da luz.

A teoría ondulatoria da luz foi desenvolvida principalmente por Christiaan Huygens na segunda metade do século XVII, e posteriormente por Augustin Fresnel a comezos do XIX. Esta teoría oponse á teoría corpuscular, defendida principalmente por Isaac Newton. Huygens traballou principalmente nas leis de reflexión e da refración, Fresnel desenvolveu especialmente as nocións de interferencia e de lonxitude de onda. A concepción da luz como unha ondulación incita aos físicos a imaxinar un medio de propagación, o éter.

O grande avance teórico levouno a cabo James Clerk Maxwell ao sintetizar as leis do electromagnetismo nas súas ecuacións, as cales predicían a existencia de ondas electromagnéticas, e a súa velocidade, e permitían a hipótese de que a luz é unha onda electromagnética.

As ondas de radio, con baixa frecuencia e gran lonxitude de onda, foron descubertas a finais do século XIX fundamentalmente grazas aos traballos de Alexander Popov, Heinrich Hertz, Édouard Branly e de Nikola Tesla. O raios X, de alta frecuencia e débil lonxitude de onda, foron descubertos por Wilhelm Röntgen en 1895.

O problema da radiación de corpo negro foi resolto por Max Planck en 1901 introducindo unha constante e descontinuidades, explicadas por Albert Einstein en 1905 nos seus traballos sobre o efecto fotoeléctrico, onde propón a existencia dun quantum enerxético. Este quantum é a premisa do modelo do fotón, síntese das aproximacións das teorías ondulatoria e corpuscular da luz, proporcionando a idea dunha xeneralización a toda a materia: a mecánica cuántica.

Emisión

As ondas electromagnéticas (perturbacións dos campos eléctrico e magnético) son producidas por partículas cargadas aceleradas^[2].

Descrición

Onda electromagnética: oscilación acoplada do campo eléctrico e do campo magnético, modelo do dipolo vibrante (o triedro ${\displaystyle \scriptstyle \left({\vec {k}},{\vec {E}},{\vec {B}}\right)}$ debe ser directo)

Como todas as ondas, unha onda electromagnética pode analizarse utilizando a análise espectral. Pódese descompoñer a onda en ondas chamadas «monocromáticas».

Véxase tamén: Espectro de ondas planas.

Unha onda electromagnética monocromática pode modelizarse por un dipolo electrostático vibrante. Este modelo reflicte axeitadamente, por exemplo, as oscilacións da nube electrónica dun átomo intervenientes na dispersión de Rayleigh (modelo do electrón elasticamente ligado).

As variacións dos campos eléctrico e magnético están relacionadas polas ecuacións de Maxwell. Pódese, xa que logo, representar a onda por un só destes campos, en xeral o campo eléctrico.

Logo é posíbel escribir a ecuación xeral dunha onda plana monocromática:

${\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}},t)=\cos(\omega t-{\vec {k}}\cdot {\vec {r}}+\varphi )\cdot {\vec {E}}_{0}}$

onde:

• ${\displaystyle \omega }$ é a pulsación que vale ${\displaystyle {\frac {2\pi c}{\lambda }}}$
• ${\displaystyle {\vec {r}}}$ é o vector de posición do punto considerado,
• ${\displaystyle {\vec {k}}}$ é o vector de onda cuxa norma vale ${\displaystyle {\frac {2\pi }{\lambda }}}$ ^[3], sendo ${\displaystyle \lambda }$ a lonxitude de onda ;
• ${\displaystyle \varphi }$ é a fase na orixe.

Frecuentemente, úsase tamén a forma complexa :

${\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}},t)=e^{i\cdot (\omega t-{\vec {k}}\cdot {\vec {r}}+\varphi )}\cdot {\vec {E}}_{0}}$

Obteranse entón as cantidades físicas, reais, tomando a parte real desta forma complexa.

Propiedades

Polarización

A polarización corresponde á dirección e á amplitude do campo eléctrico ${\displaystyle {\vec {E}}}$. Para unha onda non polarizada, ou natural, ${\displaystyle {\vec {E}}}$ xira arredor do seu eixe de forma aleatoria e imprevisíbel ao longo do tempo. Polarizar unha onda corresponde a darlle unha traxectoria definida ao campo eléctrico. Existen varias clases de polarización:

• A polarización linear, cando ${\displaystyle {\vec {E}}}$ se mantén sempre no mesmo plano.
• A polarización circular, na que o campo eléctrico xira arredor do seu eixe describindo un círculo.
• A polarización elíptica, se o campo eléctrico xira arredor do seu eixe e cambia de amplitude para formar unha elipse.

Comportamento ondulatorio

Propagación

Nun medio homoxéneo e isótropo, a onda electromagnética propágase en liña recta. No momento en que se encontra cun obstáculo, hai difracción; durante un cambio de medio, hai reflexión e refracción ; hai tamén refracción se as propiedades do medio cambian dunha parte a outra (heteroxeneidade).

Véxase tamén: Principio de Huygens-Fresnel..

Reflexión

Durante un cambio de medio de propagación, unha parte da onda electromagnética regresa ao medio de orixe, isto é a reflexión.

O caso máis coñecido da reflexión é o espello, mais tamén se refire aos raios X (espello de raios X) e ás ondas de radio: reflexión sobre a ionosfera das ondas megahercianas, antena parabólica, reflexión lunar…

Refracción

Durante un cambio de medio de propagación, se o segundo medio é transparente para a onda, isto é se se propaga a través do medio mais cunha dirección diferente. A refracción concirne á luz (lente de contacto, miraxe), mais tamén as ondas de radio (refracción das ondas decamétricas na ionosfera).

Difusión

Cando unha onda atopa un átomo, difúndese nel, cambia de dirección. Distínguese a dipersión de Rayleigh, tamén chamada «difusión electrónica», no curso da cal a onda non cambia de lonxitude de onda; a difusión Raman, que é unha difusión electrónica con diminución ou aumento de lonxitude de onda; e a difusión Compton, no transcurso da cal se produce un aumento da lonxitude de onda, como no caso do raios X difundidos en átomos lixeiros.

Interferencias

Como todas as ondas, as ondas electromagnéticas poden interferir. No caso das radiocomunicacións, provocan unha perturbación do sinal pola recepción de ruídos parasitos.

Véxase tamén: Relación sinal/ruído.

Difracción

A interferencia de ondes difundidas recibe o nome de difracción:

• teoría da difracción ;
• difracción por unha fenda ;
• fendas de Young ;
• rede de difracción ;
• difracción de raios X ;
• espazo recíproco.

Fluxo de enerxía

O fluxo de enerxía a través dunha superficie vén dado polo fluxo do vector de Poynting.

Dualidade onda partícula

A noción de onda electromagnética compleméntase coa de fotón. De feito, a onda proporciona unha descrición máis precisa da radiación para baixas frecuencias (é dicir, para as lonxitudes de onda longas), como as ondas de radio.

A onda electromagnética representa dúas cousas:

• a variación macroscópica do campo eléctrico e do campo magnético
• a función de onda do fotón, isto é, que o cadrado da norma da onda é a probabilidade de presenza dun fotón.

Cando o fluxo de enerxía é grande en comparación coa enerxía dos fotóns, pódese considerar que hai un fluxo case continuo de fotóns, e os dous conceptos se sobrepoñen. Isto xa non é certo cando o fluxo de enerxía é baixo (os fotóns son enviados un a un), o concepto de "variación macroscópica" (media) deixa de ter sentido.

O fluxo de enerxía vén dado polo vector de Poynting. Cada fotón «transporta» unha cantidade de enerxía determinada, cuxo valor e E = h·ν, sendo h a constante de Planck e ν a frecuencia. Pódese calcular desta maneira o fluxo de fotóns a través dunha superficie.