ONES ELECTROMAGNÈTIQUES: TEORIA DE MAXWELL, TIPUS, CARACTERÍSTIQUES - FÍSICA - 2025

Les ones electromagnètiques són ones transversals que corresponen a camps originats per càrregues elèctriques accelerades. El segle XIX va ser el segle dels grans avenços en electricitat i magnetisme, però fins a la primera meitat del mateix, els científics encara desconeixien la relació entre tots dos fenòmens, creient independents l'un a l'altre.

Va ser el físic escocès James Clerk Maxwell (1831-1879) qui li va demostrar a el món que l'electricitat i el magnetisme no eren sinó les dues cares d'una mateixa moneda. Tots dos fenòmens està íntimament relacionats.

Una tempesta elèctrica. Font: Pixabay.

Teoria de Maxwell

Maxwell va unificar la teoria de l'electricitat i el magnetisme en 4 elegants i concises equacions, les prediccions no van trigar a ser confirmades:

De què evidències va disposar Maxwell per elaborar la seva teoria electromagnètica?

Era ja un fet que els corrents elèctrics (càrregues en moviment) produeixen camps magnètics, i al seu torn un camp magnètic variable origina corrents elèctrics en circuits conductors, el que implicaria que un camp magnètic variable indueix camp elèctric.

El fenomen invers podria ser possible? ¿Camps elèctrics variables serien capaços d'originar al seu torn camps magnètics?

Maxwell, deixeble de Michael Faraday, estava convençut de l'existència de les simetries en la naturalesa. Tots dos fenòmens, elèctrics i magnètics, també s'havien d'atenir a aquests principis.

Segons aquest investigador, els camps oscil·lants generarien pertorbacions de la mateixa manera com una pedra llançada a un estany genera ones. Aquestes pertorbacions no són altra cosa que camps elèctrics i magnètics oscil·lants, als quals Maxwell va cridar precisament ones electromagnètiques.

Prediccions de Maxwell

Les equacions de Maxwell van predir l'existència de les ones electromagnètiques amb velocitat de propagació igual a la velocitat de la llum. La predicció va ser confirmada poc després pel físic alemany Heinrich Hertz (1857 - 1894), que va aconseguir generar aquestes ones en el seu laboratori mitjançant un circuit LC. Això va ocórrer poc després de la mort de Maxwell.

Per comprovar l'encertat de la teoria, Hertz va haver de construir un dispositiu detector que li va permetre trobar la longitud d'ona i la freqüència, dades a partir dels quals poder calcular la velocitat de les ones electromagnètiques de ràdio, coincidint amb la velocitat de la llum.

Els treballs de Maxwell havien estat rebuts amb escepticisme per la comunitat científica de llavors. Potser es va deure en part al fet que Maxwell era un matemàtic brillant i havia presentat la seva teoria amb tota la formalitat de el cas, que molts no van aconseguir entendre.

No obstant això, l'experiment de Hertz va ser brillant i convincent. Els seus resultats van ser ben rebuts i els dubtes sobre la veracitat de les prediccions de Maxwell van ser buidades.

El corrent de desplaçament

El corrent de desplaçament és la creació de Maxwell, sorgida arran d'una profunda anàlisi de la llei d'Ampere, la qual estableix que:

Una bateria carrega un condensador. Es mostren les superfícies S (línia contínua) i S 'i el contorn C per aplicar la llei d'Ampère. Font: modificat de Pixabay.

Per tant, el terme a la dreta a la llei d'Ampere, que involucra el corrent, no és nul i tampoc ho és el membre que està a l'esquerra. Conclusió immediata: hi ha un camp magnètic.

Existeix camp magnètic en S '?

No obstant això no hi ha cap corrent que travessi o creui la superfície corba S ', que té el mateix contorn C, ja que aquesta superfície engloba part del que hi ha a l'espai entre les plaques de condensador, que podem suposar és aire o una altra substància no conductora.

En aquesta regió no hi ha cap material conductor a través del qual flueixi corrent alguna. Cal recordar que perquè un corrent circuli es requereix que el circuit estigui tancat. A l'ésser nul·la la corrent, la integral de l'esquerra en la llei d'Ampere és 0. No hi ha camp magnètic llavors, ¿o sí?

Definitivament hi ha una contradicció. S 'també està limitada per la corba C i l'existència de camp magnètic no ha de dependre de la superfície a la qual limita C.

Maxwell va resoldre la contradicció introduint el concepte de corrent de desplaçament i _D.

Corrent de desplaçament

Mentre el condensador s'està carregant, hi ha entre les plaques un camp elèctric variable entre les plaques i circula corrent pel conductor. Quan el condensador es carrega, cessa el corrent en el conductor i s'estableix entre les plaques un camp elèctric constant.

Llavors Maxwell va deduir que, associada a el camp elèctric variable havia d'existir un corrent a la qual va cridar corrent de desplaçament i _D, un corrent que no involucra moviment de càrrega. Per a la superfície S 'és vàlid:

El corrent elèctric no és un vector, tot i que té magnitud i sentit. És més apropiat relacionar els camps amb una quantitat que sí que és vectorial: la densitat de corrent J, la magnitud és el quocient entre el corrent i l'àrea a través de la qual aquesta passa. Les unitats de la densitat de corrent en el Sistema Internacional són ampers / m ².

En termes d'aquest vector, la densitat de corrent de desplaçament és:

D'aquesta manera, quan s'aplica la llei d'Ampere a el contorn C i s'usa la superfície S, i _C és el corrent que la travessa. En canvi i _C no travessa a S ', però i _D sí que ho fa.

exercici resolt

Velocitat en un mitjà donat

En un medi donat, és possible demostrar que la velocitat de les ones electromagnètiques ve donada per l'expressió:

En la qual ε i μ són la permitivitat i la permeabilitat respectives de el mitjà en qüestió.

Quantitat de moviment

Una radiació electromagnètica amb energia U té associada una quantitat de moviment p la magnitud és: p = U / c.

Tipus d'ones electromagnètiques

Les ones electromagnètiques tenen un molt ampli rang de longituds d'ona i de freqüències. S'agrupen en el que es coneix com l'espectre electromagnètic, a el qual s'ha dividit en regions, les quals es nomenen a continuació, començant per les majors longituds d'ona:

Ones de ràdio

Localitzades en l'extrem de major longitud d'ona i menor freqüència, oscil·len entre uns quants fins a mil milions d'Hertz. Són les que s'utilitzen per transmetre un senyal amb informació de diversa índole i són captades per les antenes. La televisió, ràdio, mòbils, planetes, estrelles i altres cossos celestes les emeten i poden ser capturades.

microones

Ubicades a les freqüències ultra altes (UHF), súper altes (SHF) i extremadament altes (EHF), oscil·len entre 1 GHz i 300 GHz. A diferència de les anteriors que poden mesurar fins a una milla (1,6 km), les microones van des de pocs centímetres a 33 cm.

Donada la seva posició en l'espectre, entre 100.000 i 400.000 nm, són utilitzades per transmetre dades en freqüències que no són interferides per les ones de ràdio. Per aquesta raó, s'apliquen en tecnologia de radars, telèfons mòbils, forns de cuina i solucions informàtiques.

La seva oscil·lació és producte d'un dispositiu conegut com magnetró, que és una mena de cavitat ressonant que posseeix 2 imants de disc en els extrems. El camp electromagnètic és generat per l'acceleració dels electrons de l'càtode.

Raigs infrarojos

Aquestes ones de calor són emeses per cossos tèrmics, alguns tipus de làser i díodes que emeten llum. Encara que solen solapar-se amb les ones de ràdio i les microones, el seu rang està entre 0,7 i 100 micròmetres.

Les entitats amb més freqüència produeixen calor que pot ser detectat per visors nocturns i la pell. Sovint són usats per a comandaments a distància i sistemes especials de comunicació.

llum visible

En la divisió referencial de l'espectre trobem la llum perceptible, que té una longitud d'ona entre 0,4 i 0,8 micròmetres. El que distingim són els colors de l'arc de Sant Martí, on la freqüència més baixa es caracteritza pel color vermell i la més alta pel violeta.

Els seus valors de longitud es mesuren en nanòmetres i Angstrom, representa una petitíssima part de tot l'espectre i aquest rang inclou la major quantitat de radiació emesa pel sol i les estrelles. A més, és producte de l'acceleració d'electrons en els trànsits energètics.

La nostra percepció de les coses es basa en una radiació visible que incideix sobre un objecte i després en els ulls. Seguidament el cervell interpreta les freqüències que donen lloc a el color i els detalls presents en les coses.

raigs ultraviolats

Aquestes ondulacions es troben en l'interval de 4 i 400 nm, són generades pel sol i altres processos que emeten grans quantitats de calor. L'exposició perllongada a aquestes ones curtes pot causar cremades i certs tipus de càncer en els éssers vius.

Atès que són producte de salts d'electrons en molècules i àtoms excitats, la seva energia intervé en les reaccions químiques i s'utilitzen en la medicina per esterilitzar. Són responsables per la ionosfera ja que la capa d'ozó evita seus efectes nocius sobre la terra.

Raigs X

Aquesta designació es deu al fet que són ones electromagnètiques invisibles capaços de travessar cossos opacs i produir impressions fotogràfiques. Situades entre els 10 i 0,01 nm (30 a 30.000 PHz), són el resultat d'electrons que salten d'òrbites en àtoms pesats.

Aquests raigs poden ser emesos per la corona de sol, púlsars, supernoves i forats negres per la seva gran quantitat d'energia. La seva exposició perllongada provoca càncer i són usats en el camp de la medicina per obtenir imatges d'estructures òssies.

Raigs gamma

Ubicades a l'extrem esquerre de l'espectre, són les ones que tenen major freqüència i solen produir-se en forats negres, supernoves, púlsars i estrelles de neutrons. També poden ser conseqüència de la fissió, explosions nuclears i llampecs.

Ja que són generats per processos d'estabilització en el nucli atòmic després d'emissions radioactives, resulten letals. La seva longitud d'ona és subatòmica, el que els permet travessar àtoms. Així i són absorbits per l'atmosfera terrestre.

Aplicacions de les diferents ones electromagnètiques

Les ones electromagnètiques tenen les mateixes propietats pel que fa a la reflexió i reflexió que les ones mecàniques. I al costat de l'energia que propaguen, també poden portar informació.

A causa d'això, els diferents tipus d'ones electromagnètiques s'han aplicat a gran quantitat de tasques diferents. A continuació veurem algunes de les més comunes.

Espectre electromagnètic i algunes de les seves aplicacions. Font: Tatoute and Phrood

Ones de ràdio

A l'poc temps de ser descobertes, Guglielmo Marconi va demostrar que podien ser una excel·lent eina de comunicació. Des del seu descobriment per Hertz, les comunicacions sense fil amb freqüències de ràdio com la ràdio AM i FM, la televisió, els telèfons mòbils i molt més, s'han anat estenent cada vegada més a tot el món.

microones

Es poden fer servir per escalfar aliments, perquè l'aigua és una molècula dipolar que és capaç de respondre als camps elèctrics oscil·lants. Els aliments contenen molècules d'aigua, que a l'ésser exposades a aquests camps, comencen a oscil·lar ja xocar entre si. L'efecte resultant és l'escalfament.

També poden ser usades en telecomunicacions, per la seva capacitat de desplaçar-se en l'atmosfera amb menys interferència que altres ones de major longitud d'ona.

ones infraroges

L'aplicació més característica dels infrarojos són els dispositius de visió nocturna. També s'utilitzen en la comunicació entre dispositius i en tècniques espectroscòpiques per a l'estudi de les estrelles, els núvols de gas interestel·lars i els exoplanetes.

Amb elles també es poden crear mapes de temperatura de el cos, que serveixen per identificar alguns tipus de tumors la temperatura és més gran que la dels teixits circumdants.

llum visible

La llum visible conforma gran part de l'espectre emès pel Sol, a el qual respon la retina.

raigs ultraviolats

Els raigs ultraviolats tenen prou energia com per interactuar amb la matèria significativament, per això l'exposició contínua a aquesta radiació causa envelliment prematur i augmenta el risc de desenvolupar càncer de pell.

Raigs X i raigs gamma

Els raigs X i raigs gamma, posseeixen encara més energia i per això són capaços de penetrar els teixits tous, d'allí que gairebé des de l'instant mateix del seu descobriment hagin estat usats per diagnosticar fractures i escodrinyar l'interior de el cos en la recerca de malalties.

Els raigs X i els raigs gamma s'utilitzen no només com a eina diagnòstica, sinó com a eina terapèutica per a la destrucció de tumors.

referències

1. Giancoli, D. (2006). Physics: Principles with Applications. Sixth Edition. Prentice Hall. 628-637.
2. Rex, A. (2011). Fonaments de Física. Pearson. 503-512.
3. Sears, F. (2015). University Physics with Modern Physics. 14 th Edition. Pearson. 1053-1057.