Radiación electromagnética
TeoríaEdit
Ecuaciones de MaxwellEditar
James Clerk Maxwell derivó una forma de onda de las ecuaciones eléctricas y magnéticas, descubriendo así la naturaleza ondulatoria de los campos eléctricos y magnéticos y su simetría. Como la velocidad de las ondas EM predicha por la ecuación de onda coincidía con la velocidad medida de la luz, Maxwell concluyó que la propia luz es una onda EM. Las ecuaciones de Maxwell fueron confirmadas por Heinrich Hertz mediante experimentos con ondas de radio.
De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, un campo eléctrico que varía espacialmente está siempre asociado a un campo magnético que cambia con el tiempo. Del mismo modo, un campo magnético que varía espacialmente se asocia con cambios específicos en el tiempo en el campo eléctrico. En una onda electromagnética, los cambios en el campo eléctrico van siempre acompañados de una onda en el campo magnético en una dirección, y viceversa. Esta relación entre ambos se produce sin que ninguno de los dos tipos de campo provoque el otro, sino que se producen juntos de la misma manera que los cambios en el tiempo y el espacio se producen juntos y están interrelacionados en la relatividad especial. De hecho, los campos magnéticos pueden verse como campos eléctricos en otro marco de referencia, y los campos eléctricos pueden verse como campos magnéticos en otro marco de referencia, pero tienen la misma importancia, ya que la física es la misma en todos los marcos de referencia, por lo que la estrecha relación entre los cambios de espacio y tiempo aquí es más que una analogía. Juntos, estos campos forman una onda electromagnética en propagación, que se desplaza hacia el espacio y no necesita volver a interactuar con la fuente. El campo electromagnético lejano formado de este modo por la aceleración de una carga lleva consigo energía que se «irradia» a través del espacio, de ahí el término.
Campos cercanos y lejanosEditar
Las ecuaciones de Maxwell establecieron que algunas cargas y corrientes («fuentes») producen un tipo de campo electromagnético local cerca de ellas que no tiene el comportamiento de la RME. Las corrientes producen directamente un campo magnético, pero es de tipo dipolo magnético que se extingue con la distancia a la corriente. De manera similar, las cargas móviles separadas en un conductor por un potencial eléctrico cambiante (como en una antena) producen un campo eléctrico de tipo dipolo, pero éste también disminuye con la distancia. Estos campos constituyen el campo cercano a la fuente de EMR. Ninguno de estos comportamientos es responsable de la radiación EM. En cambio, provocan un comportamiento de campo electromagnético que sólo transfiere eficazmente la energía a un receptor muy cercano a la fuente, como la inducción magnética dentro de un transformador, o el comportamiento de retroalimentación que se produce cerca de la bobina de un detector de metales. Normalmente, los campos cercanos tienen un potente efecto sobre sus propias fuentes, provocando un aumento de la «carga» (disminución de la reactancia eléctrica) en la fuente o el transmisor, cada vez que un receptor retira energía del campo EM. Por otra parte, estos campos no se «propagan» libremente hacia el espacio, llevando su energía sin límite de distancia, sino que oscilan, devolviendo su energía al transmisor si no es recibida por un receptor.
Por el contrario, el campo lejano EM se compone de una radiación que está libre del transmisor en el sentido de que (a diferencia de lo que ocurre en un transformador eléctrico) el transmisor requiere la misma potencia para enviar estos cambios en los campos hacia el exterior, tanto si la señal es captada inmediatamente como si no. Esta parte distante del campo electromagnético es la «radiación electromagnética» (también llamada campo lejano). Los campos lejanos se propagan (irradian) sin que el emisor les afecte. Esto hace que sean independientes en el sentido de que su existencia y su energía, una vez que han abandonado el emisor, es completamente independiente del emisor y del receptor. Debido a la conservación de la energía, la cantidad de energía que atraviesa cualquier superficie esférica dibujada alrededor de la fuente es la misma. Dado que dicha superficie tiene un área proporcional al cuadrado de su distancia a la fuente, la densidad de potencia de la radiación EM siempre disminuye con el cuadrado inverso de la distancia a la fuente; esto se denomina ley del cuadrado inverso. Esto contrasta con las partes dipolares del campo EM cercanas a la fuente (el campo cercano), que varían en potencia de acuerdo con una ley de potencia cúbica inversa, y por lo tanto no transportan una cantidad conservada de energía a lo largo de las distancias, sino que se desvanecen con la distancia, con su energía (como se ha señalado) regresando rápidamente al transmisor o siendo absorbida por un receptor cercano (como la bobina secundaria de un transformador).
El campo lejano (EMR) depende de un mecanismo diferente para su producción que el campo cercano, y de diferentes términos en las ecuaciones de Maxwell. Mientras que la parte magnética del campo cercano se debe a las corrientes en la fuente, el campo magnético en la REM se debe sólo al cambio local del campo eléctrico. Del mismo modo, mientras que el campo eléctrico en el campo cercano se debe directamente a las cargas y a la separación de cargas en la fuente, el campo eléctrico en la REM se debe a un cambio en el campo magnético local. Ambos procesos de producción de campos eléctricos y magnéticos EMR tienen una dependencia de la distancia diferente a la de los campos eléctricos y magnéticos dipolares de campo cercano. Por ello, el tipo de campo EMR se vuelve dominante en la potencia «lejos» de las fuentes. El término «lejos de las fuentes» se refiere a la distancia de la fuente (moviéndose a la velocidad de la luz) a la que se encuentra cualquier porción del campo EM en movimiento hacia el exterior, en el momento en que las corrientes de la fuente son cambiadas por el potencial variable de la fuente, y por lo tanto la fuente ha comenzado a generar un campo EM en movimiento hacia el exterior de una fase diferente.
Una visión más compacta de la REM es que el campo lejano que compone la REM es generalmente la parte del campo EM que ha viajado suficiente distancia desde la fuente, que se ha desconectado completamente de cualquier retroalimentación a las cargas y corrientes que fueron originalmente responsables de ella. Ahora, independiente de las cargas de la fuente, el campo EM, a medida que se aleja, depende sólo de las aceleraciones de las cargas que lo produjeron. Ya no tiene una fuerte conexión con los campos directos de las cargas, ni con la velocidad de las cargas (corrientes).
En la formulación del potencial de Liénard-Wiechert de los campos eléctricos y magnéticos debidos al movimiento de una sola partícula (según las ecuaciones de Maxwell), los términos asociados a la aceleración de la partícula son los responsables de la parte del campo que se considera radiación electromagnética. Por el contrario, el término asociado al campo eléctrico estático cambiante de la partícula y el término magnético que resulta de la velocidad uniforme de la partícula, están ambos asociados al campo cercano electromagnético, y no comprenden la radiación EM.
PropiedadesEditar
La electrodinámica es la física de la radiación electromagnética, y el electromagnetismo es el fenómeno físico asociado a la teoría de la electrodinámica. Los campos eléctricos y magnéticos obedecen a las propiedades de superposición. Así, un campo debido a una partícula concreta o a un campo eléctrico o magnético variable en el tiempo contribuye a los campos presentes en el mismo espacio debidos a otras causas. Además, como son campos vectoriales, todos los vectores de los campos magnéticos y eléctricos se suman según la adición vectorial. Por ejemplo, en óptica, dos o más ondas luminosas coherentes pueden interactuar y, por interferencia constructiva o destructiva, producir una irradiancia resultante que se desvía de la suma de las irradiancias componentes de las ondas luminosas individuales.
Los campos electromagnéticos de la luz no se ven afectados al viajar a través de campos eléctricos o magnéticos estáticos en un medio lineal como el vacío. Sin embargo, en medios no lineales, como algunos cristales, pueden producirse interacciones entre la luz y los campos eléctricos y magnéticos estáticos; estas interacciones incluyen el efecto Faraday y el efecto Kerr.
En la refracción, una onda que cruza de un medio a otro de diferente densidad altera su velocidad y dirección al entrar en el nuevo medio. La relación de los índices de refracción de los medios determina el grado de refracción, y se resume en la ley de Snell. La luz de longitudes de onda compuestas (luz solar natural) se dispersa en un espectro visible al pasar por un prisma, debido al índice de refracción dependiente de la longitud de onda del material del prisma (dispersión); es decir, cada onda componente dentro de la luz compuesta se dobla una cantidad diferente.
La radiación electromagnética presenta propiedades de onda y de partícula al mismo tiempo (véase la dualidad onda-partícula). Ambas características, la de onda y la de partícula, han sido confirmadas en muchos experimentos. Las características ondulatorias son más evidentes cuando la radiación EM se mide en escalas de tiempo relativamente grandes y a grandes distancias, mientras que las características de las partículas son más evidentes cuando se miden escalas de tiempo y distancias pequeñas. Por ejemplo, cuando la radiación electromagnética es absorbida por la materia, las propiedades parecidas a las de las partículas serán más evidentes cuando el número medio de fotones en el cubo de la longitud de onda correspondiente sea mucho menor que 1. No es tan difícil observar experimentalmente la deposición no uniforme de energía cuando se absorbe la luz, sin embargo, esto por sí solo no es una prueba del comportamiento «particulado». Más bien refleja la naturaleza cuántica de la materia. Demostrar que la luz en sí misma está cuantizada, y no sólo su interacción con la materia, es un asunto más sutil.
Algunos experimentos muestran tanto la naturaleza de onda como de partícula de las ondas electromagnéticas, como la autointerferencia de un solo fotón. Cuando un solo fotón se envía a través de un interferómetro, pasa por ambos caminos, interfiriendo consigo mismo, como hacen las ondas, y sin embargo es detectado por un fotomultiplicador u otro detector sensible sólo una vez.
Una teoría cuántica de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, como los electrones, se describe mediante la teoría de la electrodinámica cuántica.
Las ondas electromagnéticas pueden polarizarse, reflejarse, refractarse, difractarse o interferir entre sí.
Modelo de ondaEditar
En medios homogéneos e isótropos, la radiación electromagnética es una onda transversal, lo que significa que sus oscilaciones son perpendiculares a la dirección de transferencia y desplazamiento de la energía. Las partes eléctrica y magnética del campo están en una relación fija de fuerzas para satisfacer las dos ecuaciones de Maxwell que especifican cómo se produce una a partir de la otra. En los medios sin disipación (sin pérdidas), estos campos E y B también están en fase, alcanzando ambos máximos y mínimos en los mismos puntos del espacio (ver ilustraciones). Un error común es pensar que los campos E y B en la radiación electromagnética están desfasados porque un cambio en uno produce el otro, y esto produciría una diferencia de fase entre ellos como funciones sinusoidales (como efectivamente ocurre en la inducción electromagnética, y en el campo cercano a las antenas). Sin embargo, en la radiación EM de campo lejano, descrita por las dos ecuaciones del operador de rizo de Maxwell sin fuente, una descripción más correcta es que un cambio de tiempo en un tipo de campo es proporcional a un cambio de espacio en el otro. Estas derivadas requieren que los campos E y B de la REM estén en fase (véase la sección de matemáticas más adelante).
Un aspecto importante de la naturaleza de la luz es su frecuencia. La frecuencia de una onda es su tasa de oscilación y se mide en hercios, la unidad de frecuencia del SI, donde un hercio equivale a una oscilación por segundo. La luz suele tener múltiples frecuencias que se suman para formar la onda resultante. Diferentes frecuencias sufren diferentes ángulos de refracción, un fenómeno conocido como dispersión.
Una onda monocromática (una onda de una sola frecuencia) consta de crestas y valles sucesivos, y la distancia entre dos crestas o valles adyacentes se llama longitud de onda. Las ondas del espectro electromagnético varían en tamaño, desde las ondas de radio muy largas, más largas que un continente, hasta los rayos gamma muy cortos, más pequeños que los núcleos de los átomos. La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, según la ecuación:
v = f λ {\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }
donde v es la velocidad de la onda (c en el vacío o menos en otros medios), f es la frecuencia y λ es la longitud de onda. Cuando las ondas cruzan las fronteras entre diferentes medios, sus velocidades cambian pero sus frecuencias permanecen constantes.
Las ondas electromagnéticas en el espacio libre deben ser soluciones de la ecuación de ondas electromagnéticas de Maxwell. Se conocen dos clases principales de soluciones, las ondas planas y las esféricas. Las ondas planas pueden considerarse como el caso límite de las ondas esféricas a una distancia muy grande (idealmente infinita) de la fuente. Ambos tipos de ondas pueden tener una forma de onda que es una función temporal arbitraria (siempre que sea suficientemente diferenciable para ajustarse a la ecuación de onda). Como cualquier función temporal, ésta puede descomponerse mediante el análisis de Fourier en su espectro de frecuencias, o en componentes sinusoidales individuales, cada uno de los cuales contiene una única frecuencia, amplitud y fase. Se dice que una onda de este tipo es monocromática. Una onda electromagnética monocromática puede caracterizarse por su frecuencia o longitud de onda, su amplitud de pico, su fase relativa a alguna fase de referencia, su dirección de propagación y su polarización.
La interferencia es la superposición de dos o más ondas que da lugar a un nuevo patrón de onda. Si los campos tienen componentes en la misma dirección, interfieren constructivamente, mientras que las direcciones opuestas causan una interferencia destructiva. Un ejemplo de interferencia causada por los EMR es la interferencia electromagnética (EMI) o, como se conoce más comúnmente, la interferencia de radiofrecuencia (RFI). Además, se pueden combinar (es decir, interferir) múltiples señales de polarización para formar nuevos estados de polarización, lo que se conoce como generación de estados de polarización paralelos.
La energía de las ondas electromagnéticas se denomina a veces energía radiante.
Modelo de partículas y teoría cuánticaEditar
A finales del siglo XIX surgió una anomalía que implicaba una contradicción entre la teoría ondulatoria de la luz y las mediciones de los espectros electromagnéticos que emitían los radiadores térmicos conocidos como cuerpos negros. Los físicos lucharon con este problema sin éxito durante muchos años. Más tarde se conoció como la catástrofe del ultravioleta. En 1900, Max Planck desarrolló una nueva teoría de la radiación de los cuerpos negros que explicaba el espectro observado. La teoría de Planck se basaba en la idea de que los cuerpos negros emiten luz (y otras radiaciones electromagnéticas) sólo como paquetes discretos de energía. Estos paquetes se denominaban cuantos. En 1905, Albert Einstein propuso que los cuantos de luz se consideraran partículas reales. Más tarde, la partícula de luz recibió el nombre de fotón, en correspondencia con otras partículas que se describían en esa época, como el electrón y el protón. Un fotón tiene una energía, E, proporcional a su frecuencia, f, mediante
E = h f = h c λ {\displaystyle E=hf={frac {hc}{\lambda }}, ¡!}
donde h es la constante de Planck, λ {\displaystyle \lambda }
es la longitud de onda y c es la velocidad de la luz. Esto se conoce a veces como la ecuación de Planck-Einstein. En la teoría cuántica (véase la primera cuantización) la energía de los fotones es, pues, directamente proporcional a la frecuencia de la onda EMR.
Así mismo, el momento p de un fotón es también proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda:
p = E c = h f c = h λ . {\displaystyle p={E \c}={hf \c}={h \c}.}.
El origen de la propuesta de Einstein de que la luz estaba compuesta por partículas (o podía actuar como partículas en algunas circunstancias) fue una anomalía experimental no explicada por la teoría ondulatoria: el efecto fotoeléctrico, en el que la luz que incidía sobre una superficie metálica expulsaba electrones de la superficie, provocando el flujo de una corriente eléctrica a través de un voltaje aplicado. Las mediciones experimentales demostraron que la energía de los electrones expulsados era proporcional a la frecuencia, y no a la intensidad, de la luz. Además, por debajo de una determinada frecuencia mínima, que dependía del metal en cuestión, no circulaba ninguna corriente, independientemente de la intensidad. Estas observaciones parecían contradecir la teoría ondulatoria, y durante años los físicos trataron en vano de encontrar una explicación. En 1905, Einstein explicó este enigma resucitando la teoría de las partículas de la luz para explicar el efecto observado. Sin embargo, debido a la preponderancia de las pruebas a favor de la teoría de las ondas, las ideas de Einstein fueron recibidas inicialmente con gran escepticismo entre los físicos establecidos. Con el tiempo, la explicación de Einstein fue aceptada al observarse nuevos comportamientos de la luz similares a los de las partículas, como el efecto Compton.
Cuando un fotón es absorbido por un átomo, excita el átomo, elevando un electrón a un nivel de energía más alto (uno que está en promedio más alejado del núcleo). Cuando un electrón de una molécula o un átomo excitado desciende a un nivel de energía inferior, emite un fotón de luz a una frecuencia correspondiente a la diferencia de energía. Como los niveles de energía de los electrones en los átomos son discretos, cada elemento y cada molécula emiten y absorben sus propias frecuencias características. La emisión inmediata de fotones se denomina fluorescencia, un tipo de fotoluminiscencia. Un ejemplo es la luz visible emitida por las pinturas fluorescentes, en respuesta al ultravioleta (luz negra). Se conocen muchas otras emisiones fluorescentes en bandas espectrales distintas de la luz visible. La emisión retardada se denomina fosforescencia.
Dualidad onda-partículaEditar
La teoría moderna que explica la naturaleza de la luz incluye la noción de dualidad onda-partícula. En términos más generales, la teoría afirma que todo tiene tanto una naturaleza de partícula como una naturaleza de onda, y se pueden realizar varios experimentos para sacar a la luz una u otra. La naturaleza de partícula se discierne más fácilmente con un objeto de gran masa. Una audaz propuesta de Louis de Broglie en 1924 llevó a la comunidad científica a darse cuenta de que la materia (por ejemplo, los electrones) también presenta la dualidad onda-partícula.
Efectos onda y partícula de la radiación electromagnéticaEditar
Juntos, los efectos onda y partícula explican completamente los espectros de emisión y absorción de la radiación EM. La composición de materia del medio por el que viaja la luz determina la naturaleza del espectro de absorción y emisión. Estas bandas corresponden a los niveles de energía permitidos en los átomos. Las bandas oscuras del espectro de absorción se deben a los átomos de un medio intermedio entre la fuente y el observador. Los átomos absorben ciertas frecuencias de la luz entre el emisor y el detector/ojo, y luego las emiten en todas las direcciones. En el detector aparece una banda oscura, debida a la radiación dispersada fuera del haz. Por ejemplo, las bandas oscuras en la luz emitida por una estrella lejana se deben a los átomos de la atmósfera de la estrella. Un fenómeno similar ocurre con la emisión, que se observa cuando un gas emisor brilla debido a la excitación de los átomos por cualquier mecanismo, incluido el calor. A medida que los electrones descienden a niveles de energía más bajos, se emite un espectro que representa los saltos entre los niveles de energía de los electrones, pero se observan líneas porque, de nuevo, la emisión se produce sólo a determinadas energías tras la excitación. Un ejemplo es el espectro de emisión de las nebulosas. Los electrones que se mueven rápidamente se aceleran de forma más brusca cuando encuentran una región de fuerza, por lo que son los responsables de producir gran parte de la radiación electromagnética de más alta frecuencia que se observa en la naturaleza.
Estos fenómenos pueden ayudar a diversas determinaciones químicas para la composición de los gases iluminados por detrás (espectros de absorción) y para los gases incandescentes (espectros de emisión). La espectroscopia (por ejemplo) determina qué elementos químicos componen una estrella concreta. La espectroscopia también se utiliza en la determinación de la distancia de una estrella, utilizando el desplazamiento al rojo.
Velocidad de propagaciónEditar
Cuando cualquier cable (u otro objeto conductor como una antena) conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga a la misma frecuencia que la corriente. En muchas de estas situaciones es posible identificar un momento dipolar eléctrico que surge de la separación de las cargas debido al potencial eléctrico excitante, y este momento dipolar oscila en el tiempo, a medida que las cargas se mueven de un lado a otro. Esta oscilación a una frecuencia determinada da lugar a campos eléctricos y magnéticos cambiantes, que luego ponen en movimiento la radiación electromagnética.
A nivel cuántico, la radiación electromagnética se produce cuando el paquete de ondas de una partícula cargada oscila o se acelera de otra manera. Las partículas cargadas en estado estacionario no se mueven, pero una superposición de dichos estados puede dar lugar a un estado de transición que tiene un momento dipolar eléctrico que oscila en el tiempo. Este momento dipolar oscilante es el responsable del fenómeno de transición radiativa entre estados cuánticos de una partícula cargada. Tales estados se producen (por ejemplo) en los átomos cuando se irradian fotones cuando el átomo pasa de un estado estacionario a otro.
Como onda, la luz se caracteriza por una velocidad (la velocidad de la luz), una longitud de onda y una frecuencia. Como partículas, la luz es un flujo de fotones. Cada uno tiene una energía relacionada con la frecuencia de la onda dada por la relación de Planck E = hf, donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck, 6,626 × 10-34 J-s, y f es la frecuencia de la onda.
Una regla se cumple independientemente de las circunstancias: La radiación EM en el vacío viaja a la velocidad de la luz, en relación con el observador, independientemente de la velocidad de éste. (Esta observación llevó a Einstein a desarrollar la teoría de la relatividad especial.)En un medio (distinto del vacío), se considera el factor de velocidad o el índice de refracción, según la frecuencia y la aplicación. Ambos son relaciones entre la velocidad en un medio y la velocidad en el vacío.
Teoría especial de la relatividadEditar
A finales del siglo XIX, varias anomalías experimentales no podían ser explicadas por la teoría ondulatoria simple. Una de estas anomalías implicaba una controversia sobre la velocidad de la luz. La velocidad de la luz y otras RME predichas por las ecuaciones de Maxwell no aparecían a menos que las ecuaciones se modificaran de una manera sugerida por primera vez por FitzGerald y Lorentz (véase la historia de la relatividad especial), o de lo contrario esa velocidad dependería de la velocidad del observador en relación con el «medio» (llamado éter luminífero) que supuestamente «transportaba» la onda electromagnética (de manera análoga a como el aire transporta las ondas sonoras). Los experimentos no encontraron ningún efecto del observador. En 1905, Einstein propuso que el espacio y el tiempo parecían ser entidades que cambiaban de velocidad para la propagación de la luz y todos los demás procesos y leyes. Estos cambios explicaban la constancia de la velocidad de la luz y de toda la radiación electromagnética, desde el punto de vista de todos los observadores -incluso los que están en movimiento relativo.