Radiación electromagnética

Modelo físico de propagación de energía.

Una onda electromagnética polarizada linealmente que va en el eje z, donde E denota el campo eléctrico y B perpendicular denota el campo magnético.

En física , la radiación electromagnética ( REM ) consiste en ondas del campo electromagnético (EM) , que se propagan a través del espacio y transportan momento y energía radiante electromagnética . ^{[1] [2]}

Clásicamente , la radiación electromagnética está formada por ondas electromagnéticas , que son oscilaciones sincronizadas de campos eléctricos y magnéticos . En el vacío , las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz , comúnmente denominada c . Allí, dependiendo de la frecuencia de oscilación, se producen diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético. En medios homogéneos e isótropos, las oscilaciones de los dos campos son en promedio perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación de la energía y la onda, formando una onda transversal .

La radiación electromagnética se conoce comúnmente como "luz", EM, EMR u ondas electromagnéticas . ^[2]

La posición de una onda electromagnética dentro del espectro electromagnético se puede caracterizar por su frecuencia de oscilación o por su longitud de onda. Las ondas electromagnéticas de diferente frecuencia reciben diferentes nombres ya que tienen diferentes fuentes y efectos sobre la materia. En orden de frecuencia creciente y longitud de onda decreciente, el espectro electromagnético incluye: ondas de radio , microondas , infrarrojos , luz visible , ultravioleta , rayos X y rayos gamma . ^{[3] [4]}

Las ondas electromagnéticas son emitidas por partículas cargadas eléctricamente que experimentan aceleración , ^{[5] [6]} y estas ondas pueden posteriormente interactuar con otras partículas cargadas, ejerciendo fuerza sobre ellas. Las ondas EM transportan energía, momento y momento angular lejos de su partícula fuente y pueden impartir esas cantidades a la materia con la que interactúan. La radiación electromagnética está asociada con aquellas ondas EM que son libres de propagarse ("irradiar") sin la influencia continua de las cargas en movimiento que las produjeron, porque han alcanzado una distancia suficiente de esas cargas. Por lo tanto, a veces se hace referencia a la EMR como campo lejano , mientras que el campo cercano se refiere a los campos EM cerca de las cargas y la corriente que los produjeron directamente, específicamente los fenómenos de inducción electromagnética e inducción electrostática .

En mecánica cuántica , una forma alternativa de ver la EMR es que consiste en fotones , partículas elementales sin carga con masa en reposo cero que son los cuantos del campo electromagnético , responsables de todas las interacciones electromagnéticas. ^[7] La ​​electrodinámica cuántica es la teoría de cómo la EMR interactúa con la materia a nivel atómico. ^[8] Los efectos cuánticos proporcionan fuentes adicionales de EMR, como la transición de electrones a niveles de energía más bajos en un átomo y la radiación de cuerpo negro . ^[9] La energía de un fotón individual está cuantizada y es proporcional a la frecuencia de acuerdo con la ecuación de Planck E = hf , donde E es la energía por fotón, f es la frecuencia del fotón y h es la constante de Planck . Por lo tanto, los fotones de frecuencia más alta tienen más energía. Por ejemplo, unEl fotón de rayos gamma de 10 ²⁰  Hz tiene10 ¹⁹ veces la energía de un Fotón de onda de radio de frecuencia extremadamente baja de 10 ¹  Hz .

Los efectos de la radiación electromagnética sobre los compuestos químicos y los organismos biológicos dependen tanto de la potencia de la radiación como de su frecuencia. La radiación electromagnética de la luz ultravioleta de menor energía o de frecuencias más bajas (es decir, la luz ultravioleta cercana , la luz visible, los infrarrojos, las microondas y las ondas de radio) no es ionizante porque sus fotones no tienen individualmente suficiente energía para ionizar átomos o moléculas o para romper enlaces químicos . El efecto de la radiación no ionizante sobre los sistemas químicos y los tejidos vivos es principalmente el calentamiento, a través de la transferencia de energía combinada de muchos fotones. Por el contrario, la luz ultravioleta de alta frecuencia, los rayos X y los rayos gamma son ionizantes : los fotones individuales de una frecuencia tan alta tienen suficiente energía para ionizar moléculas o romper enlaces químicos . La radiación ionizante puede provocar reacciones químicas y dañar las células vivas más allá del simple calentamiento, y puede ser un riesgo para la salud y peligrosa.

Física

Teoría

Las longitudes de onda relativas de las ondas electromagnéticas de tres colores diferentes de luz (azul, verde y rojo) con una escala de distancia en micrómetros a lo largo del eje x

Ecuaciones de Maxwell

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 . Debido a que la velocidad de las ondas electromagnéticas predicha por la ecuación de onda coincidía con la velocidad medida de la luz , Maxwell concluyó que la luz en sí misma es una onda electromagnética. ^{[10] [11]} Las ecuaciones de Maxwell fueron confirmadas por Heinrich Hertz a través de experimentos con ondas de radio. ^[12]

Campos cercanos y lejanos

En la radiación electromagnética (como las microondas emitidas por una antena, que se muestran aquí), el término radiación se aplica solo a las partes del campo electromagnético que irradian hacia el espacio infinito y disminuyen en intensidad según una ley de potencia del inverso del cuadrado, de modo que la energía total que atraviesa una esfera imaginaria que rodea la fuente es la misma independientemente del tamaño de la esfera. La radiación electromagnética llega así a la parte más alejada del campo electromagnético que rodea a un transmisor. Una parte del campo cercano (próximo al transmisor) incluye el campo electromagnético cambiante , pero eso no es radiación electromagnética .

Las ecuaciones de Maxwell establecieron que algunas cargas y corrientes ( fuentes ) producen campos electromagnéticos locales cerca de ellas que no irradian. Las corrientes producen directamente campos magnéticos, pero estos campos son de tipo dipolar magnético que se extinguen con la distancia de la corriente. De manera similar, las cargas en movimiento separadas en un conductor por un potencial eléctrico cambiante (como en una antena) producen un campo eléctrico de tipo dipolar eléctrico , pero este también disminuye con la distancia. Estos campos forman el campo cercano . Ninguno de estos comportamientos es responsable de la radiación EM. En cambio, solo transfieren energía de manera eficiente a un receptor muy cercano a la fuente, como dentro de un transformador . El campo cercano tiene fuertes efectos sobre su fuente, y cualquier energía extraída por un receptor causa un aumento de carga (reducción de la reactancia eléctrica ) en la fuente. El campo cercano no se propaga libremente en el espacio, llevándose energía sin un límite de distancia, sino que oscila, devolviendo su energía al transmisor si no es absorbida por un receptor. ^[13]

Por el contrario, el campo lejano está compuesto de radiación que está libre del transmisor, en el sentido de que el transmisor requiere la misma potencia para enviar cambios en el campo sin importar si algo absorbe la señal, por ejemplo, una estación de radio no necesita aumentar su potencia cuando más receptores usan la señal. Esta parte lejana del campo electromagnético es radiación electromagnética. Los campos lejanos se propagan (irradian) sin permitir que el transmisor los afecte. Esto hace que sean independientes en el sentido de que su existencia y su energía, después de haber salido del transmisor, es completamente independiente tanto del transmisor como del receptor. Debido a la conservación de la energía , la cantidad de energía que pasa a través de cualquier superficie esférica dibujada alrededor de la fuente es la misma. Debido a que dicha superficie tiene un área proporcional al cuadrado de su distancia a la fuente, la densidad de potencia de la radiación EM de una fuente isótropa disminuye con el cuadrado inverso de la distancia a la fuente; esto se llama ley del cuadrado inverso . Esto contrasta con las partes dipolares del campo EM, el campo cercano, que varía en intensidad de acuerdo con una ley de potencia del cubo inverso y, por lo tanto, no transporta una cantidad conservada de energía a través de las distancias, sino que se desvanece con la distancia, y su energía (como se señaló) regresa rápidamente al transmisor o es absorbida por un receptor cercano (como una bobina secundaria de un transformador).

En la formulación del potencial de Liénard-Wiechert de los campos eléctrico y magnético debido al movimiento de una sola partícula (según las ecuaciones de Maxwell), los términos asociados con la aceleración de la partícula son aquellos que son responsables de la parte del campo que se considera radiación electromagnética. Por el contrario, el término asociado con el campo eléctrico estático cambiante de la partícula y el término magnético que resulta de la velocidad uniforme de la partícula están asociados con el campo cercano y no comprenden la radiación electromagnética. ^[14]

Propiedades

Las ondas electromagnéticas pueden imaginarse como una onda oscilante transversal que se propaga por sí sola, compuesta por campos eléctricos y magnéticos. Esta animación en 3D muestra una onda plana polarizada linealmente que se propaga de izquierda a derecha. Los campos eléctricos y magnéticos de dicha onda están en fase entre sí y alcanzan juntos los mínimos y los máximos.

Los campos eléctricos y magnéticos obedecen a las propiedades de superposición . Por lo tanto, un campo debido a cualquier partícula particular o campo eléctrico o magnético variable en el tiempo contribuye a los campos presentes en el mismo espacio debido a otras causas. Además, como son campos vectoriales , todos los vectores de campo magnético y eléctrico se suman de acuerdo con la adición vectorial . ^[15] Por ejemplo, en óptica, dos o más ondas de luz 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 de luz individuales. ^[16]

Los campos electromagnéticos de la luz no se ven afectados al viajar a través de campos magnéticos o eléctricos estáticos en un medio lineal como el vacío. Sin embargo, en medios no lineales, como algunos cristales , pueden ocurrir interacciones entre la luz y los campos magnéticos y eléctricos estáticos; estas interacciones incluyen el efecto Faraday y el efecto Kerr . ^{[17] [18]}

En la refracción , una onda que pasa 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 que pasa a través de 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 en una cantidad diferente. ^[19]

La radiación electromagnética exhibe propiedades tanto de onda como de partícula al mismo tiempo (ver dualidad onda-partícula ). Tanto las características de onda como de partícula han sido confirmadas en muchos experimentos. Las características de onda son más evidentes cuando la radiación electromagnética se mide en escalas de tiempo relativamente grandes y en grandes distancias, mientras que las características de partícula 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 similares a las de las partículas serán más obvias cuando el número promedio de fotones en el cubo de la longitud de onda relevante sea mucho menor que 1. No es tan difícil observar experimentalmente una deposición no uniforme de energía cuando se absorbe la luz, sin embargo, esto por sí solo no es evidencia de un comportamiento "particulado". Más bien, refleja la naturaleza cuántica de la materia . ^[20] Demostrar que la luz en sí está cuantizada, no solo su interacción con la materia, es un asunto más sutil.

Algunos experimentos muestran tanto la naturaleza ondulatoria como la corpuscular de las ondas electromagnéticas, como la autointerferencia de un único fotón . ^[21] Cuando se envía un único fotón a través de un interferómetro , pasa por ambos caminos, interfiriendo consigo mismo, como lo hacen las ondas, pero es detectado por un fotomultiplicador u otro detector sensible solo 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 o difractarse y pueden interferir entre sí. ^{[22] [23] [24]}

Modelo de onda

Representación del vector de campo eléctrico de una onda de radiación electromagnética polarizada circularmente

En medios homogéneos e isótropos, la radiación electromagnética es una onda transversal , ^[25] lo que significa que sus oscilaciones son perpendiculares a la dirección de transferencia y propagación de la energía. Proviene de las siguientes ecuaciones : Estas ecuaciones predican que cualquier onda electromagnética debe ser una onda transversal , donde el campo eléctrico E y el campo magnético B son ambos perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. $${\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}}$$

Las partes eléctrica y magnética del campo en una onda electromagnética se encuentran en una proporción fija de intensidades para satisfacer las dos ecuaciones de Maxwell que especifican cómo se produce una a partir de la otra. En medios sin disipación (sin pérdidas), estos campos E y B también están en fase, y ambos alcanzan máximos y mínimos en los mismos puntos del espacio (ver ilustraciones). En la radiación electromagnética de campo lejano que se describe mediante las dos ecuaciones del operador rotacional de Maxwell sin fuente , un cambio temporal en un tipo de campo es proporcional al rotacional del otro. Estas derivadas requieren que los campos E y B en la radiación electromagnética estén en fase (ver la sección de matemáticas a continuación). ^{[ cita requerida ]}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 es igual a una oscilación por segundo. La luz suele tener múltiples frecuencias que se suman para formar la onda resultante. Diferentes frecuencias experimentan diferentes ángulos de refracción, un fenómeno conocido como dispersión .

Una onda monocromática (una onda de una sola frecuencia) consta de valles y crestas sucesivos, y la distancia entre dos crestas o valles adyacentes se denomina longitud de onda . Las ondas del espectro electromagnético varían en tamaño, desde ondas de radio muy largas, más largas que un continente, hasta 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: ^[26]

${\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }$

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. A medida que las ondas cruzan límites 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 onda electromagnética de Maxwell . Se conocen dos clases principales de soluciones, a saber, ondas planas y ondas esféricas. Las ondas planas pueden considerarse 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 de tiempo arbitraria (siempre que sea suficientemente diferenciable para ajustarse a la ecuación de onda). Como ocurre con cualquier función de tiempo, esta puede descomponerse mediante el análisis de Fourier en su espectro de frecuencia o componentes sinusoidales individuales, cada uno de los cuales contiene una sola frecuencia, amplitud y fase. Se dice que una onda componente 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 como resultado un nuevo patrón de onda. Si los campos tienen componentes en la misma dirección, interfieren de manera constructiva, mientras que las direcciones opuestas causan interferencia destructiva. Además, se pueden combinar múltiples señales de polarización (es decir, se pueden interferir) para formar nuevos estados de polarización, lo que se conoce como generación de estados de polarización paralela. ^[27]

La energía de las ondas electromagnéticas a veces se denomina energía radiante . ^{[28] [29] [30]}

Modelo de partículas y teoría cuántica

A finales del siglo XIX surgió una anomalía relacionada con 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, y más tarde se lo conoció como la catástrofe 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 otra radiación electromagnética) solo como haces discretos o paquetes 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 , para corresponderse 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 , por

${\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }}\,\!}$

donde h es la constante de Planck , es la longitud de onda y c es la velocidad de la luz . Esto a veces se conoce como la ecuación de Planck-Einstein . ^[31] En la teoría cuántica (ver primera cuantificación ) la energía de los fotones es, por lo tanto, directamente proporcional a la frecuencia de la onda EMR. ^[32] ${\displaystyle \lambda }$

Del mismo modo, el momento p de un fotón también es proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda:

${\displaystyle p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }.}$

La teoría ondulatoria se basó en una anomalía experimental que la luz estaba compuesta de partículas (o podía actuar como partículas en algunas circunstancias) y que no podía explicar: el efecto fotoeléctrico , en el que la luz, al incidir sobre una superficie metálica, expulsaba electrones de la misma, lo que hacía que fluyera una corriente eléctrica a través de un voltaje aplicado . Las mediciones experimentales demostraron que la energía de los electrones individuales expulsados ​​era proporcional a la frecuencia , en lugar de a la intensidad , de la luz. Además, por debajo de una determinada frecuencia mínima, que dependía del metal en particular, no fluía ninguna corriente independientemente de la intensidad. Estas observaciones parecían contradecir la teoría ondulatoria, y durante años los físicos intentaron en vano encontrar una explicación. En 1905, Einstein explicó este enigma resucitando la teoría de partículas de la luz para explicar el efecto observado. Sin embargo, debido a la preponderancia de la evidencia a favor de la teoría ondulatoria, las ideas de Einstein fueron recibidas inicialmente con gran escepticismo entre los físicos establecidos. Finalmente, la explicación de Einstein fue aceptada cuando se observó un nuevo comportamiento de la luz similar al de las partículas, como el efecto Compton . ^{[33] [34]}

A medida que 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 en una molécula o átomo excitado desciende a un nivel de energía más bajo, emite un fotón de luz a una frecuencia correspondiente a la diferencia de energía. Dado que los niveles de energía de los electrones en los átomos son discretos, cada elemento y cada molécula emite y absorbe sus propias frecuencias características. La emisión inmediata de fotones se llama fluorescencia , un tipo de fotoluminiscencia . Un ejemplo es la luz visible emitida por pinturas fluorescentes, en respuesta a la luz ultravioleta ( luz negra ). Se conocen muchas otras emisiones fluorescentes en bandas espectrales distintas de la luz visible. La emisión retardada se llama fosforescencia . ^{[35] [36]}

Dualidad onda-partícula

La teoría moderna que explica la naturaleza de la luz incluye la noción de dualidad onda-partícula.

Efectos de ondas y partículas de la radiación electromagnética

Juntos, los efectos de onda y partícula explican completamente los espectros de emisión y absorción de la radiación EM. La composición de materia del medio a través del cual 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 en el espectro de absorción se deben a los átomos en un medio intermedio entre la fuente y el observador. Los átomos absorben ciertas frecuencias de la luz entre el emisor y el detector/ojo, luego las emiten en todas las direcciones. Una banda oscura aparece para el detector, debido a la radiación dispersada fuera del haz de luz . Por ejemplo, las bandas oscuras en la luz emitida por una estrella distante se deben a los átomos en la atmósfera de la estrella. Un fenómeno similar ocurre para la emisión , que se ve 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 ven líneas porque nuevamente la emisión ocurre solo a energías particulares después de la excitación. ^[37] Un ejemplo es el espectro de emisión de las nebulosas . ^[38] Los electrones que se mueven rápidamente se aceleran más bruscamente cuando encuentran una región de fuerza, por lo que son responsables de producir gran parte de la radiación electromagnética de frecuencia más alta observada en la naturaleza.

Estos fenómenos pueden ayudar a realizar diversas determinaciones químicas de la composición de los gases iluminados desde atrás (espectros de absorción) y de los gases incandescentes (espectros de emisión). La espectroscopia, por ejemplo, determina qué elementos químicos componen una estrella en particular. La espectroscopia también se utiliza para determinar la distancia de una estrella, utilizando el corrimiento al rojo . ^[39]

Velocidad de propagación

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.

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. ^[40]

En un medio (distinto del vacío), se consideran 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.

Historia del descubrimiento

La radiación electromagnética de longitudes de onda distintas a las de la luz visible se descubrió a principios del siglo XIX. El descubrimiento de la radiación infrarroja se atribuye al astrónomo William Herschel , quien publicó sus resultados en 1800 ante la Royal Society de Londres . ^[41] Herschel utilizó un prisma de vidrio para refractar la luz del Sol y detectó rayos invisibles que causaban calentamiento más allá de la parte roja del espectro, a través de un aumento en la temperatura registrada con un termómetro . Estos "rayos caloríficos" se denominaron posteriormente infrarrojos. ^[42]

En 1801, el físico alemán Johann Wilhelm Ritter descubrió la luz ultravioleta en un experimento similar al de Herschel, en el que utilizó la luz solar y un prisma de vidrio. Ritter observó que los rayos invisibles cerca del borde violeta de un espectro solar dispersados ​​por un prisma triangular oscurecían las preparaciones de cloruro de plata más rápidamente que la luz violeta cercana. Los experimentos de Ritter fueron un precursor temprano de lo que se convertiría en la fotografía. Ritter observó que los rayos ultravioleta (que al principio se denominaron "rayos químicos") eran capaces de provocar reacciones químicas. ^{[43] [44]}

James Clerk Maxwell
(1831-1879)

Entre 1862 y 1864, James Clerk Maxwell desarrolló ecuaciones para el campo electromagnético que sugerían que las ondas en el campo viajarían a una velocidad muy cercana a la velocidad conocida de la luz. Por lo tanto, Maxwell sugirió que la luz visible (así como los rayos infrarrojos y ultravioleta invisibles por inferencia) consistían en perturbaciones que se propagaban (o radiación) en el campo electromagnético. Las ondas de radio fueron producidas deliberadamente por primera vez por Heinrich Hertz en 1887, utilizando circuitos eléctricos calculados para producir oscilaciones a una frecuencia mucho más baja que la de la luz visible, siguiendo recetas para producir cargas y corrientes oscilantes sugeridas por las ecuaciones de Maxwell. Hertz también desarrolló formas de detectar estas ondas, y produjo y caracterizó lo que más tarde se denominó ondas de radio y microondas . ^{[45] : 286, 7}

Wilhelm Röntgen descubrió y denominó los rayos X. Después de experimentar con altos voltajes aplicados a un tubo de vacío el 8 de noviembre de 1895, notó una fluorescencia en una placa de vidrio recubierto cercana. En un mes, descubrió las principales propiedades de los rayos X. ^{[45] : 307}

La última porción del espectro electromagnético que se descubrió estaba asociada con la radiactividad . Henri Becquerel descubrió que las sales de uranio causaban el empañamiento de una placa fotográfica no expuesta a través de un papel que la cubría de una manera similar a los rayos X, y Marie Curie descubrió que solo ciertos elementos emitían estos rayos de energía, descubriendo pronto la intensa radiación del radio . La radiación de la pechblenda fue diferenciada en rayos alfa ( partículas alfa ) y rayos beta ( partículas beta ) por Ernest Rutherford mediante una simple experimentación en 1899, pero se demostró que estos eran tipos de radiación de partículas cargadas. Sin embargo, en 1900 el científico francés Paul Villard descubrió un tercer tipo de radiación de radio con carga neutra y especialmente penetrante, y después de describirlo, Rutherford se dio cuenta de que debía ser un tercer tipo de radiación, que en 1903 Rutherford denominó rayos gamma . En 1910 el físico británico William Henry Bragg demostró que los rayos gamma son radiación electromagnética, no partículas, y en 1914 Rutherford y Edward Andrade midieron sus longitudes de onda, encontrando que eran similares a los rayos X pero con longitudes de onda más cortas y mayor frecuencia, aunque un 'cruce' entre rayos X y gamma hace posible tener rayos X con una energía más alta (y por lo tanto una longitud de onda más corta) que los rayos gamma y viceversa. El origen del rayo los diferencia, los rayos gamma tienden a ser fenómenos naturales que se originan en el núcleo inestable de un átomo y los rayos X son generados eléctricamente (y por lo tanto hechos por el hombre) a menos que sean el resultado de la radiación X de bremsstrahlung causada por la interacción de partículas de movimiento rápido (como partículas beta) que chocan con ciertos materiales, generalmente de números atómicos más altos. ^{[45] : 308, 9}

Espectro electromagnético

Espectro electromagnético con luz visible resaltada. El gráfico inferior (espectro visible) muestra la longitud de onda en unidades de nanómetros (nm).

Leyenda:
γ = rayos gamma

HX = rayos X
duros SX = rayos X suaves EUV = ultravioleta

extremo NUV = ultravioleta cercano Luz visible (bandas de colores) NIR = infrarrojo cercano MIR = infrarrojo medio FIR = infrarrojo lejano EHF = frecuencia extremadamente alta (microondas) SHF = frecuencia superalta (microondas) UHF = frecuencia ultraalta (ondas de radio) VHF = frecuencia muy alta (radio) HF = frecuencia alta (radio) MF = frecuencia media (radio) LF = frecuencia baja (radio) VLF = frecuencia muy baja (radio) VF = frecuencia de voz ULF = frecuencia ultrabaja (radio) SLF = frecuencia superbaja (radio) ELF = frecuencia extremadamente baja (radio)

La radiación electromagnética (la designación "radiación" excluye los campos eléctricos estáticos, magnéticos y cercanos ) se clasifica por longitud de onda en radio , microondas , infrarrojos , visible , ultravioleta , rayos X y rayos gamma . Las ondas electromagnéticas arbitrarias se pueden expresar mediante análisis de Fourier en términos de ondas sinusoidales ( radiación monocromática ), que a su vez se pueden clasificar en estas regiones del espectro EMR.

Para ciertas clases de ondas electromagnéticas, la forma de onda se trata de manera más útil como aleatoria y, luego, el análisis espectral debe realizarse mediante técnicas matemáticas ligeramente diferentes, apropiadas para procesos aleatorios o estocásticos . En tales casos, los componentes de frecuencia individuales se representan en términos de su contenido de potencia y la información de fase no se conserva. Tal representación se denomina densidad espectral de potencia del proceso aleatorio. La radiación electromagnética aleatoria que requiere este tipo de análisis se encuentra, por ejemplo, en el interior de las estrellas y en ciertas otras formas de radiación de banda muy ancha, como el campo de onda del punto cero del vacío electromagnético.

El comportamiento de la radiación electromagnética y su interacción con la materia depende de su frecuencia y cambia cualitativamente a medida que cambia la frecuencia. Las frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas y las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas y están asociadas con fotones de mayor energía. No se conoce ningún límite fundamental para estas longitudes de onda o energías en ninguno de los extremos del espectro, aunque los fotones con energías cercanas a la energía de Planck o superiores (demasiado altas para haber sido observadas alguna vez) requerirán nuevas teorías físicas para describirlas.

Radio y microondas

Cuando las ondas de radio inciden sobre un conductor , se acoplan al conductor, viajan a lo largo de él e inducen una corriente eléctrica en la superficie del conductor moviendo los electrones del material conductor en haces de carga correlacionados.

Los fenómenos de radiación electromagnética con longitudes de onda que van desde un metro hasta un milímetro se denominan microondas; con frecuencias entre 300 MHz (0,3 GHz) y 300 GHz.

En las frecuencias de radio y microondas, la radiación electromagnética interactúa con la materia en gran medida como una colección masiva de cargas que se distribuyen en un gran número de átomos afectados. En los conductores eléctricos , este movimiento masivo inducido de cargas ( corrientes eléctricas ) da como resultado la absorción de la radiación electromagnética, o bien separaciones de cargas que causan la generación de nueva radiación electromagnética (reflexión efectiva de la radiación electromagnética). Un ejemplo es la absorción o emisión de ondas de radio por antenas, o la absorción de microondas por agua u otras moléculas con un momento dipolar eléctrico, como por ejemplo dentro de un horno microondas . Estas interacciones producen corrientes eléctricas o calor, o ambos.

Infrarrojo

Al igual que la radio y las microondas, la radiación infrarroja (IR) también se refleja en los metales (y también en la mayoría de las radiaciones electromagnéticas, hasta bien entrada la gama ultravioleta). Sin embargo, a diferencia de la radiación de radio y microondas de frecuencias más bajas, la radiación infrarroja electromagnética interactúa habitualmente con dipolos presentes en moléculas individuales, que cambian a medida que los átomos vibran en los extremos de un único enlace químico. En consecuencia, es absorbida por una amplia gama de sustancias, lo que hace que aumenten su temperatura a medida que las vibraciones se disipan en forma de calor. El mismo proceso, ejecutado a la inversa, hace que las sustancias a granel irradien en el infrarrojo de forma espontánea (véase la sección sobre radiación térmica a continuación).

La radiación infrarroja se divide en subregiones espectrales. Si bien existen diferentes esquemas de subdivisión, ^{[46] [47]} el espectro se divide comúnmente en infrarrojo cercano (0,75–1,4 μm), infrarrojo de longitud de onda corta (1,4–3 μm), infrarrojo de longitud de onda media (3–8 μm), infrarrojo de longitud de onda larga (8–15 μm) e infrarrojo lejano (15–1000 μm). ^[48]

Luz visible

Las fuentes naturales producen radiación electromagnética en todo el espectro. La radiación electromagnética con una longitud de onda de entre aproximadamente 400 nm y 700 nm es detectada directamente por el ojo humano y percibida como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente las infrarrojas cercanas (más largas que 700 nm) y las ultravioletas (más cortas que 400 nm) también se denominan a veces luz.

A medida que la frecuencia aumenta en el rango visible, los fotones tienen suficiente energía para cambiar la estructura de enlace de algunas moléculas individuales. No es una coincidencia que esto suceda en el rango visible, ya que el mecanismo de la visión implica el cambio en el enlace de una sola molécula, retinal , que absorbe un solo fotón. El cambio en retinal provoca un cambio en la forma de la proteína rodopsina que lo contiene, lo que inicia el proceso bioquímico que hace que la retina del ojo humano detecte la luz.

La fotosíntesis también es posible en este rango por la misma razón. Una sola molécula de clorofila es excitada por un solo fotón. En los tejidos vegetales que realizan la fotosíntesis, los carotenoides actúan para extinguir la clorofila excitada electrónicamente producida por la luz visible en un proceso llamado extinción no fotoquímica , para evitar reacciones que de otro modo interferirían con la fotosíntesis en niveles altos de luz.

Los animales que detectan infrarrojos utilizan pequeños paquetes de agua que cambian de temperatura, en un proceso esencialmente térmico que involucra muchos fotones.

Se sabe que las ondas infrarrojas, las microondas y las ondas de radio dañan las moléculas y el tejido biológico solo mediante el calentamiento en masa, no mediante la excitación de fotones individuales de radiación.

La luz visible es capaz de afectar sólo a un pequeño porcentaje de todas las moléculas. Normalmente no de forma permanente o dañina, sino que el fotón excita un electrón que luego emite otro fotón al regresar a su posición original. Esta es la fuente del color producido por la mayoría de los tintes. El retinal es una excepción. Cuando se absorbe un fotón, el retinal cambia permanentemente su estructura de cis a trans , y requiere una proteína para volver a convertirlo, es decir, restablecerlo para que pueda funcionar nuevamente como detector de luz.

Evidencias limitadas indican que algunas especies reactivas de oxígeno son creadas por la luz visible en la piel, y que éstas pueden tener algún papel en el fotoenvejecimiento, de la misma manera que la luz ultravioleta A. [ ^49]

Ultravioleta

A medida que la frecuencia aumenta hacia el ultravioleta, los fotones ahora llevan suficiente energía (alrededor de tres electronvoltios o más) para excitar ciertas moléculas doblemente enlazadas en una reorganización química permanente. En el ADN , esto causa un daño duradero. El ADN también se daña indirectamente por las especies reactivas de oxígeno producidas por la radiación ultravioleta A (UVA), que tiene una energía demasiado baja para dañar el ADN directamente. Esta es la razón por la que la radiación ultravioleta en todas las longitudes de onda puede dañar el ADN y es capaz de causar cáncer y (en el caso de la radiación UVB ) quemaduras en la piel (quemaduras solares) que son mucho peores que las que se producirían por efectos de calentamiento simple (aumento de temperatura).

En el extremo superior del espectro ultravioleta, la energía de los fotones se vuelve lo suficientemente grande como para impartir suficiente energía a los electrones para hacer que se liberen del átomo, en un proceso llamado fotoionización . La energía requerida para esto siempre es mayor que aproximadamente 10 electronvoltios (eV), lo que corresponde a longitudes de onda menores a 124 nm (algunas fuentes sugieren un límite más realista de 33 eV, que es la energía requerida para ionizar el agua). Este extremo superior del espectro ultravioleta con energías en el rango aproximado de ionización, a veces se denomina "UV extremo". La atmósfera terrestre filtra fuertemente los rayos UV ionizantes. ^{[ cita requerida ]}

Rayos X y rayos gamma

La radiación electromagnética compuesta de fotones que llevan una energía de ionización mínima, o más, (que incluye todo el espectro con longitudes de onda más cortas), se denomina, por tanto, radiación ionizante . (Muchos otros tipos de radiación ionizante están hechos de partículas no electromagnéticas). La radiación ionizante de tipo electromagnético se extiende desde el ultravioleta extremo hasta todas las frecuencias más altas y longitudes de onda más cortas, lo que significa que todos los rayos X y rayos gamma califican. Estos son capaces de los tipos más graves de daño molecular, que pueden ocurrir en biología a cualquier tipo de biomolécula, incluyendo mutaciones y cáncer, y a menudo a grandes profundidades debajo de la piel, ya que el extremo superior del espectro de rayos X, y todo el espectro de rayos gamma, penetran la materia. ^{[ cita requerida ]}

Atmósfera y magnetosfera

Gráfico aproximado de la absorción atmosférica y la dispersión (u opacidad ) de la Tierra de varias longitudes de onda de la radiación electromagnética

La mayor parte de los rayos ultravioleta y X se bloquean por absorción, primero por el nitrógeno molecular y luego (para las longitudes de onda en el rango superior del ultravioleta) por la excitación electrónica del dioxígeno y, finalmente, por el ozono en el rango medio del ultravioleta. Solo el 30% de la luz ultravioleta del Sol llega al suelo y casi toda se transmite bien.

La luz visible se transmite bien en el aire, una propiedad conocida como ventana atmosférica , ya que no es lo suficientemente energética para excitar el nitrógeno, el oxígeno o el ozono, pero sí demasiado energética para excitar las frecuencias vibratorias moleculares del vapor de agua y el CO2. ^[50]

Las bandas de absorción en el infrarrojo se deben a modos de excitación vibracional en el vapor de agua. Sin embargo, a energías demasiado bajas para excitar el vapor de agua, la atmósfera se vuelve transparente nuevamente, lo que permite la libre transmisión de la mayoría de las ondas de microondas y de radio. ^[51]

Por último, en longitudes de onda de radio superiores a 10 m (unos 30 MHz), el aire de la atmósfera inferior sigue siendo transparente a la radio, pero el plasma de ciertas capas de la ionosfera empieza a interactuar con las ondas de radio (véase onda ionosférica ). Esta propiedad permite que se reflejen algunas longitudes de onda más largas (100 m o 3 MHz) y da lugar a ondas de radio de onda corta más allá de la línea de visión. Sin embargo, ciertos efectos ionosféricos empiezan a bloquear las ondas de radio entrantes desde el espacio, cuando su frecuencia es inferior a unos 10 MHz (longitud de onda superior a unos 30 m). ^[52]

Radiación térmica y electromagnética como forma de calor

La estructura básica de la materia implica partículas cargadas unidas entre sí. Cuando la radiación electromagnética incide sobre la materia, hace que las partículas cargadas oscilen y ganen energía. El destino final de esta energía depende del contexto. Podría volver a irradiarse inmediatamente y aparecer como radiación dispersa, reflejada o transmitida. Puede disiparse en otros movimientos microscópicos dentro de la materia, llegando al equilibrio térmico y manifestándose como energía térmica , o incluso energía cinética , en el material. Con unas pocas excepciones relacionadas con los fotones de alta energía (como la fluorescencia , la generación de armónicos , las reacciones fotoquímicas , el efecto fotovoltaico para las radiaciones ionizantes en el ultravioleta lejano, los rayos X y la radiación gamma), la radiación electromagnética absorbida simplemente deposita su energía calentando el material. Esto sucede con la radiación infrarroja, de microondas y de ondas de radio. Las ondas de radio intensas pueden quemar térmicamente el tejido vivo y pueden cocinar los alimentos. Además de los láseres infrarrojos , los láseres visibles y ultravioleta suficientemente intensos pueden incendiar fácilmente el papel. ^[53]

La radiación ionizante crea electrones de alta velocidad en un material y rompe enlaces químicos, pero después de que estos electrones colisionan muchas veces con otros átomos, la mayor parte de la energía finalmente se convierte en energía térmica, todo en una pequeña fracción de segundo. Este proceso hace que la radiación ionizante sea mucho más peligrosa por unidad de energía que la radiación no ionizante. Esta advertencia también se aplica a la radiación ultravioleta, aunque casi toda no sea ionizante, porque la radiación ultravioleta puede dañar las moléculas debido a la excitación electrónica, que es mucho mayor por unidad de energía que los efectos del calentamiento. ^{[53] [ cita requerida ]}

La radiación infrarroja en la distribución espectral de un cuerpo negro suele considerarse una forma de calor, ya que tiene una temperatura equivalente y está asociada a un cambio de entropía por unidad de energía térmica. Sin embargo, "calor" es un término técnico en física y termodinámica y a menudo se confunde con energía térmica. Cualquier tipo de energía electromagnética puede transformarse en energía térmica en interacción con la materia. Así, cualquier radiación electromagnética puede "calentar" (en el sentido de aumentar la temperatura de energía térmica de) un material, cuando es absorbido. ^[54]

El proceso inverso o inverso en el tiempo de la absorción es la radiación térmica. Gran parte de la energía térmica de la materia consiste en el movimiento aleatorio de partículas cargadas, y esta energía puede irradiarse fuera de la materia. La radiación resultante puede ser absorbida posteriormente por otra pieza de materia, y la energía depositada calienta el material. ^[55]

La radiación electromagnética en una cavidad opaca en equilibrio térmico es efectivamente una forma de energía térmica, que tiene una entropía de radiación máxima . ^[56]

Efectos biológicos

La bioelectromagnetismo es el estudio de las interacciones y los efectos de la radiación electromagnética en los organismos vivos. Los efectos de la radiación electromagnética en las células vivas, incluidas las de los seres humanos, dependen de la potencia y la frecuencia de la radiación. En el caso de la radiación de baja frecuencia (desde las ondas de radio hasta las cercanas al ultravioleta), los efectos mejor comprendidos son los que se deben únicamente a la potencia de la radiación, que actúa a través del calentamiento cuando la radiación es absorbida. En el caso de estos efectos térmicos, la frecuencia es importante, ya que afecta a la intensidad de la radiación y a su penetración en el organismo (por ejemplo, las microondas penetran mejor que los infrarrojos). Se acepta ampliamente que los campos de baja frecuencia que son demasiado débiles para causar un calentamiento significativo no podrían tener ningún efecto biológico. ^[57]

Algunas investigaciones sugieren que los campos electromagnéticos no térmicos más débiles (incluidos los campos magnéticos ELF débiles, aunque estos últimos no califican estrictamente como radiación EM ^{[57] [58] [59]} ) y los campos de RF y microondas modulados pueden tener efectos biológicos, aunque la importancia de esto no está clara. ^{[60] [61]}

La Organización Mundial de la Salud ha clasificado la radiación electromagnética de radiofrecuencia como Grupo 2B , posiblemente cancerígena. ^{[62] [63]} Este grupo contiene posibles carcinógenos como el plomo, el DDT y el estireno.

En frecuencias más altas (algunas de las visibles y otras más), los efectos de los fotones individuales empiezan a ser importantes, ya que ahora tienen suficiente energía individualmente para dañar directa o indirectamente las moléculas biológicas. ^[64] La Organización Mundial de la Salud ha clasificado todas las frecuencias ultravioleta como carcinógenos del grupo 1. La radiación ultravioleta de la exposición al sol es la principal causa de cáncer de piel. ^{[65] [66]}

Así, en frecuencias ultravioleta y superiores, la radiación electromagnética causa más daño a los sistemas biológicos de lo que predice el simple calentamiento. Esto es más obvio en el ultravioleta "lejano" (o "extremo"). Los rayos ultravioleta, junto con los rayos X y la radiación gamma, se denominan radiación ionizante debido a la capacidad de los fotones de esta radiación para producir iones y radicales libres en los materiales (incluido el tejido vivo). Dado que esta radiación puede dañar gravemente la vida a niveles de energía que producen poco calentamiento, se considera mucho más peligrosa (en términos de daño producido por unidad de energía o potencia) que el resto del espectro electromagnético.

Usar como arma

El rayo de calor es una aplicación de la radiación electromagnética que hace uso de frecuencias de microondas para crear un efecto de calentamiento desagradable en la capa superior de la piel. El ejército estadounidense desarrolló un arma de rayos de calor conocida públicamente llamada Sistema de Negación Activa como arma experimental para negar al enemigo el acceso a un área. ^[67] Un rayo de la muerte es un arma teórica que emite rayos de calor basados ​​en energía electromagnética a niveles que son capaces de dañar el tejido humano. Un inventor de un rayo de la muerte, Harry Grindell Matthews , afirmó haber perdido la vista en su ojo izquierdo mientras trabajaba en su arma de rayos de la muerte basada en un magnetrón de microondas de la década de 1920 (un horno microondas normal crea un efecto de cocción que daña los tejidos dentro del horno a alrededor de 2 kV/m). ^[68]

Derivación de la teoría electromagnética

Las ondas electromagnéticas se predicen mediante las leyes clásicas de la electricidad y el magnetismo, conocidas como ecuaciones de Maxwell . Existen soluciones no triviales de las ecuaciones de Maxwell homogéneas (sin cargas ni corrientes), que describen ondas de campos eléctricos y magnéticos cambiantes. Empecemos por las ecuaciones de Maxwell en el espacio libre :

dónde

• ${\displaystyle \mathbf {E} }$y son el campo eléctrico (medido en V /m o N / C ) y el campo magnético (medido en T o Wb /m2 ⁾ , respectivamente; ${\displaystyle \mathbf {B} }$
• ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {X} }$produce la divergencia y el rizo de un campo vectorial ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {X} }$ ${\displaystyle \mathbf {X} ;}$
• ${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$y son derivadas parciales (tasa de cambio en el tiempo, con ubicación fija) del campo magnético y eléctrico; ${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}$
• ${\displaystyle \mu _{0}}$es la permeabilidad del vacío (4 π  × 10 ⁻⁷  H /m), y es la permitividad del vacío (8,85 × 10 ⁻¹² F /m); ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ 

Además de la solución trivial, se pueden derivar soluciones útiles con la siguiente identidad vectorial , válida para todos los vectores en algún campo vectorial: $${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} ,}$$ ${\displaystyle \mathbf {A} }$ $${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .}$$

Tomando el rizo de la segunda ecuación de Maxwell ( 2 ) se obtiene:

Evaluando el lado izquierdo de ( 5 ) con la identidad anterior y simplificando usando ( 1 ), obtenemos:

Evaluando el lado derecho de ( 5 ) intercambiando la secuencia de derivadas e insertando la cuarta ecuación de Maxwell ( 4 ), se obtiene:

Combinando ( 6 ) y ( 7 ) nuevamente, se obtiene una ecuación diferencial con valores vectoriales para el campo eléctrico, resolviendo las ecuaciones homogéneas de Maxwell:

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}}$

Tomando el rizo de la cuarta ecuación de Maxwell ( 4 ) se obtiene una ecuación diferencial similar para un campo magnético que resuelve las ecuaciones homogéneas de Maxwell:

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t^{2}}}.}$

Ambas ecuaciones diferenciales tienen la forma de la ecuación de onda general para ondas que se propagan con velocidad , donde es una función del tiempo y la ubicación, que da la amplitud de la onda en un momento determinado en una ubicación determinada: Esto también se escribe como: donde denota el llamado operador d'Alembert , que en coordenadas cartesianas se da como: ${\displaystyle c_{0},}$ ${\displaystyle f}$ $${\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}}$$ $${\displaystyle \Box f=0}$$ ${\displaystyle \Box }$ $${\displaystyle \Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\ }$$

Comparando los términos de la velocidad de propagación, se obtiene en el caso de los campos eléctrico y magnético: $${\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.}$$

Esta es la velocidad de la luz en el vacío. Por lo tanto, las ecuaciones de Maxwell conectan la permitividad del vacío , la permeabilidad del vacío y la velocidad de la luz, c ₀ , a través de la ecuación anterior. Esta relación había sido descubierta por Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch antes del desarrollo de la electrodinámica de Maxwell, sin embargo Maxwell fue el primero en producir una teoría de campo consistente con las ondas que viajan a la velocidad de la luz. ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ ${\displaystyle \mu _{0}}$

Estas son solo dos ecuaciones en comparación con las cuatro originales, por lo que hay más información relacionada con estas ondas ocultas en las ecuaciones de Maxwell. Una onda vectorial genérica para el campo eléctrico tiene la forma $${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}}$$

Aquí, es un vector constante, es cualquier segunda función diferenciable, es un vector unitario en la dirección de propagación y es un vector de posición. es una solución genérica de la ecuación de onda. En otras palabras, para una onda genérica que viaja en la dirección. ${\displaystyle \mathbf {E} _{0}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$ ${\displaystyle {\mathbf {x} }}$ ${\displaystyle f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}}$ $${\displaystyle \nabla ^{2}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)},}$$ ${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$

De la primera de las ecuaciones de Maxwell, obtenemos $${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=0}$$

Por lo tanto, lo que implica que el campo eléctrico es ortogonal a la dirección en la que se propaga la onda. La segunda de las ecuaciones de Maxwell da como resultado el campo magnético, es decir, $${\displaystyle \mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0}$$ $${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$$

De este modo, $${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} }$$

Las ecuaciones restantes se cumplirán con esta elección de . ${\displaystyle \mathbf {E} ,\mathbf {B} }$

Las ondas de campo eléctrico y magnético en el campo lejano viajan a la velocidad de la luz. Tienen una orientación restringida especial y magnitudes proporcionales, , que se pueden ver inmediatamente a partir del vector de Poynting . El campo eléctrico, el campo magnético y la dirección de propagación de la onda son todos ortogonales, y la onda se propaga en la misma dirección que . Además, los campos lejanos E y B en el espacio libre, que como soluciones de onda dependen principalmente de estas dos ecuaciones de Maxwell, están en fase entre sí. Esto está garantizado ya que la solución de onda genérica es de primer orden tanto en el espacio como en el tiempo, y el operador rotacional en un lado de estas ecuaciones da como resultado derivadas espaciales de primer orden de la solución de onda, mientras que la derivada temporal en el otro lado de las ecuaciones, que da el otro campo, es de primer orden en el tiempo, lo que da como resultado el mismo cambio de fase para ambos campos en cada operación matemática. ${\displaystyle E_{0}=c_{0}B_{0}}$ ${\displaystyle \mathbf {E} \times \mathbf {B} }$

Desde el punto de vista de una onda electromagnética que se propaga hacia adelante, el campo eléctrico podría oscilar hacia arriba y hacia abajo, mientras que el campo magnético oscila hacia la derecha y hacia la izquierda. Esta imagen se puede girar con el campo eléctrico oscilando hacia la derecha y hacia la izquierda y el campo magnético oscilando hacia abajo y hacia arriba. Esta es una solución diferente que se propaga en la misma dirección. Esta arbitrariedad en la orientación con respecto a la dirección de propagación se conoce como polarización . A nivel cuántico, se describe como polarización de fotones . La dirección de la polarización se define como la dirección del campo eléctrico.

Existen formas más generales de las ecuaciones de onda de segundo orden que se han dado anteriormente, que permiten tanto medios como fuentes de propagación distintos del vacío. Existen muchas derivaciones que compiten entre sí, todas con distintos niveles de aproximación y aplicaciones previstas. Un ejemplo muy general es una forma de la ecuación del campo eléctrico ^[69] , que se factorizó en un par de ecuaciones de onda explícitamente direccionales y luego se redujo de manera eficiente a una única ecuación de onda unidireccional mediante una simple aproximación de evolución lenta.

Véase también

• Medición de antena
• Bioelectromagnetismo
• Bolómetro
• CONELRAD
• Pulso electromagnético
• Radiación electromagnética y salud
• Acoplamiento de ondas evanescentes
• Método de diferencias finitas en el dominio del tiempo
• Onda gravitacional
• Helicón
• Impedancia del espacio libre
• Reacción a la radiación
• Efectos de la exposición a la luz solar sobre la salud
• Soluciones de ondas planas sinusoidales de la ecuación de onda electromagnética

Referencias

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• «Luz: ondas electromagnéticas, espectro electromagnético y fotones (artículo)». Khan Academy . Consultado el 2 de mayo de 2021 .

Lectura adicional

• Hecht, Eugene (2001). Óptica (4.ª ed.). Pearson Education. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Física para científicos e ingenieros (6.ª ed.). Brooks Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Tipler, Paul (2004). Física para científicos e ingenieros: electricidad, magnetismo, luz y física moderna elemental (5.ª ed.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Reitz, John; Milford, Frederick; Christy, Robert (1992). Fundamentos de la teoría electromagnética (4.ª ed.). Addison Wesley. ISBN 978-0-201-52624-0.
• Jackson, John David (1999). Electrodinámica clásica (3.ª ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1.
• Allen Taflove y Susan C. Hagness (2005). Electrodinámica computacional: el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo, 3.ª ed . Artech House Publishers. ISBN 978-1-58053-832-9.

Enlaces externos

• Las conferencias de física de Feynman, vol. I, cap. 28: Radiación electromagnética
• Medios relacionados con Radiación electromagnética en Wikimedia Commons
• Ondas electromagnéticas de las ecuaciones de Maxwell en el proyecto PHYSNET.