Radiación electromagnética

Ondas del campo electromagnético.

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 impulso y energía radiante electromagnética . ^[1] Los tipos de EMR incluyen ondas de radio , microondas , infrarrojos , luz (visible) , ultravioleta , rayos X y rayos gamma , todos los cuales forman parte del espectro electromagnético . ^[2]

Clásicamente , la radiación electromagnética consiste en 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 se generan diferentes longitudes de onda del espectro electromagnético dependiendo de la frecuencia de oscilación. En medios homogéneos e isotrópicos, las oscilaciones de los dos campos son en promedio perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de la energía y la propagación de las ondas, formando una onda transversal . La posición de una onda electromagnética dentro del espectro electromagnético se puede caracterizar ya sea 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 son: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X y rayos gamma. ^[3]

Las ondas electromagnéticas son emitidas por partículas cargadas eléctricamente que sufren aceleración, ^{[4] [5]} 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 ("radiar") 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 . En este lenguaje, 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 y de inducción electrostática .

En mecánica cuántica , una forma alternativa de ver la EMR es que está formada por fotones , partículas elementales descargadas con masa en reposo cero que son los cuantos del campo electromagnético , responsables de todas las interacciones electromagnéticas. ^[6] La electrodinámica cuántica es la teoría de cómo la EMR interactúa con la materia a nivel atómico. ^[7] 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 un cuerpo negro . ^[8] La energía de un fotón individual está cuantificada y es mayor para fotones de mayor frecuencia. Esta relación viene dada por 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 . Un solo fotón de rayos gamma, por ejemplo, podría transportar ~100.000 veces la energía de un solo fotón de luz visible.

Los efectos de la EMR sobre compuestos químicos y organismos biológicos dependen tanto de la potencia de la radiación como de su frecuencia. La EMR de menor energía ultravioleta o frecuencias más bajas (es decir, ultravioleta cercano, luz visible, infrarroja, microondas y 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 un simple calentamiento, mediante la transferencia combinada de energía de muchos fotones. Por el contrario, los rayos ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma de alta frecuencia son ionizantes : los fotones individuales de una frecuencia tan alta tienen suficiente energía para ionizar moléculas o romper enlaces químicos . La radiación ionizante puede causar reacciones químicas y dañar las células vivas más allá del simple calentamiento, y puede ser un peligro para la salud y un peligro.

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 EM 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 EM. ^{[9] [10]} Las ecuaciones de Maxwell fueron confirmadas por Heinrich Hertz mediante experimentos con ondas de radio. ^[11]

Campos cercanos y lejanos

En la radiación electromagnética (como las microondas de una antena, como se muestra 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 alrededor de un transmisor. Una parte del campo cercano (cerca del transmisor) incluye el campo electromagnético cambiante , pero eso no es radiación electromagnética .

Las ecuaciones de Maxwell establecieron que algunas cargas y corrientes ( fuentes ) producen cerca de ellas campos electromagnéticos locales que no irradian. Las corrientes producen directamente campos magnéticos, pero estos campos son del tipo dipolo magnético , que se extinguen con la distancia a 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 dipolo eléctrico , pero este también disminuye con la distancia. Estos campos constituyen 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 el interior de un transformador . El campo cercano tiene fuertes efectos en su fuente, y cualquier energía extraída por un receptor provoca un aumento de la carga (disminución de la reactancia eléctrica ) en la fuente. El campo cercano no se propaga libremente en el espacio, transportando energía sin límite de distancia, sino que oscila y devuelve su energía al transmisor si no es absorbida por un receptor. ^[12]

Por el contrario, el campo lejano se compone de radiación que está libre del transmisor, en el sentido de que el transmisor necesita la misma potencia para enviar cambios en el campo independientemente de si algo absorbe la señal, por ejemplo, una estación de radio no necesita aumenta su potencia cuando más receptores utilizan 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 abandonado el transmisor, es completamente independiente tanto del transmisor como del receptor. Debido a la conservación de la energía , la cantidad de potencia 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 isotrópica 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 según una ley de potencia cúbica inversa y, por lo tanto, no transporta una cantidad conservada de energía a distancia, sino que se desvanece con la distancia, con su energía ( como se indicó) regresando rápidamente al transmisor o absorbido por un receptor cercano (como la bobina secundaria de un transformador).

En la formulación 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 como 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 radiación electromagnética. ^{[ cita necesaria ]}

Propiedades

Las ondas electromagnéticas se pueden imaginar como una onda oscilante transversal autopropagada de campos eléctricos y magnéticos. Esta animación 3D muestra una onda plana polarizada linealmente que se propaga de izquierda a derecha. Los campos eléctrico y magnético de dicha onda están en fase entre sí, alcanzando mínimos y máximos juntos.

Los campos eléctricos y magnéticos obedecen a las propiedades de superposición . Así, un campo debido a cualquier partícula particular o un 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 campos magnéticos y eléctricos se suman según la suma de vectores . ^[13] Por ejemplo, en óptica dos o más ondas de luz coherentes pueden interactuar y, mediante interferencia constructiva o destructiva , producir una irradiancia resultante que se desvía de la suma de las irradiancias componentes de las ondas de luz individuales. ^[14]

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 ocurrir interacciones entre la luz y los campos eléctricos y magnéticos estáticos; estas interacciones incluyen el efecto Faraday y el efecto Kerr . ^{[15] [16]}

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 al pasar a través de un prisma, debido al índice de refracción del material del prisma que depende de la longitud de onda ( dispersión ); es decir, cada onda componente dentro de la luz compuesta se curva en una cantidad diferente. ^[17]

La radiación EM exhibe propiedades de onda y de partícula al mismo tiempo (ver dualidad onda-partícula ). Tanto las características de las ondas como las de las partículas han sido confirmadas en muchos experimentos. Las características de las ondas 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 materia absorbe la radiación electromagnética, 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 la deposición no uniforme. de energía cuando se absorbe la luz; sin embargo, esto por sí solo no es evidencia de comportamiento de "partículas". Más bien, refleja la naturaleza cuántica de la materia . ^[18] Demostrar que la luz en sí está cuantificada, no simplemente su interacción con la materia, es un asunto más sutil.

Algunos experimentos muestran la naturaleza ondulatoria y partícula de las ondas electromagnéticas, como la autointerferencia de un solo fotón . ^[19] Cuando un solo fotón se envía a través de un interferómetro , pasa por ambos caminos, interfiriendo consigo mismo, como lo hacen las ondas, pero un fotomultiplicador u otro detector sensible lo detecta solo una vez.

La teoría de la electrodinámica cuántica describe una teoría cuántica de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, como los electrones .

Las ondas electromagnéticas pueden polarizarse , reflejarse, refractarse o difractarse y pueden interferir entre sí. ^{[20] [21] [22]}

modelo de onda

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

En medios homogéneos e isotrópicos, la radiación electromagnética es una onda transversal , ^[23] lo que significa que sus oscilaciones son perpendiculares a la dirección de transferencia y viaje de energía. Proviene de las siguientes ecuaciones :

$${\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}}$$

onda transversalEB

Las partes eléctrica y magnética del campo en una onda electromagnética tienen una relación 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 EM de campo lejano que se describe mediante las dos ecuaciones del operador de curvatura de Maxwell sin fuente , un cambio de tiempo en un tipo de campo es proporcional a la curvatura del otro. Estas derivadas requieren que los campos E y B en EMR estén en fase (consulte la sección de matemáticas a continuación). ^{[ cita necesaria ]}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 sufren diferentes ángulos de refracción, 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 llama 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: ^[24]

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

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 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: ondas planas y ondas esféricas. Las ondas planas pueden verse como el caso límite de ondas esféricas a una distancia muy grande (idealmente infinita) de la fuente. Ambos tipos de ondas pueden tener una forma de onda que sea una función de tiempo arbitraria (siempre que sea lo suficientemente diferenciable para ajustarse a la ecuación de onda). Como ocurre con cualquier función de tiempo, esta se puede descomponer mediante el análisis de Fourier en su espectro de frecuencia , o componentes sinusoidales individuales, cada uno de los cuales contiene una única frecuencia, amplitud y fase. Se dice que dicha onda componente es monocromática . Una onda electromagnética monocromática se puede caracterizar por su frecuencia o longitud de onda, su amplitud máxima, 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 dan como resultado un nuevo patrón de ondas. Si los campos tienen componentes en la misma dirección, interfieren constructivamente, mientras que las direcciones opuestas causan interferencia destructiva. Un ejemplo de interferencia causada por EMR es la interferencia electromagnética (EMI) o, como se la conoce más comúnmente, interferencia de radiofrecuencia (RFI). ^{[ cita necesaria ]} Además, se pueden combinar múltiples señales de polarización (es decir, interferir) para formar nuevos estados de polarización, lo que se conoce como generación de estados de polarización paralela. ^[25]

La energía de las ondas electromagnéticas a veces se denomina energía radiante . ^{[26] [27] [28]}

Modelo de partículas y teoría cuántica.

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 sin éxito con este problema durante muchos años, y más tarde se conoció como la catástrofe ultravioleta . En 1900, Max Planck desarrolló una nueva teoría de la radiación del cuerpo negro que explicaba el espectro observado. La teoría de Planck se basó en la idea de que los cuerpos negros emiten luz (y otras radiaciones electromagnéticas) sólo como haces o paquetes discretos de energía. Estos paquetes se denominaron cuantos . En 1905, Albert Einstein propuso que los cuantos de luz se consideraran partículas reales. Posteriormente, a la partícula de luz se le dio el nombre de fotón , para corresponder con otras partículas que se describen 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 ecuación de Planck-Einstein . ^[29] En la teoría cuántica (ver primera cuantificación ), la energía de los fotones es, por tanto, directamente proporcional a la frecuencia de la onda EMR. ^[30] ${\displaystyle \lambda }$

Asimismo, 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 fuente de la propuesta de Einstein de que la luz estaba compuesta de 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 incide sobre una superficie metálica expulsa electrones de la superficie, causando una corriente eléctrica para fluir a través de un voltaje aplicado . Las mediciones experimentales demostraron que la energía de los electrones individuales expulsados ​​era proporcional a la frecuencia , más que a la intensidad , de la luz. Además, por debajo de una determinada frecuencia mínima, que dependía del metal concreto, no circularía corriente alguna, independientemente de su 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 las 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 consagrados. 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 . ^{[31] [32]}

Cuando un fotón es absorbido por un átomo , excita al átomo, elevando un electrón a un nivel de energía más alto (uno que está en promedio más lejos 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 a la luz visible. La emisión retardada se llama fosforescencia . ^{[33] [34]}

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 ondas y partículas explican completamente los espectros de emisión y absorción de la radiación EM. La composición de la 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, y luego las emiten en todas direcciones. Al detector le aparece una banda oscura debido a la radiación dispersada por el haz de luz . Por ejemplo, las bandas oscuras en la luz emitida por una estrella distante 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 ven líneas porque nuevamente la emisión ocurre solo a energías particulares después de la excitación. ^[35] Un ejemplo es el espectro de emisión de las nebulosas . ^{[ cita necesaria ]} Los electrones que se mueven rápidamente se aceleran más rápidamente cuando encuentran una región de fuerza, por lo que son responsables de producir gran parte de la radiación electromagnética de mayor frecuencia observada en la naturaleza.

Estos fenómenos pueden ayudar a 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 en la determinación de la distancia de una estrella, utilizando el corrimiento al rojo . ^[36]

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 una corriente 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. ola. ^[37]

En un medio (que no sea el vacío), se considera el factor de velocidad o el índice de refracción , según la frecuencia y la aplicación. Ambas 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 . ^[38] Herschel utilizó un prisma de vidrio para refractar la luz del Sol y detectó rayos invisibles que provocaban un calentamiento más allá de la parte roja del espectro, a través de un aumento de la temperatura registrada con un termómetro . Estos "rayos caloríficos" se denominaron más tarde infrarrojos. ^[39]

En 1801, el físico alemán Johann Wilhelm Ritter descubrió la luz ultravioleta en un experimento similar al de Herschel, utilizando luz solar y un prisma de vidrio. Ritter notó 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 uno de los primeros precursores 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. ^{[40] [41]}

James Clerk Maxwell
(1831–1879)

En 1862-1864, James Clerk Maxwell desarrolló ecuaciones para el campo electromagnético que sugerían que las ondas en el campo viajarían con 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) consistía en la propagación de perturbaciones (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 denominaron ondas de radio y microondas . ^{[42] : 286, 7}

Wilhelm Röntgen descubrió y nombró 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 revestida cercana. En un mes descubrió las principales propiedades de los rayos X. ^{[42] : 307}

La última porción del espectro EM por descubrir estaba asociada con la radiactividad . Henri Becquerel descubrió que las sales de uranio provocaban que una placa fotográfica no expuesta se empañara a través de un papel de cobertura de manera similar a los rayos X, y Marie Curie descubrió que sólo 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 eran tipos de radiación de partículas cargadas. Sin embargo, en 1900 el científico francés Paul Villard descubrió un tercer tipo de radiación procedente del radio, con carga neutra y especialmente penetrante, y después de describirla, Rutherford se dio cuenta de que debía tratarse de un tercer tipo de radiación, a la 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 y descubrieron que eran similares a los rayos X pero con longitudes de onda más cortas y frecuencia más alta, aunque una "cruz". La separación entre los rayos X y los rayos 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 tanto artificiales) a menos que sean resultado de una radiación X bremsstrahlung causada por la interacción de partículas que se mueven rápidamente (como las partículas beta) que chocan con ciertos materiales, generalmente de números atómicos más altos. ^{[42] : 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 súper alta (microondas)

UHF = Frecuencia ultraalta (ondas de radio)
VHF = Frecuencia muy alta (radio)
HF = Alta frecuencia (radio)
MF = Frecuencia media (radio)
LF = Baja frecuencia (radio)
VLF = Frecuencia muy baja (radio)
VF = Frecuencia de voz
ULF = Frecuencia ultrabaja (radio)
SLF = Frecuencia súper baja (radio)
ELF = Frecuencia extremadamente baja (radio)

La radiación EM (la designación 'radiación' excluye los campos eléctricos, magnéticos y cercanos estáticos ) se clasifica por longitud de onda en radio , microondas , infrarrojos , visibles , ultravioletas , rayos X y rayos gamma . Las ondas electromagnéticas arbitrarias se pueden expresar mediante el 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 EM, lo más útil es tratar la forma de onda 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. Esta 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 algunas otras formas de radiación de banda muy ancha, como el campo de ondas de punto cero del vacío electromagnético.

El comportamiento de la radiación EM 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 existe un límite fundamental conocido 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 que la superan (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 a él, 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. Estos efectos pueden cubrir distancias macroscópicas en conductores (como las antenas de radio), ya que la longitud de onda de las ondas de radio es larga. ^{[ cita necesaria ]}

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 frecuencias de radio y microondas, la EMR interactúa con la materia en gran medida como una colección masiva de cargas que se distribuyen en una gran cantidad de átomos afectados. En los conductores eléctricos , dicho movimiento masivo inducido de cargas ( corrientes eléctricas ) da como resultado la absorción de la EMR, o bien separaciones de cargas que provocan la generación de nuevas EMR (reflexión efectiva de la EMR). Un ejemplo es la absorción o emisión de ondas de radio por antenas, o la absorción de microondas por el agua u otras moléculas con 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, el infrarrojo (IR) también se refleja en los metales (y también en la mayoría de los EMR, dentro del rango ultravioleta). Sin embargo, a diferencia de la radiación de radio y microondas de baja frecuencia, la EMR infrarroja comúnmente interactúa con dipolos presentes en moléculas individuales, que cambian a medida que los átomos vibran en los extremos de un enlace químico único. En consecuencia, es absorbido 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, realizado a la inversa, hace que sustancias a granel irradien espontáneamente en el infrarrojo (consulte la sección sobre radiación térmica a continuación).

La radiación infrarroja se divide en subregiones espectrales. Si bien existen diferentes esquemas de subdivisión, ^{[43] [44]} el espectro se divide comúnmente en infrarrojo cercano (0,75 a 1,4 μm), infrarrojo de longitud de onda corta (1,4 a 3 μm), infrarrojo de longitud de onda media (3 a 8 μm), infrarrojo de longitud de onda larga (8 a 15 μm) e infrarrojo lejano (15 a 1000 μm). ^[45]

Luz visible

Las fuentes naturales producen radiación EM en todo el espectro. La radiación EM con una longitud de onda entre aproximadamente 400 nm y 700 nm es detectada directamente por el ojo humano y percibida como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente el infrarrojo cercano (más de 700 nm) y el ultravioleta (menos de 400 nm), a veces también se denominan luz.

A medida que la frecuencia aumenta hacia el rango visible, los fotones tienen suficiente energía para cambiar la estructura de enlace de algunas moléculas individuales. No es casualidad que esto suceda en el rango visible, ya que el mecanismo de la visión implica el cambio de enlace de una única molécula, la retina , que absorbe un único fotón. El cambio en la retina provoca un cambio en la forma de la proteína rodopsina que la contiene, lo que inicia el proceso bioquímico que hace que la retina del ojo humano sienta 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 apagar la clorofila excitada electrónicamente producida por la luz visible en un proceso llamado extinción no fotoquímica , para prevenir 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 la temperatura, en un proceso esencialmente térmico que involucra muchos fotones.

Se sabe que los infrarrojos, las microondas y las ondas de radio dañan las moléculas y el tejido biológico sólo mediante calentamiento masivo, no mediante la excitación de fotones individuales de la radiación.

La luz visible sólo puede afectar a un pequeño porcentaje de todas las moléculas. Por lo general, 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. La retina es una excepción. Cuando se absorbe un fotón, la retina cambia permanentemente de estructura de cis a trans , y requiere una proteína para reconvertirlo, es decir, restablecerlo para poder funcionar nuevamente como detector de luz.

La evidencia limitada indica que algunas especies reactivas de oxígeno son creadas por la luz visible en la piel y que pueden tener algún papel en el fotoenvejecimiento, de la misma manera que la luz ultravioleta A. ^[46]

Ultravioleta

A medida que la frecuencia aumenta hacia el ultravioleta, los fotones ahora transportan suficiente energía (alrededor de tres electronvoltios o más) para excitar ciertas moléculas con doble enlace y provocar un reordenamiento químico permanente. En el ADN , esto provoca daños duraderos. El ADN también se daña indirectamente por especies reactivas de oxígeno producidas por los rayos ultravioleta A (UVA), que tienen una energía demasiado baja para dañar el ADN directamente. Esta es la razón por la cual los rayos ultravioleta en todas las longitudes de onda pueden dañar el ADN y son capaces de causar cáncer y (en el caso de los rayos UVB ) quemaduras en la piel (quemaduras solares) que son mucho peores que las que se producirían por simples efectos de calentamiento (aumento de temperatura).

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

Rayos X y rayos gamma.

La radiación electromagnética compuesta por fotones que transportan una energía de ionización mínima o superior (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 que no son EM). 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 gamma califican. Estos son capaces de provocar los tipos más graves de daño molecular, que en biología pueden ocurrirle a cualquier tipo de biomolécula, incluidas mutaciones y cáncer, y a menudo a grandes profundidades debajo de la piel, ya que el extremo superior del espectro de rayos X, y todos del espectro de rayos gamma, penetran la materia. ^{[ cita necesaria ]}

Atmósfera y magnetosfera

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

La mayoría de los rayos UV y X se bloquean primero por la absorción del nitrógeno molecular y luego (para longitudes de onda en el UV superior) por la excitación electrónica del dioxígeno y finalmente del ozono en el rango medio del UV. Sólo el 30% de la luz ultravioleta del Sol llega a la Tierra y casi toda se transmite bien.

La luz visible se transmite bien en el aire, ya que no tiene suficiente energía para excitar el nitrógeno, el oxígeno o el ozono, pero sí es demasiado energética para excitar las frecuencias vibratorias moleculares del vapor de agua. ^{[ cita necesaria ]}

Las bandas de absorción en el infrarrojo se deben a modos de excitación vibratoria en el vapor de agua. Sin embargo, a energías demasiado bajas para excitar el vapor de agua, la atmósfera vuelve a ser transparente, lo que permite la libre transmisión de la mayoría de las ondas de radio y microondas. ^[47]

Finalmente, en longitudes de onda de radio superiores a 10 mo aproximadamente (aproximadamente 30 MHz), el aire en la atmósfera inferior permanece transparente a la radio, pero el plasma en ciertas capas de la ionosfera comienza a interactuar con las ondas de radio (ver onda celeste ). Esta propiedad permite que se reflejen algunas longitudes de onda más largas (100 mo 3 MHz) y da como resultado radio de onda corta más allá de la línea de visión. Sin embargo, ciertos efectos ionosféricos comienzan 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). ^[48]

Radiación térmica y electromagnética como forma de calor.

La estructura básica de la materia consiste en partículas cargadas unidas. 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, alcanzando el equilibrio térmico y manifestándose como energía térmica , o incluso energía cinética , en el material. Con algunas excepciones relacionadas con los fotones de alta energía (como la fluorescencia , la generación de armónicos , las reacciones fotoquímicas , el efecto fotovoltaico de 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 tejidos vivos y cocinar alimentos. Además de los láseres infrarrojos , los láseres visibles y ultravioleta suficientemente intensos pueden incendiar el papel fácilmente. ^[49]

La radiación ionizante crea electrones de alta velocidad en un material y rompe enlaces químicos, pero después de que estos electrones chocan muchas veces con otros átomos, eventualmente la mayor parte de la energía 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 los rayos UV, aunque casi todos no son ionizantes, porque los rayos UV pueden dañar las moléculas debido a la excitación electrónica, que es mucho mayor por unidad de energía que los efectos del calentamiento. ^{[49] [ cita necesaria ]}

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 con 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. Por lo tanto, cualquier radiación electromagnética puede "calentar" (en el sentido de aumentar la temperatura de la energía térmica de) un material, cuando es absorbida. ^[50]

El proceso de absorción inverso o invertido en el tiempo 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 posteriormente absorbida por otra pieza de materia, y la energía depositada calienta el material. ^[51]

La radiación electromagnética en una cavidad opaca en equilibrio térmico es efectivamente una forma de energía térmica que tiene una entropía de radiación máxima . ^[52]

efectos biológicos

La bioelectromagnética es el estudio de las interacciones y efectos de la radiación EM en los organismos vivos. Los efectos de la radiación electromagnética sobre las células vivas, incluidas las de los humanos, dependen de la potencia y la frecuencia de la radiación. Para la radiación de baja frecuencia (ondas de radio a luz visible), los efectos mejor comprendidos son aquellos debidos únicamente a la potencia de la radiación, que actúa a través del calentamiento cuando se absorbe la radiación. Para 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). Está ampliamente aceptado que los campos de baja frecuencia que son demasiado débiles para causar un calentamiento significativo no podrían tener ningún efecto biológico. ^[53]

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 ^{[53] [54] [55]} ) y los campos de RF y microondas modulados pueden tener efectos biológicos, aunque los El significado de esto no está claro. ^{[56] [57]}

La Organización Mundial de la Salud ha clasificado la radiación electromagnética de radiofrecuencia en el Grupo 2B , posiblemente cancerígena. ^{[58] [59]} Este grupo contiene posibles carcinógenos como plomo, DDT y estireno. Por ejemplo, los estudios epidemiológicos que buscan una relación entre el uso de teléfonos celulares y el desarrollo de cáncer cerebral no han sido en gran medida concluyentes, salvo demostrar que el efecto, si existe, no puede ser grande. ^{[ cita necesaria ]}

En frecuencias más altas (algunas de las visibles y más allá), los efectos de los fotones individuales comienzan a ser importantes, ya que ahora tienen suficiente energía individualmente para dañar directa o indirectamente las moléculas biológicas. ^[60] Todas las frecuencias UV han sido clasificadas como carcinógenos del Grupo 1 por la Organización Mundial de la Salud. La radiación ultravioleta procedente de la exposición al sol es la principal causa de cáncer de piel. ^{[61] [62]}

Por tanto, a 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 UV, junto con los rayos X y la radiación gamma, se denominan radiaciones ionizantes 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 dicha 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 EMR que utiliza 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 térmicos conocida públicamente llamada Active Denial System como arma experimental para negar al enemigo el acceso a un área. ^[63] 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 de microondas normal crea un efecto de cocción que daña los tejidos dentro del horno a alrededor de 2 kV/m). ^[64]

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 homogéneas de Maxwell (sin cargas ni corrientes), que describen ondas de campos eléctricos y magnéticos cambiantes. Comenzando con 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 /m ² ), respectivamente; ${\displaystyle \mathbf {B} }$
• ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {X} }$produce la divergencia y la curvatura 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 de un vacío (4 π  × 10 ⁻⁷  H /m) y es la permitividad de un vacío (8,85 × 10 ⁻¹² F /m); ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ 

Además de la solución trivial

$${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} ,}$$

identidad vectorial ${\displaystyle \mathbf {A} }$

$${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .}$$

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

Al evaluar el lado izquierdo de ( 5 ) con la identidad anterior y simplificar usando ( 1 ), se obtiene:

Al evaluar 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:

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

Tomar el rizo de la cuarta ecuación de Maxwell ( 4 ) da como resultado 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 función del tiempo y la ubicación, lo que da la amplitud de la onda en algún momento en un lugar determinado: ${\displaystyle c_{0},}$ ${\displaystyle f}$

$${\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}}$$

$${\displaystyle \Box f=0}$$

operador d'Alembert ${\displaystyle \Box }$

$${\displaystyle \Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\ }$$

Comparando los términos de la velocidad de propagación, se obtiene en el caso de los campos eléctrico y magnético:

$${\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.}$$

Ésta es la velocidad de la luz en el vacío. Así, las ecuaciones de Maxwell conectan la permitividad del vacío , la permeabilidad del vacío y la velocidad de la luz, c ₀ , mediante 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 ondas que viajan a la velocidad de la luz. ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ ${\displaystyle \mu _{0}}$

Estas son sólo dos ecuaciones versus las cuatro originales, por lo que hay más información relacionada con estas ondas ocultas dentro de 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 a la ecuación de onda. En otras palabras, ${\displaystyle \mathbf {E} _{0}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$ ${\displaystyle {\mathbf {x} }}$ ${\displaystyle f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}}$

$${\displaystyle \nabla ^{2}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)},}$$

${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$

De la primera de las ecuaciones de Maxwell, obtenemos

$${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=0}$$

De este modo,

$${\displaystyle \mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0}$$

$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'{\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}=-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$$

De este modo,

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

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

Las ondas de los campos eléctrico y magnético en el campo lejano viajan a la velocidad de la luz. Tienen una orientación restringida especial y magnitudes proporcionales, que pueden verse inmediatamente en el 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 ondulatorias 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 curl en un lado de estas ecuaciones da como resultado derivadas espaciales de primer orden de la solución de onda, mientras que la derivada de tiempo en el otro lado de la ecuaciones, que da el otro campo, es de primer orden en el tiempo, lo que resulta en 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 viaja 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 arriba y hacia abajo. Esta es una solución diferente que va en la misma dirección. Esta arbitrariedad en la orientación 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.

Se encuentran disponibles formas más generales de las ecuaciones de onda de segundo orden dadas anteriormente, lo que permite utilizar fuentes y medios de propagación sin vacío. Existen muchas derivaciones competitivas, todas con distintos niveles de aproximación y aplicaciones previstas. Un ejemplo muy general es una forma de la ecuación del campo eléctrico, ^[65] que se factorizó en un par de ecuaciones de onda explícitamente direccionales y luego se redujo eficientemente a una única ecuación de onda unidireccional mediante una simple aproximación de evolución lenta.

Ver también

• Medición de antena
• Bioelectromagnética
• Bolómetro
• CONELRAD
• Pulso electromagnetico
• 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 sobre la salud de la exposición al sol
• Soluciones de onda plana sinusoidal de la ecuación de onda electromagnética.

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Otras lecturas

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

enlaces externos

• Las conferencias Feynman sobre física vol. Yo cap. 28: Radiación electromagnética
• Medios relacionados con la radiación electromagnética en Wikimedia Commons
• Ondas electromagnéticas a partir de las ecuaciones de Maxwell en el proyecto PHYSNET.
• "Radiación electromagnética" en la Encyclopædia Britannica