Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

Pregrado → Electromagnetismo → Ecuaciones de Maxwell ↓


Ondas electromagnéticas


Las ondas electromagnéticas son ondas que se forman como resultado de vibraciones entre un campo eléctrico y un campo magnético. En otras palabras, las ondas electromagnéticas están compuestas por campos eléctricos y magnéticos oscilantes. El aspecto esencial de las ondas electromagnéticas es que no requieren un medio para viajar; pueden viajar incluso en el vacío del espacio.

Introducción a las ecuaciones de Maxwell

Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de cuatro ecuaciones fundamentales que describen cómo interactúan los campos eléctricos y magnéticos. Forman la base de la electrodinámica clásica, la óptica y los circuitos eléctricos. James Clerk Maxwell formuló estas ecuaciones en el siglo XIX al combinar trabajos previos de Gauss, Faraday y Ampère.

Las cuatro ecuaciones de Maxwell

Las ecuaciones de Maxwell son las siguientes:

1. Ley de Gauss para la Electricidad: ∇ • E = ρ/ε₀

Esta ecuación establece que el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga contenida en ella.

2. Ley de Gauss para el Magnetismo: ∇ • B = 0

Esta ecuación implica que no existen monopolos magnéticos; el flujo magnético neto a través de cualquier superficie cerrada es cero.

3. Ley de Inducción de Faraday: ∇ x E = -∂B/∂t

Esta ley establece que un campo magnético cambiante produce un campo eléctrico.

4. Ley de Ampère (con la adición de Maxwell): ∇ x B = μ₀(J + ε₀ ∂E/∂t)

Esta ecuación establece que los campos magnéticos son producidos por cargas en movimiento o corrientes y campos eléctricos cambiantes.

Generación de ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas surgen de las soluciones de las ecuaciones de Maxwell. Para entender las ondas electromagnéticas, considere una carga que está acelerando. Cuando una carga acelera, perturba los campos eléctricos y magnéticos a su alrededor. Según las ecuaciones de Maxwell, un campo eléctrico cambiante induce un campo magnético y viceversa.

Veamos cómo se forman las ondas electromagnéticas:

  1. Una carga vibrante o acelerada produce un campo eléctrico oscilante.
  2. Según la ley de inducción de Faraday, este campo eléctrico oscilante produce un campo magnético oscilante.
  3. El campo magnético oscilante, a su vez, genera un nuevo ciclo de campo eléctrico, como se describe en una modificación de la ley de Ampère.

El resultado es una onda que se propaga a través del espacio. Estas vibraciones se refuerzan mutuamente y viajan hacia afuera, formando ondas electromagnéticas.

Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas tienen varias características esenciales:

  • Ondas transversales: Las oscilaciones de ambos campos eléctricos y magnéticos son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
  • Velocidad de la luz: Las ondas electromagnéticas en el vacío viajan a la velocidad de la luz, que está representada por la siguiente ecuación:
    • c = 1 / √(μ₀ε₀)
  • donde c es la velocidad de la luz, μ₀ es la permisividad del espacio libre, y ε₀ es la permisividad del espacio libre.
  • No requiere medio: A diferencia de las ondas sonoras, las ondas electromagnéticas no requieren un medio. Pueden viajar en el vacío del espacio.

Visualización de ondas electromagnéticas

Región-E Región-B

En la visualización anterior, la línea roja representa el campo eléctrico oscilante (campo E), y la línea azul representa el campo magnético oscilante (campo B). Ambos campos son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de viaje de la onda.

Frecuencia y longitud de onda

Como todas las ondas, las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y longitud de onda. La longitud de onda es la distancia entre crestas sucesivas (o valles), y la frecuencia es el número de ondas que pasan por un punto por segundo. La relación entre la velocidad (c), la frecuencia (f) y la longitud de onda (λ) de una onda electromagnética está dada por:

c = λf

Ejemplos de frecuencias de ondas electromagnéticas incluyen:

  • Ondas de radio: Estas tienen una longitud de onda larga y baja frecuencia y se utilizan en radiodifusión y comunicación.
  • Microondas: Utilizadas para calentar alimentos y en algunas tecnologías de comunicaciones.
  • Radiación infrarroja: Percibida como calor y utilizada en controles remotos.
  • Luz visible: El rango de ondas electromagnéticas que pueden ser vistas por el ojo humano.
  • Radiación ultravioleta: Esta tiene alta energía y puede ser dañina, pero también se utiliza para esterilizar equipos.
  • Rayos X: Utilizados en imágenes médicas porque pueden pasar a través de tejidos blandos pero son absorbidos por materiales más densos como los huesos.
  • Rayos gamma: Con la longitud de onda más corta y la mayor energía, estos surgen de reacciones nucleares y descomposición radiactiva.

Ejemplo de generación de ondas electromagnéticas

Considere un circuito oscilante simple conocido como antena dipolo. La antena dipolo consiste en dos barras metálicas con un pequeño espacio entre ellas. Cuando se aplica corriente alterna, los electrones oscilan de un lado a otro a lo largo de las barras. Esta oscilación crea un campo eléctrico cambiante y un campo magnético correspondiente. Como resultado, se emiten ondas electromagnéticas.

Estas ondas pueden ser utilizadas para transmitir información, como en la radiodifusión y la transmisión de televisión. La frecuencia de oscilación determina la frecuencia de la onda electromagnética emitida.

Conclusión

Las ondas electromagnéticas son un aspecto fundamental tanto de la naturaleza como de la tecnología. Desde permitirnos ver el mundo que nos rodea hasta posibilitar la transmisión de información a través del mundo, entender las ondas electromagnéticas es esencial. Las contribuciones de James Clerk Maxwell a través de su conjunto de ecuaciones proporcionaron un camino para entender cómo la electricidad y el magnetismo están unificados. Las ondas electromagnéticas, al revelar la interacción entre campos eléctricos y magnéticos, viajan a través del espacio a extraordinarias velocidades para superar vastas distancias sin la necesidad de un medio. Desde los colores del arco iris hasta los rayos X que revelan estructuras ocultas dentro de nosotros, las ondas electromagnéticas continúan inspirando y revolucionando nuestra comprensión del universo.


Pregrado → 2.5.5


U
username
0%
completado en Pregrado

← Anterior (2.5.4)
Ley de Ampere-Maxwell
Siguiente (3) →
Termodinámica

Comentarios 



Ondas electromagnéticas

https://www.physicsflow.com/ug/2.5.5?pfal=es