Radiación electromagnética

Temas relacionados: Electricidad y Electrónica ; Física

Antecedentes

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Electromagnetismo

Electricidad Magnetismo
Electrostática Carga eléctrica Electricidad estática Campo eléctrico Conductor Aislante Triboelectricidad La descarga electrostática Inducción La ley de Coulomb La ley de Gauss Flujo eléctrico / energía potencial Momento dipolar eléctrico Polarización eléctrica
Magnetoestática La ley de Ampère Campo magnético Magnetización Flujo magnético Ley de Biot-Savart Momento dipolar magnético La ley de Gauss para el magnetismo
Electrodinámica Ley de la fuerza de Lorentz Inducción electromagnética La ley de Faraday La ley de Lenz Corriente de desplazamiento Las ecuaciones de Maxwell Campo electromagnético Radiación electromagnética Maxwell tensor Vector de Poynting Potencial Liénard-Wiechert Ecuaciones de Jefimenko Corrientes de Foucault
Red eléctrica Corriente eléctrica Potencial eléctrico Voltaje Resistencia La ley de Ohm Circuito en serie Circuito paralelo Corriente continua Corriente alterna Fuerza electromotriz Capacidad Inductancia Impedancia Cavidades resonantes Las guías de onda
Formulación covariante Tensor electromagnético ( tensor de tensión-energía) Cuadricorriente Electromagnética de cuatro potencial
Los científicos Ampère Culombio Faraday Gauss Heaviside Henry Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

Electromagnética (EM) de radiación, también llamado luz a pesar de que no siempre es visible, es una auto-propagación de la onda en el espacio con eléctrica y componentes magnéticos. Estos componentes oscilar en ángulos rectos entre sí y a la dirección de propagación, y están en fase entre sí. La radiación electromagnética se clasifica en tipos según el frecuencia de la onda: este tipo incluyen, en orden de frecuencia cada vez mayor, ondas de radio, microondas, la radiación de terahercios, radiación infrarroja, luz visible , radiación ultravioleta , Los rayos X y rayos gamma.

Radiación EM lleva la energía y el impulso , que puede ser impartida cuando interactúa con la materia .

Física

Teoría

Las ondas electromagnéticas se postularon por primera vez por James Clerk Maxwell y posteriormente confirmados por Heinrich Hertz. Maxwell deriva un forma de onda de las ecuaciones eléctricos y magnéticos, revelando la naturaleza ondulatoria de los campos eléctricos y magnéticos, y su simetría. Debido a que la velocidad de las ondas EM predichas por la ecuación de onda coincidió con el medido velocidad de la luz , Maxwell concluyó que la luz en sí es una onda EM.

De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell , una variable en el tiempo del campo eléctrico genera una campo magnético y viceversa. Por lo tanto, como un campo eléctrico oscilante genera un campo magnético oscilante, el campo magnético a su vez genera un campo eléctrico oscilante, y así sucesivamente. Estos campos oscilantes juntos forman una onda electromagnética.

Una teoría cuántica de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia tales como electrones se describe por la teoría de electrodinámica cuántica.

Propiedades

Las ondas electromagnéticas pueden ser imaginados como una onda transversal oscilante autopropagante de los campos eléctricos y magnéticos. Este diagrama muestra un plano de polarización lineal onda que se propaga de izquierda a derecha. El campo eléctrico está en un plano vertical, el campo magnético en un plano horizontal.

Los campos eléctricos y magnéticos obedecen a las propiedades de superposición, por lo que los campos debido a las partículas particulares o campos eléctricos o magnéticos variables en el tiempo contribuyen a los campos debido a otras causas. (A medida que estos campos son campos vectoriales, todos los vectores de campo magnético y eléctrico se suman según vector suma.) Estas propiedades hacen que diversos fenómenos incluidos refracción y difracción. Por ejemplo, una onda EM incidente que viaja en una estructura atómica induce oscilación en los átomos , lo que provoca que emitan sus propias ondas EM. Estos entonces alteran las emisiones de la onda que incide a través de la interferencia.

Dado que la luz es una oscilación, no se ve afectada por viajar a través de campos eléctricos o magnéticos estáticos en un medio lineal tal como un vacío. En medios no lineales tales como algunos cristales , sin embargo, las interacciones pueden ocurrir entre los campos eléctricos y magnéticos de luz y estáticas - estas interacciones incluyen la Efecto Faraday y la Efecto Kerr.

En la refracción, un cruce de onda 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 de comunicación determina el grado de refracción, y se resume por La ley de Snell. Luz dispersa en una visible espectro como la luz se brilla a través de un prisma debido a la refracción.

La física de la radiación electromagnética es electrodinámica, un subcampo del electromagnetismo .

EM exposiciones de radiación tanto propiedades de onda y propiedades de las partículas al mismo tiempo (véase la dualidad onda-partícula ). Las características de onda son más evidentes cuando la radiación EM se mide en escalas de tiempo relativamente grandes y en grandes distancias, y las características de las partículas son más evidentes cuando medir pequeñas distancias y escalas de tiempo. Ambas características se han confirmado en un gran número de experimentos.

Hay experimentos en los que las naturalezas de ondas y partículas de las ondas electromagnéticas aparecen en el mismo experimento, tales como la difracción de un solo fotón . Cuando un fotón único se envía a través de dos rendijas, que pasa a través tanto de ellos interferir con sí mismo, como ondas hacen, sin embargo, se detecta por una fotomultiplicador u otro detector sensible sólo una vez. Se observa similares auto-interferencia cuando un solo fotón se envía en una Interferómetro de Michelson o cualquier otra interferómetros.

Modelo Wave

Un aspecto importante de la naturaleza de la luz es frecuencia. La frecuencia de una onda es su tasa de oscilación y se mide en hertz, la Unidad SI de frecuencia, equivalente a una oscilación por segundos. Luz por lo general tiene un espectro de frecuencias que suma entre sí para formar la onda resultante. Diferentes frecuencias se someten a diferentes ángulos de refracción.

Una onda consiste en depresiones y crestas sucesivas, y la distancia entre dos crestas o valles adyacentes se denomina longitud de onda. Las ondas del espectro electromagnético varían en tamaño, desde las ondas de radio muy largos del tamaño de edificios a los rayos gamma muy cortos de menos de núcleos de átomos. La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda, de acuerdo con la ecuación:

$v = f \ lambda$

donde v es la velocidad de la onda ( c en el vacío, o menos en otros medios de comunicación), f es la frecuencia y λ es la longitud de onda. Como las ondas atraviesan las fronteras entre los diferentes medios de comunicación, sus velocidades cambian, pero sus frecuencias se mantienen constantes.

La interferencia es la superposición de dos o más ondas resultantes en un nuevo patrón de onda. Si los campos tienen componentes en la misma dirección, que constructivamente interferir, mientras direcciones opuestas causan interferencia destructiva.

La energía de las ondas electromagnéticas a veces se llama energía radiante.

Modelo de partículas

Dado que la energía de una onda EM está cuantizada, en el modelo de partícula de radiación EM, una onda consiste en paquetes discretos de energía, o quanta, llamó fotones . La frecuencia de la onda es proporcional a la magnitud de la energía de la partícula. Además, dado que los fotones son emitidos y absorbidos por partículas cargadas, actúan como transportadores de energía . La energía por fotón se puede calcular de Planck ecuación:

$E = hf$

donde E es la energía, h es La constante de Planck, y f es la frecuencia. Esta expresión de fotones de energía es un caso particular de los niveles de energía del oscilador electromagnético más general cuyo promedio de la energía, que se utiliza para obtener la ley de radiación de Planck, se puede demostrar que difieren marcadamente de la predicha por el principio de equipartición a baja temperatura, con lo que se establece un fracaso de equipartición debido a los efectos cuánticos a baja temperatura.

Como un fotón es absorbida por un átomo , excita un electrón , elevándolo a una mayor nivel de energía. Si la energía es lo suficientemente grande, de modo que el electrón salta a un nivel de energía suficientemente alta, puede escapar de la fuerza positiva del núcleo y ser liberado desde el átomo en un proceso llamado fotoionización. A la inversa, un electrón que desciende a un nivel de energía más baja en un átomo emite un fotón de luz igual a la diferencia de energía. Dado que los niveles de energía de los electrones en los átomos son discretos, cada elemento emite y absorbe sus propias frecuencias características.

Juntos, estos efectos explican los espectros de absorción de la luz . Las bandas oscuras en el espectro se deben a los átomos en el medio que interviene de absorción de diferentes frecuencias de la luz. La composición del medio a través del cual viaja la luz determina la naturaleza del espectro de absorción. Por ejemplo, las bandas oscuras en la luz emitida por una estrella distante se deben a los átomos en la atmósfera de la estrella. Estas bandas corresponden a los niveles de energía permitidos en los átomos. Un fenómeno similar se produce para de emisiones. Como los electrones descienden para bajar los niveles de energía, un espectro se emite que representa los saltos entre los niveles de energía de los electrones. Esto se manifiesta en el espectro de emisión de nebulosas. Hoy en día, los científicos utilizan este fenómeno a observar cuáles son los elementos de una cierta estrella se compone de. También se utiliza en la determinación de la distancia de una estrella, usando el llamado desplazamiento al rojo .

Velocidad de propagación

Cualquier carga eléctrica que se acelera, o cualquier campo magnético variable, produce la radiación electromagnética. Información acerca de la carga electromagnética viaja a la velocidad de la luz. Por lo tanto precisa de tratamiento incorpora un concepto conocido como tiempo retardado (a diferencia de tiempo avanzado, que es unphysical a la luz de causalidad), que se suma a las expresiones de la electrodinámica de campo eléctrico y campo magnético. Estos términos adicionales son responsables de la radiación electromagnética. Cuando cualquier cable (u otro objeto conductor tal como una antena) conduce corriente alterna , la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente eléctrica. Dependiendo de las circunstancias, puede comportarse como una onda o como partículas . Como una ola, que se caracteriza por una velocidad (la velocidad de la luz ), longitud de onda, y frecuencia. Cuando se consideran como partículas, que son conocidos como los fotones , y cada uno tiene una energía relacionada con la frecuencia de la onda dada por la de Planck E = hv relación, donde E es la energía del fotón, h = 6.626 x 10 ^-34 J · s es Constante, y ν de Planck es la frecuencia de la onda.

Una regla está siempre obedeció independientemente de las circunstancias: la radiación EM en un vacío siempre viaja a la velocidad de la luz , en relación con el observador, independientemente de la velocidad del observador. (Esta observación llevó a Albert Einstein el desarrollo de la teoría de la 's la relatividad especial .)

En un medio (que no sea de vacío), velocidad de propagación o índice de refracción se consideran, dependiendo de la frecuencia y la aplicación. Ambos son relaciones de la velocidad en un medio de acelerar en el vacío.

Espectro electromagnético

Espectro electromagnético con la luz destacado

Leyenda:
γ = Los rayos gamma
HX = duro Los rayos X
SX = blandos Rayos X
EUV = Extremo ultravioleta
NUV = Cerca ultravioleta
Luz visible
NIR = Cerca infrarrojo
MIR = Moderado infrarrojos
FIR = infrarrojo lejano

Ondas de radio:
EHF = Extremadamente alta frecuencia (microondas)
SHF = Súper alta frecuencia (microondas)
UHF = Frecuencia ultra alta
VHF = Muy alta frecuencia
HF = Alta frecuencia
MF = Frecuencia media
LF = Baja frecuencia
VLF = Muy baja frecuencia
VF = Frecuencia de voz
ELF = Extremadamente baja frecuencia

En general, la radiación electromagnética está clasificado por la longitud de onda en la energía eléctrica, la radio , microondas, infrarrojos, la región visible que percibimos como luz, ultravioleta , Los rayos X y rayos gamma.

El comportamiento de la radiación EM depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, y las frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas. Cuando la radiación EM interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento depende de la cantidad de energía por cuántico que lleva. La radiación electromagnética se puede dividir en octavas - como ondas de sonido son - liquidación con ochenta y un octavas.

Espectroscopía puede detectar una región mucho más amplia del espectro EM que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectroscopio común de laboratorio puede detectar longitudes de onda de 2 nm a 2500 nm. La información detallada acerca de las propiedades físicas de los objetos, gases o incluso las estrellas se puede obtener de este tipo de dispositivo. Es ampliamente utilizado en la astrofísica . Por ejemplo, hidrógeno átomos emitir ondas de radio de longitud de onda de 21,12 cm.

Luz

Radiación EM con una longitud de onda entre aproximadamente 400 nm y 700 nm es detectado por el humano ojo percibe como visible y luz . Otras longitudes de onda, especialmente cerca del infrarrojo (más de 700 nm) y ultravioleta (más corto que 400 nm) también se refieren a veces como la luz, especialmente cuando la visibilidad a los seres humanos no es relevante.

Si la radiación tiene una frecuencia en la región visible del espectro EM refleja fuera de un objeto, por ejemplo, un plato de fruta, y luego golpea los ojos, esto resulta en nuestra la percepción visual de la escena. Sistema visual de nuestro cerebro procesa la multitud de frecuencias reflejadas en diferentes tonos y matices, ya través de este fenómeno psicofísico no del todo comprendida, la mayoría de la gente percibe un plato de fruta.

En la mayoría de longitudes de onda, sin embargo, la información transportada por la radiación electromagnética no se detecta directamente por los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen radiación electromagnética en el espectro, y nuestra tecnología también pueden manipular una amplia gama de longitudes de onda. La fibra óptica transmite la luz que, aunque no es adecuado para la visualización directa, puede transportar datos que se pueden traducir en sonido o una imagen. La codificación utilizado en estos datos es similar a la utilizada con las ondas de radio.

Ondas de radio

Las ondas de radio se pueden hacer para llevar la información mediante la variación de una combinación de la amplitud, frecuencia y fase de la onda dentro de una banda de frecuencia.

Cuando la radiación incide sobre un EM conductor, que se acopla al conductor, se desplaza a lo largo de ella, y induce una corriente eléctrica en la superficie del conductor por emocionantes que los electrones del material conductor. Este efecto (la efecto de la piel) se usa en las antenas. EM radiación también puede causar ciertas moléculas para absorber la energía y por lo tanto para calentar; este es explotada en hornos de microondas.

Derivación

Las ondas electromagnéticas como un fenómeno general fueron predichas por las leyes clásicas de la electricidad y el magnetismo, conocidas como ecuaciones de Maxwell . Si inspecciona las ecuaciones de Maxwell sin fuentes (cargas o corrientes), entonces usted encontrará que, junto con la posibilidad de que no pasa nada, la teoría también admitirá soluciones no triviales de cambiar los campos eléctricos y magnéticos. A partir de las ecuaciones de Maxwell para espacio libre:

$\ Nabla \ cdot \ mathbf {E} = 0 \ qquad \ qquad \ qquad \ \ (1)$

$\ Nabla \ times \ mathbf {E} = - \ frac {\ partial} {\ t parcial} \ mathbf {B} \ qquad \ qquad (2)$

$\ Nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0 \ qquad \ qquad \ qquad \ \ (3)$

$\ Nabla \ times \ mathbf {B} = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial} {\ t parcial} \ mathbf {E} \ qquad \ \ \ (4)$

donde

$\ Nabla$ es un operador diferencial vector (ver Del).

Una solución,

$\ Mathbf {E} = \ vec {B} = \ vec {0}$ ,

es trivial.

Para ver el más interesante, utilizamos identidades vectoriales, que trabajan para cualquier vector, de la siguiente manera:

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

Para ver cómo podemos utilizar esta toma el rizo de la ecuación (2):

$\ Nabla \ equipos \ left (\ nabla \ times \ mathbf {E} \ right) = \ nabla \ equipos \ left (- \ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ t parcial} \ right) \ qquad \ qquad \ qquad \ quad \ \ \ (5) \,$

La evaluación de la parte izquierda:

$\ Nabla \ equipos \ left (\ nabla \ times \ mathbf {E} \ right) = \ nabla \ left (\ nabla \ cdot \ mathbf {E} \ right) - \ nabla ^ 2 \ mathbf {E} = - \ nabla ^ 2 \ mathbf {E} \ qquad \ quad \ (6) \,$

donde hemos simplificado el anterior mediante el uso de la ecuación (1).

Evaluar la derecha:

$\ Nabla \ equipos \ left (- \ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ t parcial} \ right) = - \ frac {\ partial} {\ t parcial} \ left (\ nabla \ times \ mathbf { B} \ right) = - \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial ^ 2} {\ partial ^ 2 t} \ mathbf {E} \ qquad (7)$

Las ecuaciones (6) y (7) son iguales, por lo que esto resulta en un vector de valor diferencial de la ecuación para el campo eléctrico, a saber,

$\ Nabla ^ 2 \ mathbf {E} = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial ^ 2} {\ t parcial ^ 2} \ mathbf {E}$

La aplicación de un patrón de resultados similares en la ecuación diferencial similar para el campo magnético:

$\ Nabla ^ 2 \ mathbf {B} = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial ^ 2} {\ t parcial ^ 2} \ mathbf {B}$ .

Estas ecuaciones diferenciales son equivalentes a la ecuación de onda:

$\ Nabla ^ 2 f = \ frac {1} {{c_0} ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2 f} {\ t parcial ^ 2} \,$

donde

c ₀ es la velocidad de la onda en el espacio libre y

f describe un desplazamiento

O más simplemente:

$\ Box ^ 2 f = 0$

donde $\ Box ^ 2$ es d'Alembert:

$\ Box ^ 2 = \ nabla ^ 2 - \ frac {1} {{c_0} ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2} {\ t parcial ^ 2} = \ frac {\ partial ^ 2} {\ x parcial ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2} {\ y parcial ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2} {\ z parcial ^ 2} - \ frac {1} {{c_0} ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2} {\ t parcial ^ 2} \$

Observe que en el caso de los campos eléctricos y magnéticos, la velocidad es:

$c_0 = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}}$

Lo cual, como resulta, es la velocidad de la luz en el espacio libre. Las ecuaciones de Maxwell han unificado la permitividad del espacio libre $\ Epsilon_0$ , La permeabilidad del espacio libre $\ Mu_0$ , Y la velocidad de la luz misma, c _0. Antes de esta derivación no se sabía que había una fuerte tal relación entre la luz y la electricidad y el magnetismo.

Pero estos son sólo dos ecuaciones y empezamos con cuatro, por lo que todavía hay más información relacionada con estas ondas ocultos dentro de las ecuaciones de Maxwell. Consideremos un vector de onda genérico para el campo eléctrico.

$\ Mathbf {E} = \ mathbf {E} _0 f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right)$

Aquí $\ Mathbf {E} _0$ es la amplitud constante, $F$ es cualquier segunda función diferenciable, $\ Hat {\ mathbf {k}}$ es un vector unitario en la dirección de propagación, y ${\ Mathbf {x}}$ es un vector de posición. Observamos que $f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right)$ es una solución genérica para la ecuación de onda. En otras palabras

$\ Nabla ^ 2 f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right) = \ frac {1} {{c_0} ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2 } {\ partial ^ 2 t} f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right)$ ,

para una onda que viaja en el genérico $\ Hat {\ mathbf {k}}$ dirección.

Esta forma va a satisfacer la ecuación de onda, pero va a satisfacer todas las ecuaciones de Maxwell, y con qué correspondiente campo magnético?

$\ Nabla \ cdot \ mathbf {E} = \ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {E} _0 f '\ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right) = 0$

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

La primera de las ecuaciones de Maxwell implica que el campo eléctrico es ortogonal a la dirección de la onda se propaga.

$\ Nabla \ times \ mathbf {E} = \ hat {\ mathbf {k}} \ times \ mathbf {E} _0 f '\ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right) = - \ frac {\ partial} {\ t parcial} \ mathbf {B}$

$\ Mathbf {B} = \ frac {1} {c_0} \ hat {\ mathbf {k}} \ times \ mathbf {E}$

La segunda de las ecuaciones de Maxwell produce el campo magnético. Las ecuaciones restantes serán satisfechos por esta elección de $\ Mathbf {E}, \ vec {B}$ .

No sólo son las ondas de campos eléctricos y magnéticos que viajan a la velocidad de la luz, pero tienen una orientación especial y restringido magnitudes proporcionales, $E_0 = c_0 B_0$ , Que se puede ver de inmediato de la Vector de Poynting. El campo eléctrico, campo magnético, y la dirección de propagación de la onda son ortogonales, y la onda se propaga en la misma dirección que $\ Mathbf {E} \ times \ mathbf {B}$ .

Desde el punto de vista de una onda electromagnética que viaja hacia adelante, el campo eléctrico puede ser oscila arriba y abajo, mientras que el campo magnético oscila derecha e izquierda; pero esta imagen se puede girar a la derecha del campo eléctrico oscilante y la izquierda y el campo magnético oscilante hacia arriba y abajo. Esta es una solución diferente que está viajando en la misma dirección. Esta arbitrariedad en la orientación con respecto a la dirección de propagación es conocido como polarización.

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