La Luz como Onda Electromagnética

A lo largo de los siglos XVII, XVIII y primera mitad del XIX, gracias a los trabajos presentados años atrás por Huygens, Young o Fresnel en relación a la naturaleza de la luz, pareció quedar claro que la luz se comportaba como una onda, frente a las teorías que postulaban que podía tratarse más bien de una sucesión de partículas o corpúsculos. Sin embargo aún quedaba abierta la cuestión de saber qué era exactamente lo que vibraba en este tipo de ondas. Fue el físico inglés James Clerk Maxwell ( 1831 - 1879 ) quien, en la segunda mitad del siglo XIX, estableció que la luz se comportaba como una onda electromagnética. En este apartado vamos a estudiar:

• Una breve introducción al concepto de las ondas electromagnéticas
• Sus características y por qué Maxwell las identificó con la luz
• Qué es el espectro electromagnético

Vamos a arrojar un poco luz sobre estos puntos...

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Hasta mediados del S XIX las distintas teorías relacionadas con la electricidad y el magnetismo estaban muy fragmentadas: Existían distintas obras que trataban de dar explicación a los experimentos magnéticos y eléctricos conocidos en la época, pero faltaba una teoría que los unificara. La síntesis electromagnética realizada por Maxwell permitío unificar y explicar mediante una sóla teoría los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos conocidos en la época.

Síntesis Electromagnética

El campo eléctrico, en naranja, y el magnético, en verde, son perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación, indicada por el vector azul. Ambos constituyen una onda electromagnética.

Maxwell llegó a dos conclusiones importantes:

• Un campo magnético variable con el tiempo induce la aparición de un campo eléctrico proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético y perpendicular a aquel
• Un campo eléctrico variable con el tiempo induce la aparición de un campo magnético proporcional a la rapidez con que cambia el flujo eléctrico y perpendicular a aquel

La conclusión es que:

Características

• Al contrario que las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas pueden propagarse en el vacío, además de hacerlo en el aire o materiales sólidos
• Los módulos de los campos eléctricos y magnéticos están relacionados mediante la expresión $E=c·B$ 
• La dirección de propagación de la onda, perpendicular a los vectores $\overrightarrow{E}$  y $\overrightarrow{B}$ , es la misma que la del producto vectorial $\overrightarrow{E}\times \overrightarrow{B}$ 

• Si la onda electromagnética se propaga en el eje x, el campo eléctrico "apuntará" en el eje y y el magnético en el eje z y vendrán dados por las siguientes ecuaciones, que corresponden a las de una onda armónica unidimensional:

  $$\begin{array}{c}{E}_y\left(x,t\right)=E_0·\sin \left(2·\pi ·\left(\frac{t}{T}-\frac{x}{\lambda }\right)\right) N/C\\ B_z\left(x,t\right)=B_0·\sin \left(2·\pi ·\left(\frac{t}{T}-\frac{x}{\lambda }\right)\right) T\end{array}$$

• La velocidad de propagación depende del medio. Concretamente, la velocidad de las ondas en el vacío es independiente de la longitud de onda y viene dada por:

  $$v=c=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0·{\mu }_0}}$$

  Siendo ${\epsilon }_0=8.854·{10}^{-12} C^2·N^{-1}·m^{-2}$  la permitividad eléctrica del vacío y ${\mu }_0=4·\pi ·{10}^{-7}T·m·A^{-1}=4·\pi ·{10}^{-7}N·A^{-2}$ la permeabilidad magnética del vacío y quedando por tanto v≅3·10⁸ m/s

Espectro electromagnético

Existe una gran cantidad de ondas electromagnéticas distintas, según su frecuencia y longitud de onda. La luz visible es, como hemos visto, una parte pequeña de estas ondas.

Te presente que la frecuencia y la longitud de onda se encuentran relacionadas a partir de la velocidad de la luz que en el vacío, como hemos dicho, es igual para todas las ondas electromagnéticas:

$$c=\lambda ·f$$

Así mismo, recuerda que para una misma amplitud de onda, a mayor frecuencia mayor energía.

Espectro Electromagnético

Tradicionalmente dividimos el espectro electromagnético en 7 zonas, aunque los límites no son nítidos.

Las regiones en las que queda dividido el espectro electromagnético son, de menor a mayor frecuencia (o de mayor a menor longitud de onda):

• Ondas de radio: Son las que tienen una frecuencia menor. Normalmente se generan mediante circuitos oscilantes. Fue Heinrich Rudolf Hertz su descubridor (en su honor se denomina la unidad de frecuencia hercio), al generarlas y detectarlas por primera vez mediante dispositivos de laboratorio. Fue Guglielmo Marconi quien por primera vez las utilizó de manera práctica para realizar una transmisión telegráfica inalámbrica
• Microondas: En el orden de frecuencias comprendido entre los 10⁹ Hz y 10¹² Hz. Se suelen producir mediante los movimientos de rotación y vibración de las moléculas. Se emplea, por ejemplo, en la telefonía móvil, en los hornos microondas y en las comunicaciones con vehículos espaciales
• Infrarrojo: En el orden de frecuencias comprendido entre los 10¹² Hz y los 3·10¹⁴ Hz. Son emitidos por cuerpos calientes. Hay aplicaciones, por ejemplo, en los controles remotos, mandos a distancia, sensores y medicina.
• Visible: Se trata de la zona más estrecha del espectro con frecuencias que oscilan entre 3·10¹⁴ Hz y 7·10¹⁴ Hz. Es lo que comúnmente conocemos como luz y son ondas electromagnéticas capaces de ser captadas por nuestros ojos. Normalmente se generan a partir de una excitación eléctrica de átomos o moléculas, que emiten la energía sobrante en forma de radiación. El color rojo y el violeta se encuentran en los extremos, de ahí los nombres de las zonas anterior (infrarrojo) y posterior (ultravioleta) del espectro
• Ultravioleta: Sus frecuencias están comprendidas en el rango entre los 7·10¹⁴ Hz y los 3·10¹⁷ Hz. Se producen, al igual que en el caso de la luz visible, por el tránsito electrónico en átomos y moléculas. Existen, a su vez, distintos subgrupos dentro de esta región entre los que destacan UV-A, UV-B y UV-C. La radiación ultravioleta es parte integrante de los rayos solares produciendo los rayos UV-A, UV-B y UV-C distintos efectos sobre la salud. En general, la capa de ozono nos protege de estos rayos pero deben ser evitadas exposiciones prolongadas a los mismos. Sus aplicaciones son muy variadas, desde la esterilización a la eliminación de moscas y mosquitos
• Rayos X: Sus frecuencias están comprendidas en el rango entre los 3·10¹⁷ Hz y los 3·10¹⁹ Hz. Se pueden producir haciendo incidir electrones de gran energía sobre metales. Se suelen emplear como herramientas de diagnóstico, siendo muy populares sus usos en las radiografías, en donde su elevada energía exige de una cuidadosa dosificación de los mismos para que no resulten peligrosos
• Rayos gamma: Con frecuencias superiores a 3·10¹⁹ Hz. Son generados en algunos núcleos radiactivos y en algunas radiaciones nucleares. Son peligrosos para toda forma de vida, siendo sólo absorbidos por el plomo o el hormigón con cierto grosor, pero se han encontrado útiles para combatir células cancerosas en tratamientos de radioterapia