Ondas ElectromagneticasSon aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. Incluyen, entre otras, la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía.

Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en que estamos.Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo del mundo actual.

Las radiaciones electromagnéticas son las generadas por partículas eléctricas y magnéticas moviéndose a la vez (oscilando). Cada partícula genera lo que se llama un campo, por eso también se dice que es una mezcla de un campo eléctrico con un campo magnético.Estas radiaciones generan unas ondas que se pueden propagar (viajar) por el aire e incluso por el vacío.

Para medir una onda tenemos 3 datos muy importantes como podemos ver en la siguientefigura:

Longitud de Onda: Distancia entre dos crestas.Amplitud : Es la máxima perturbación de la onda. La mitad de la distancia entre la cresta y el valle.Frecuencia: Número de veces que se repite la onda por unidad de tiempo. Si se usa el Hertzio es el numero de

veces que se repite la onda por cada segundo.

Una onda electromagnética no se genera por una sola partícula, sino que son dos partículasdiferentes, una eléctrica y otra magnética. Además su movimiento es perpendicular, lo que hacela onda sea una mezcla de dos ondas perpendiculares, una eléctrica y otra magnética. Aquí vemosen la figura las dos ondas generadas por las dos partículas a la vez. Una moviéndose sobre el eje Zy la otra sobre el eje Y:

Ecuacion de OndaLa ecuación de onda es una importante ecuación diferencial en derivadas parciales lineal de

segundo orden que describe la propagación de una variedad de ondas, como las ondas sonoras,

las ondas de luz y las ondas en el agua. Es importante en varios campos como la acústica,

el electromagnetismo y la dinámica de fluidos.

Tenemos ecuaciones de onda tanto para el campo eléctrico como para el campo magnético

que son obtenidas a partir de las ecuaciones de Maxwell teniendo que:

Para obtener las ecuaciones es necesario aplicar el operador rotacional a ambas.

Ecuacion de Onda para E

Sustituyendo y aplicando identidad de rotacional tenemos:

sabemos que la segunda parte del lado izquierdo es cero y es cero en el vacío,

quedándonos solo:

Ahora, igualando a cero y sabiendo que siendo c la velocidad de la luz, tenemos

la ecuación de onda para :

Ecuacion de Onda para B

Aplicando las mismas identidades que con y sabiendo que también es cero, nos queda:

Sustituyendo e igualando a cero, tenemos la ecuación de onda para

Tipos de ondas electromagneticas• Rayos Gamma

• Rayos X

• Rayos UVA

• Luz visible

• Radiación infrarroja

• Radiación microondas

• Ondas de radio

Rayos gamma:

Su longitud de onda (lambda) < 0.1 Ao, donde 1 Ao(Armstrong) es igual a 10 -10m. Se originan en

las desintegraciones nucleares que emiten radiación gamma. Son muy penetrantes y muy

energéticas.

Rayos X:

• Se producen por oscilaciones de los electrones próximos a los núcleos.

• 0.1Ao < lambda < 30 Ao

• Son muy energéticos y penetrantes, dañinos para los organismos vivos, pero se utilizan de forma controlada para los diagnósticos médicos.

Rayos UVA:

• Se producen por saltos electrónicos entre átomos y moléculas excitados.

• 30Ao < lambda < 4000 Ao

• El Sol es emisor de rayos ultravioleta, que son los responsables del bronceado de la piel. Es absorvida por la capa de ozono, y si se recibe en dosis muy grandes puede ser peligrosa ya que impiden la división celular, destruyen microorganismos y producen quemaduras y pigmentación de la piel

Luz visible:• Es la pequeña parte del espectro electromagnético a la que es sensible el ojo humano.

• 400 nm < lambda < 750 nm

• Se producen por saltos electrónicos entre niveles atómicos y moleculares. Las longitudes de onda uqecorresponden a los colores básicos son:

ROJO De 6200 a 7500 Ao

NARANJA De 5900 a 6200 Ao

AMARILLO De 5700 a 5900 Ao

VERDE De 4900 a 5700 Ao

AZUL De 4300 a 4900 Ao

VIOLETA De 4000 a 4300 Ao

Radiación infrarroja:

• Es emitida por cuerpos calientes y son debidas a vibraciones de los átomos.• 10 -3m < lambda < 10-7m• La fotografía infrarroja tiene grandes aplicaciones,:en la industria textil se utiliza para identificar

colorantes, en la detección de falsificaciones de obras de arte, en telemandos, estudios de aislantes térmicos, etc.

Radiación de microondas:• Son producidas por vibraciones de moléculas.• 0.1 mm < lambda < 1 m• Se utilizan en radioastronomia y en hornos eléctricos. Esta última aplicación es la más conocida hoy en díay en muchos hogares se usan los "microondas". Estos hornos calientan los alimentos generando ondasmicroondas que en realidad calientan selectivamente el agua. la mayoría de los alimentos, incluso los "secos“contienen agua. Las microondas hacen que las moléculas de agua se muevan, vibran, este movimiento producefricción y esta fricción el calentamiento. Así no sólo se calienta la comida, otras cosas ,como los recipientes,pueden calentarse al estar en contacto con los alimentos.

Ondas de radio:• Son ondas electromagnéticas producidas por el hombre con un circuito oscilante.• 1 cm < lambda < 1 km• Se emplean en radidifusión, las ondas usadas en la televisión son las de longitud de onda menor ylas de radio son las de longitud de onda mayor. Las radiondas más largas se reflejan en la ionosfera y sepueden detectar en antenas situadas a grandes distancias del foco emisor. Las ondas medias se reflejanmenos en la ionosfera, debido a su gran longitud de onda pueden superar obstáculos, por lo que puedenrecorrer grandes distancias. Para superar montañas necesitan repetidores. Las ondas cortas no sereflejan en la ionosfera, requieren repetidores más próximos. Se transmiten a cualquier distanciamediante los satélites artificiales. Este tipo de ondas son las que emiten la TV,teléfonos móviles y losradares

El espectro ElectromagneticoSe denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas

electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o

simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o

absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la

sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden contemplar

mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar

medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la

radiación. La longitud de una onda es el período espacial de la misma, es decir, la distancia

que hay de pulso a pulso .

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como

los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos

infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las

ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la

longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque

formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

El Espectro de radiofrecuencia:El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se aplica a

la porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre unos 3 Hz y unos

300 GHz. El hercio es la unidad de medida de la frecuencia de las ondas, y corresponde a un

ciclo por segundo. Las ondas electromagnéticas de esta región del espectro, se pueden

transmitir aplicando la corriente alterna originada en un generador a una antena.

Ondas PlanasUna onda plana o también llamada onda monodimensional, es una onda de frecuencia constante

cuyos frentes de onda (superficies con fase constante) son planos paralelos de amplitud constante normales al

vector velocidad de fase. Es decir, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del

espacio, como por ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección

única, sus frentes de ondas son planos y paralelos.

Matemáticamente, una onda plana es una solución de la ecuación de onda en su forma compleja de la

siguiente forma:

Dónde i es la unidad imaginaria, k es el vector de onda, ω es la frecuencia angular y a es la amplitud compleja.

POLARIZACION DE LAS ONDAS PLANAS:

La polarización electromagnética es una propiedad de las ondas que pueden oscilar con más de una

orientación. Esto se refiere normalmente a las llamadas ondas transversales, en particular se suele hablar de

las ondas electromagnéticas, aunque también se puede dar en otras ondas transversales. Por otra parte, las

ondas de sonido en un gas o líquido son ondas exclusivamente longitudinales en la que la oscilación es

siempre en la dirección de la onda; por lo que no se habla de polarización en este tipo de ondas.

En una onda electromagnética, tanto el campo eléctrico y el campo magnético son oscilante pero en diferentes

direcciones ; ambas perpendiculares ente si y perpendicular a la dirección de propagación de la onda; por

convención, el plano de polarización de la luz se refiere a la polarización del campo eléctrico.

Un ejemplo sencillo para visualizar la polarización es el de una onda plana, que es una buena

aproximación de la mayoría de las ondas luminosas.

En un punto determinado la onda del campo eléctrico puede tener dos componentes

vectoriales perpendiculares (transversales) a la dirección de propagación. Las dos componentes

vectoriales transversales varían su amplitud con el tiempo, y la suma de ambas va trazando una

figura geométrica. Si dicha figura es una recta, la polarización se denomina lineal; si es un

círculo, la polarización es circular; y si es una elipse, la polarización es elíptica.

LINEAL CIRCULAR ELIPTICA

En la figura de la izquierda, la polarización es lineal y la oscilación del plano perpendicular a la

dirección de propagación se produce a lo largo de una línea recta. Se puede representar cada

oscilación descomponiéndola en dos ejes X e Y. La polarización lineal se produce cuando ambas

componentes están en fase (con un ángulo de desfase nulo, cuando ambas

componentes alcanzan sus máximos y mínimos simultáneamente) o en contrafase (con un

ángulo de desfase de 180º, cuando cada una de las componentes alcanza sus máximos a la vez

que la otra alcanza sus mínimos). La relación entre las amplitudes de ambas componentes

determina la dirección de la oscilación, que es la dirección de la polarización lineal.

En la figura central, las dos componentes ortogonales tienen exactamente la misma amplitud y

están desfasadas exactamente 90º. En este caso, una componente se anula cuando la otra

componente alcanza su amplitud máxima o mínima. Existen dos relaciones posibles que

satisfacen esta exigencia, de forma que la componente x puede estar 90º adelantada o

retrasada respecto a la componente Y. El sentido (horario o antihorario) en el que gira el campo

eléctrico depende de cuál de estas dos relaciones se dé. En este caso especial, la trayectoria

trazada en el plano por la punta del vector de campo eléctrico tiene la forma de una circunferencia,

por lo que en este caso se habla de polarización circular.

En la tercera figura, se representa la polarización elíptica. Este tipo de polarización corresponde a

cualquier otro caso diferente a los anteriores, es decir, las dos componentes tienen distintas

amplitudes y el ángulo de desfase entre ellas es diferente a 0º y a 180º (no están en fase ni en

contrafase).

Propagacion de Onda PlanaLos medios, naturales o no, de propagación de onda se caracterizan por tres parámetros y se

clasifica en:

• Donde:

• σ: es la conductividad del medio y se mide en S/m

• ε: es la permitividad o constante dieléctrica del medio y se mide en F/m

• µ: es la permeabilidad o constante magnética y se mide en H/m

• La velocidad de propagación de una onda plana en un medio dieléctrico (σ=0) viene dada por:

La impedancia intrínseca o característica de un medio dieléctrico es:

Propagacion de medios sin perdidaTener un medio sin pérdidas significa que no existe la conductividad en ese medio, o que la

conductividad es cero.

Las condiciones que se dan en este medio son las que se muestran en las siguientes ecuaciones:

la impedancia intrínseca se vuelve un numero real.

Ya que la conductividad se vuelve cero. Por lo tanto, solo tiene una parte real y no parte

imaginaria. La velocidad de fase de la onda se vuelve:

La siguiente ecuación nos dice como se propaga el campo eléctrico:

A continuación, la propagación del campo magnético:

Consideraciones para la propagación en el espacio libre:

H/m Permeabilidad en el espacio libre

F/m Permitividad en el espacio libre

m/s Velocidad de Propagación en el espacio libre

Para cualquier otro tipo de material y

m/s

Ω

rad/m

m

Propagación en medios con perdidas

Un medio con perdida existe cuando hay conductividad aunque sea mínima, y como existe

conductividad dentro de ese medio la onda va a cambiar.Debemos dejar bien claro que existen

dos diferencias muy notables entre las ondas planas uniformes en medios sin pérdidas y las

ondas planas uniformes en medios con pérdidas. La primera es que la parte real de la constante

de propagación se vuelve distinta de cero, y por lo tanto se divide en dos como se muestra a

continuación:

Podemos ver que la gamma se dividió en su parte real alpha se le conoce como constante de

atenuación y está dada Np/m y su parte imaginaria beta que se le conoce como constante de

fase y está dada en rad/m.

La otra diferencia es la impedancia intrínseca que para medios con pérdidas también se vuelve

compleja y no tiene los mismos valores que para un medio sin pérdidas. La impedancia intrínseca

se calcula de la siguiente manera:

Y ahora las ecuaciones de onda:

Vector de PoyntingSe denomina vector de Poynting al vector cuyo módulo representa la intensidad instantánea de

energía electromagnética que fluye a través de una unidad de área perpendicular a la dirección de

propagación de la onda electromagnética, y cuyo sentido es el de propagación. Recibe su nombre

del físico inglés John Henry Poynting. Se expresa mediante el símbolo

El vector de Poynting puede definirse como el producto vectorial del campo eléctrico y el campo

magnético, cuyo módulo es la intensidad de la onda:

Donde:

• representa el campo eléctrico

• la intensidad del campo magnético

• el campo de inducción magnética, siendo la permeabilidad magnética del medio. Su unidad en SI es el vatio/m².

Dado que los campos eléctrico y magnético de una onda electromagnética oscilan con la

frecuencia de la onda, la magnitud del vector de Poynting cambia en el tiempo. El promedio del

vector de Poynting sobre un período muy superior al periodo de la onda es llamado irradiancia, I:

La irradiancia representa el flujo de energía asociado a la radiación electromagnética en la

dirección perpendicular a su dirección de propagación.