Propagación conjunta de campos eléctricos y magnéticos
Cuando escuchás una emisora de FM en el celular o en la radio del auto, la señal salió de una antena de Montevideo y llegó hasta vos atravesando aire, paredes y hasta el vacío si hiciera falta. No hay ningún cable ni ningún medio que «lleve» la señal. ¿Qué es lo que viaja y por qué no necesita nada para hacerlo? Lo vamos a responder en esta página.
De la inducción a la idea de onda electromagnética
Pensá en un imán que se acerca y se aleja de una bobina conectada a un amperímetro. Mientras el imán se mueve, la aguja se desvía; cuando se detiene, vuelve a cero. Es la inducción electromagnética: un campo magnético variable produce una corriente en la bobina. Cuanto más rápido varía el campo (imán más veloz), mayor es la corriente inducida.
Esa corriente existe porque algo empuja a las cargas del alambre: un campo eléctrico. Entonces, lo que realmente pasa es esto:
Maxwell propuso, en el siglo XIX, que vale también lo recíproco: un campo eléctrico variable genera un campo magnético. Cada uno sostiene al otro. Esa es la clave de la onda electromagnética.
Un imán se acerca y se aleja repetidamente de una bobina conectada a un amperímetro. Describí qué observás en el amperímetro y a qué se debe, nombrando el fenómeno…
Un imán se acerca y se aleja repetidamente de una bobina conectada a un amperímetro. Describí qué observás en el amperímetro y a qué se debe, nombrando el fenómeno involucrado.
Joaquín arma un circuito con una bobina y un imán. Mueve el imán dentro de la bobina primero lento y luego rápido, y mide una corriente inducida mayor en el segundo…
Joaquín arma un circuito con una bobina y un imán. Mueve el imán dentro de la bobina primero lento y luego rápido, y mide una corriente inducida mayor en el segundo caso. Explicá este resultado a partir de la variación del campo magnético y relacionalo con el modo en que un campo eléctrico y uno magnético variables se sostienen mutuamente en una onda electromagnética.
La onda que se sostiene sola
Imaginá una carga que oscila hacia arriba y hacia abajo, como los electrones en una antena. Su campo eléctrico cambia en el tiempo. Ese campo eléctrico variable genera un campo magnético variable. Este genera a su vez un campo eléctrico variable un poco más lejos, y así sucesivamente. La perturbación avanza sola, como un pulso que pasa de punto a punto del espacio.
Lo importante de la figura:
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El campo eléctrico $\vec{E}$ y el campo magnético $\vec{B}$ son perpendiculares entre sí.
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Los dos son perpendiculares a la dirección de propagación: la onda electromagnética es transversal.
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$\vec{E}$ y $\vec{B}$ oscilan juntos: se sostienen mutuamente.
Camila afirma que una onda electromagnética necesita cargas moviéndose todo el camino para propagarse, como la corriente en un cable. Argumentá por qué esta idea es…
Camila afirma que una onda electromagnética necesita cargas moviéndose todo el camino para propagarse, como la corriente en un cable. Argumentá por qué esta idea es incorrecta, describiendo cómo se generan mutuamente los campos variables y qué papel cumplen las cargas en la antena emisora. Después comparás una onda de $3 \times 10^{6}\ \text{Hz}$ con una de $3 \times 10^{9}\ \text{Hz}$ en el vacío: calculá sus longitudes de onda y decidí cuál tiene mayor velocidad.
Se propaga sin medio material
Una onda de sonido necesita aire, agua u otro medio: es una onda mecánica. Una onda electromagnética no necesita medio, porque lo que vibra son campos y no partículas. Por eso la luz del Sol atraviesa el vacío del espacio y llega a la Tierra, y por eso podemos comunicarnos con sondas lejanas.
| Onda | ¿Necesita medio? |
|---|---|
| Sonido | Sí (onda mecánica) |
| Onda en una cuerda | Sí (onda mecánica) |
| Luz, radio, microondas | No (no mecánicas) |
En el vacío, todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad, sea cual sea su frecuencia: la velocidad de la luz.
Indicá si cada afirmación es verdadera o falsa y corregí las falsas: a) la luz del Sol llega a la Tierra porque necesita un medio material para propagarse; b) en una…
Indicá si cada afirmación es verdadera o falsa y corregí las falsas: a) la luz del Sol llega a la Tierra porque necesita un medio material para propagarse; b) en una onda electromagnética los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí; c) una onda de radio y la luz visible viajan a la misma velocidad en el vacío.
La relación c = λ·f
Como en toda onda periódica, la velocidad se relaciona con la longitud de onda $\lambda$ (m) y la frecuencia $f$ (Hz):
¿Por qué? En un período $T$ la onda avanza una longitud de onda: $c = \lambda / T = \lambda \cdot f$. Como $c$ es fija, a mayor frecuencia, ondas más «cortas».
Escribí la relación matemática entre la velocidad de una onda electromagnética en el vacío, su frecuencia y su longitud de onda. Indicá qué significa cada símbolo y cuál…
Escribí la relación matemática entre la velocidad de una onda electromagnética en el vacío, su frecuencia y su longitud de onda. Indicá qué significa cada símbolo y cuál es el valor aproximado de la velocidad en el vacío.
Una emisora de Montevideo transmite en FM con una frecuencia de $100\ \text{MHz}$. Tomá $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$ y calculá la longitud de onda de esa señal.…
Una emisora de Montevideo transmite en FM con una frecuencia de $100\ \text{MHz}$. Tomá $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$ y calculá la longitud de onda de esa señal. Expresá el resultado en metros.
Una luz verde tiene una longitud de onda de $550\ \text{nm}$ en el vacío. Calculá su frecuencia usando $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$. Después calculá cuánto tarda…
Una luz verde tiene una longitud de onda de $550\ \text{nm}$ en el vacío. Calculá su frecuencia usando $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$. Después calculá cuánto tarda esa luz en recorrer $1\ \text{km}$.
Generación y recepción: antenas y distancias
Una antena emisora es un conductor por el que se hace circular una corriente que oscila a la frecuencia deseada. Las cargas aceleradas generan campos variables, y la onda sale. En una emisora de FM, la señal de audio modula esa oscilación.
Una antena receptora hace el camino inverso: los campos de la onda que llega empujan a los electrones del metal y producen una corriente muy débil, de la misma frecuencia. Es inducción: un campo variable que mueve cargas. El receptor amplifica esa señal y la convierte en sonido o imagen.
Como las ondas viajan a velocidad constante $c$, podemos calcular distancias con el tiempo que tarda la señal:
$$d = c \cdot t$$La frecuencia la fija la fuente y no cambia durante el viaje; tampoco cambia $c$ en el vacío. La distancia solo cambia cuánto tarda la señal y qué tan débil llega.
Una señal enviada desde la Tierra hacia una sonda tarda $20$ minutos en llegar a ella. Con $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$, calculá la distancia a la que se encuentra…
Una señal enviada desde la Tierra hacia una sonda tarda $20$ minutos en llegar a ella. Con $c = 3 \times 10^{8}\ \text{m/s}$, calculá la distancia a la que se encuentra la sonda en kilómetros. Si la señal tiene una frecuencia de $8 \times 10^{9}\ \text{Hz}$, calculá su longitud de onda y explicá si la distancia recorrida modifica la frecuencia o la velocidad de la señal en el vacío.
Volvé al principio: lo que viaja desde la antena de Montevideo hasta tu celular es una onda electromagnética, campos eléctrico y magnético que se generan uno al otro, y por eso no necesita ningún medio.