La energía, una medida de la capacidad de hacer trabajo, se presenta en muchas formas y puede transformarse de un tipo a otro. Los ejemplos de energía almacenada o potencial incluyen baterías y agua detrás de una presa. Los objetos en movimiento son ejemplos de energía cinética. Las partículas cargadas, como los electrones y los protones, crean campos electromagnéticos cuando se mueven, y estos campos transportan el tipo de energía que llamamos radiación electromagnética, o luz.
¿Qué son las ondas electromagnéticas y mecánicas?
Las ondas mecánicas y las ondas electromagnéticas son dos formas importantes en que la energía se transporta en el mundo que nos rodea. Las ondas en el agua y las ondas sonoras en el aire son dos ejemplos de ondas mecánicas. Las ondas mecánicas son causadas por una perturbación o vibración en la materia, ya sea sólida, gaseosa, líquida o plasmática. La materia por la que viajan las olas se llama medio. Las ondas de agua se forman por las vibraciones en un líquido y las ondas de sonido se forman por las vibraciones en un gas (aire). Estas ondas mecánicas viajan a través de un medio al hacer que las moléculas choquen entre sí, como fichas de dominó que caen transfiriendo energía de una a la otra. Las ondas sonoras no pueden viajar en el vacío del espacio porque no hay medio para transmitir estas ondas mecánicas.
Las ondas clásicas transfieren energía sin transportar materia a través del medio. Las olas en un estanque no transportan las moléculas de agua de un lugar a otro; más bien la energía de la ola viaja a través del agua, dejando las moléculas de agua en su lugar, como un insecto que se balancea sobre las ondas en el agua.
Cuando se frota un globo contra una cabeza de cabello, se crea una carga eléctrica astática que hace que sus cabellos individuales se repelen entre sí. Crédito: Ginger Butcher
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
La electricidad puede ser estática, como la energía que puede poner los pelos de punta. El magnetismo también puede ser estático, como lo es en un imán de refrigerador. Un campo magnético cambiante inducirá un campo eléctrico cambiante y viceversa, los dos están vinculados. Estos campos cambiantes forman ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas difieren de las ondas mecánicas en que no requieren un medio para propagarse. Esto significa que las ondas electromagnéticas pueden viajar no solo a través del aire y materiales sólidos, sino también a través del vacío del espacio.
En las décadas de 1860 y 1870, un científico escocés llamado James Clerk Maxwell desarrolló una teoría científica para explicar las ondas electromagnéticas. Se dio cuenta de que los campos eléctricos y los campos magnéticos pueden unirse para formar ondas electromagnéticas. Resumió esta relación entre electricidad y magnetismo en lo que ahora se conoce como “Ecuaciones de Maxwell”.
Heinrich Hertz, un físico alemán, aplicó las teorías de Maxwell a la producción y recepción de ondas de radio. La unidad de frecuencia de una onda de radio, un ciclo por segundo, se denomina hertz, en honor a Heinrich Hertz.
Su experimento con ondas de radio resolvió dos problemas. Primero, había demostrado en el concreto lo que Maxwell solo había teorizado: ¡que la velocidad de las ondas de radio era igual a la velocidad de la luz! ¡Esto demostró que las ondas de radio eran una forma de luz! En segundo lugar, Hertz descubrió cómo hacer que los campos eléctricos y magnéticos se separen de los cables y se liberen como las ondas de Maxwell: ondas electromagnéticas.
¿ONDAS O PARTÍCULAS? ¡SI!
La luz está hecha de paquetes discretos de energía llamados fotones. Los fotones llevan impulso, no tienen masa y viajan a la velocidad de la luz. Toda luz tiene propiedades tanto de partículas como de ondas. La forma en que un instrumento está diseñado para detectar la luz influye en cuáles de estas propiedades se observan. Un instrumento que difracta la luz en un espectro para su análisis es un ejemplo de observación de la propiedad ondulatoria de la luz. Los detectores utilizados en las cámaras digitales observan la naturaleza similar a las partículas de la luz: los fotones individuales liberan electrones que se utilizan para la detección y el almacenamiento de los datos de la imagen.
POLARIZACIÓN
Una de las propiedades físicas de la luz es que se puede polarizar. La polarización es una medida de la alineación del campo electromagnético. En la figura anterior, el campo eléctrico (en rojo) está polarizado verticalmente. Piense en lanzar un Frisbee a una cerca de piquete. En una orientación pasará, en otra será rechazada. Esto es similar a cómo las gafas de sol pueden eliminar el resplandor al absorber la porción polarizada de la luz.
DESCRIBIENDO LA ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA
Los términos luz, ondas electromagnéticas y radiación se refieren al mismo fenómeno físico: la energía electromagnética. Esta energía se puede describir por frecuencia, longitud de onda o energía. Los tres están relacionados matemáticamente de modo que si conoces uno, puedes calcular los otros dos. La radio y las microondas generalmente se describen en términos de frecuencia (Hertz), luz infrarroja y visible en términos de longitud de onda (metros), y rayos X y rayos gamma en términos de energía (voltios de electrones). Esta es una convención científica que permite el uso conveniente de unidades que tienen números que no son ni demasiado grandes ni demasiado pequeños.
FRECUENCIA
El número de crestas que pasan un punto dado en un segundo se describe como la frecuencia de la onda. Una onda, o ciclo, por segundo se llama Hertz (Hz), después de Heinrich Hertz, quien estableció la existencia de ondas de radio. Una onda con dos ciclos que pasan un punto en un segundo tiene una frecuencia de 2 Hz.
LARGO DE ONDA
Las ondas electromagnéticas tienen crestas y canales similares a los de las olas oceánicas. La distancia entre las crestas es la longitud de onda. ¡Las longitudes de onda más cortas son solo fracciones del tamaño de un átomo, mientras que las longitudes de onda más largas que los científicos estudian actualmente pueden ser más grandes que el diámetro de nuestro planeta!
ENERGÍA
Una onda electromagnética también se puede describir en términos de su energía, en unidades de medida llamadas electronvoltios (eV). Un electrón voltio es la cantidad de energía cinética necesaria para mover un electrón a través de un potencial de voltio. Moviéndose a lo largo del espectro de longitudes de onda largas a cortas, la energía aumenta a medida que se acorta la longitud de onda. Considere una cuerda de saltar con sus extremos tirados hacia arriba y hacia abajo. Se necesita más energía para que la cuerda tenga más olas.
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Cita
APA
Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, Dirección de Misiones Científicas. (2010) Anatomía de una onda electromagnética. Consultado [insertar fecha – p. Ej. 10 de agosto de 2016] , del sitio web de NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/02_anatomy
MLA
Dirección de Misión Científica. “Anatomía de una onda electromagnética” Ciencia de la NASA . 2010. Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. [insertar fecha – p. Ej. 10 de agosto de 2016] http://science.nasa.gov/ems/02_anatomy