¿QUÉ ES LA LUZ? (3ª parte) Campos eléctricos y magnéticos

En este tercer artículo de la serie ¿Qué es la luz?, hablaremos de la energía que lleva implícita la luz, debida a los campos eléctricos y magnéticos que se generan a su alrededor. Veremos cómo fluctúan dichos campos y se retroalimentan mutuamente de una manera proporcional sin desvanecerse en el espacio. Un comportamiento peculiar de las ondas electromagnéticas cuyos secretos fueron desvelados por Faraday, Ampere, Maxwell y otros gigantes de la ciencia.

La luz (y todas las radiaciones electromagnéticas) es la más pura expresión de la Energía. Es un fenómeno donde se aúnan las propiedades de un Campo Eléctrico y de un Campo Magnético. Podemos imaginar a la luz como aquel lugar del espacio donde coexisten fuerzas de tracción y repulsión eléctricas (las que se deben a las cargas eléctricas), y fuerzas de atracción y repulsión magnéticas (las que se producen como efecto del magnetismo).

 

Un campo eléctrico es similar a un campo gravitacional, donde las "cosas" sienten los efectos de su peso a pesar de que no haya nada tangible que las empuje hacia abajo. Ciertamente, no podemos explicar bien qué le sucede a nuestro propio cuerpo cuando estamos dentro del campo gravitacional del planeta, pero notamos una extraña fuerza que nos empuja hacia el suelo. Pues bien, en un campo eléctrico sucede algo muy parecido: los objetos que tienen carga eléctrica se ven atraidos o repelidos por dicho campo, por efecto de una fuerza "invisible" que los afecta. Y ese comportamiento "mágico" también se aprecia en las inmediaciones de un Campo Magnético, cuya fuerza invisible atrae o repele a los objetos con propiedades magnéticas.

 

Aquí abajo, vemos la representación de estos dos campos:

Sobre estas líneas, representamos un campo Eléctrico: es la zona del espacio donde una carga (un electrón) extiende su influencia. Si en dicho campo entrara una carga positiva (un protón), éste sería atraído inmediatamente al interior del Campo... Si por el contrario, fuera otro electrón el que entrara en la zona de influencia, su tendencia sería la de separarse (alejarse).

Aquí, a la derecha, representamos un Campo Magnético, formado por un Imán, en cuyo alrededor se producen unas líneas de Fuerza capaces de atraer o repeler posibles materiales magnéticos que se acercaran a la zona de influencia. El Campo Magnético sería ese espacio que rodea al imán.


 

Pues bien, en el interior de un "rayo" de luz se aprecian los dos fenómenos simultáneamente: Coexisten a la vez una zona con fuerzas eléctricas, y otra con fuerzas magnéticas, es decir, se crea un CAMPO ELECTROMAGNÉTICO. Podemos imaginarlo como si pegásemos un electrón en medio de un potente imán (ejemplo poco ortodoxo, ver *Nota 1 al final del artículo). Con un "juguete" así, generaríamos un espacio a su alrededor plagado de fuerzas magnéticas, a la vez que fuerzas eléctricas.

 

La luz, y en general todas las ondas electromagnéticas, generas a lo largo de su recorrido un campo eléctrico y otro magnético. Es decir, si imaginamos un rayo de luz como si fuera un "chorro" de agua que se desplaza avanzando en línea recta, podríamos decir que dentro de esa corriente de agua, existen fuerzas eléctricas (que atraen o repelen cargas eléctricas) y fuerzas magnéticas (que podrían atraer o repeler materiales sensibles al magnetismo).

Un hipotético chorro de agua en cuyo interior se generen campos eléctricos y magnéticos, podría atraer y repeler cargas eléctricas y objetos magnéticos, haciendo que todos estos objetos se peguen al chorro, o se separen de él, vibren, giren o salgan disparados 

Una particularidad muy curiosa de estos "campos" es que funcionan incluso en el espacio vacío. Ello quiere decir que incluso sin que exista materia, las fuerzas de atracción o repulsión siguen funcionando.

 

Los otros tipos de energías a los que estamos acostumbrados en la vida cotidiana (una patada, un martillazo, las olas del mar, la fuerza del viento...) necesitan materia para que pueda transmitirse de un lugar al otro (del martillo al clavo o del aire al agua) (*Nota 2)  . Pero las fuerzas eléctricas y magnéticas funcionan incluso en un espacio vacío. Esta particularidad hace que las ondas electromagnéticas como la luz, se diferencien por ejemplo de las ondas sonoras, las cuáles no pueden transmitirse sin un medio material por el que propagarse (el sonido no se transmite por el espacio vacío)

El caso es que todas las radiaciones electromagnéticas se comportan de esa forma: generan a su alrededor campos y fuerzas eléctricas y magnéticas. De hecho, los campos eléctricos generan a su alrededor campos magnéticos y viceversa.

Sobre esta generación de campos, es necesario aclarar primero su funcionamiento, donde podremos distinguir tres casos básicos.

El caso es que, en el interior de un "chorro de luz", discurren un campo eléctrico y un campo magnético que fluctúan. Como los campos eléctricos variables generan campos magnéticos, y los campos magnéticos variables general campos eléctricos, el resultado es una sucesión infinita de campos que se generan mútuamente de forma indefinida, hasta el infinito.

Esta sucesión infinita de campos eléctricos y magnéticos discurre hacia adelante, alejándose de la fuente que los crea, Sin embargo, las oscilaciones de los campos eléctricos son perpendiculares entre si. Es decir, que si el campo eléctrico fluctúa de arriba habia abajo, el campo magnético generado, fluctúa de derecha a izquierda, y ambos campos fluctúan en perpendicular a su trayectoria de avance. Por esta razón, se suele representar a las ondas electromagnéticas de la siguiente forma:

Pero esta forma de representar una onda de luz, no nos debe confundir: La luz no se mueve en una trayectoria sinuosa, como las olas del mar. Se mueve en línea recta (como la trayectoria de color naranja del dibujo de arriba). Las ondas sinuosas de dicho esquema sólo representan las variaciones de los campos eléctricos (las ondas verticales) y los campos magnéticos (las ondas transversales). Es decir, que el diagrama representa cómo aumentan o disminuyen los valores máximos y mínimos de la intensidad de los campos. Pero insistimos: LA LUZ SE MUEVE EN LÍNEA RECTA.

 

Analizando un poco más dicho esquema, comprobamos que hay momentos en los que la intensidad del campo eléctrico es máxima (los puntos más elevados de las ondas), en tanto que otros puntos tienen un valor mínimo (las zonas más bajas o valles de la onda) y otros tienen un valor intermedio (o nulo). Esos puntos de campo nulo corresponden a momentos donde la aceleración de las cargas que generan la onda EM adquiere un valor cero (punto de equilibrio donde la carga no acelera).

 

Midiendo la intensidad y los valores de estos máximos y mínimos, nos percatamos de que éstos se repiten de forma periódica y repetitiva... o sea, los valles y las crestas de la onda tienen una misma duración, e igualmente, el tiempo que las ondas tardan en alcanzar un máximo y un mínimo, es siempre el mismo. Esta característica de las Ondas Electromagnéticas permite estudiarlas con más detenimiento y obtener de esa manera las magnitudes más relevantes de dicho fenómerno, como son la Amplitud, la Longitud de onda y la Frecuencia, y con ello se pueden describir las siguientes características:

AMPLITUD DE LA ONDA:

Es el máximo valor que puede alcanzar la intensidad del campo que tratamos de determinar. Si representamos la intensidad del campo eléctrico, esta Amplitud indicará la diferencia de potencial máxima que alcanza la onda, que se medirá en voltios/metro. Significa que, dentro de esta onda, las cargas eléctricas que puedan estar en sus inmediaciones, experimentan una atracción o repulsión de x voltios cada metro. Si en la gráfica se representa la intensidad del campo magnético, las unidaddes que se emplean son "Teslas" (corresponde a una fuerza de atracción o repulsión de 1 Newton por segundo, cada culombio y metro cuadrado). En realidad, la Intensidad de los campos eléctricos o magnéticos de una onda se puede determinar fácilmente si conocemos su amplitud, ya que la Intensidad total es proporcional al cuadrado de dicha amplitud. Tampoco olvidemos que la intensidad del campo eléctrico es exactamente proporcional al campo magnético, por lo cuál, cuando uno de ellos crece, el otro también, y viceversa.

Cuanto más grande es el campo eléctrico de una onda (mayor amplitud), más fuerte es su poder para atraer o repeler cargas eléctricas.

Cuando tratamos de estudiar la Intensidad de un frente de onda, en realidad estamos analizando la Energía que posee dicha onda por cada metro cuadrado de superficie que atraviese. En las ondas electromagnéticas, la proporcionalidad que existe entre la intensidad del campo eléctrico (E) y el campo magnético (B) es tan exacta en cada momento, que al dividir el valor de la primera, entre el valor de la segunda, siempre se obtiene una velocidad constante: la velocidad de la luz.

 

LONGITUD DE ONDA

En la gráfica de las ondas, la longitud de onda es la distancia que separa dos puntos de máxima intensidad. Como la velocidad de la luz es constante (en el vacío), esta medida se puede expresar en metros, ya que es la distancia que recorre la onda en un tiempo determinado. Pero también indica cuánto tiempo transcurre desde que los campos eléctricos y magnéticos de la onda adquieren sus máximos valores. Este dato es importante, porque cuanto mayor sea la longitud de onda, más tarda ésta en "vibrar". En el espectro electromagnético, la longitud de onda varía enormemente, desde billonésimas de metro, hasta varios miles de kilómetros. Las ondas de radio de alta ultra alta frecuencia tienen una longitud de onda de 1 metro: Esto significa que, a la velocidad de la luz, la onda adquiere una intensidad máxima cada vez que recorre un metro. Cuanto mayor es la longitud de onda, menor es la Energía del frente de onda. La longitud de onda es dato inversamente proporcional al la frecuencia.

 

FRECUENCIA

Cada vez que la Amplitud de la onda adquiere un valor máximo, completa un ciclo. El número total de ciclos completos que suceden en un segundo, es lo que se conoce como "frecuencia". Por ejemplo, si una onda sufre 6 ciclos (o 6 altibajos completos, como en la onda del dibujo de arriba) en un segundo, se dirá que su frecuencia es de 6 Herzios (un Herzio es un ciclo por cada segundo). La frecuencia de un onda marca la energía que ésta posee: Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor es su poder de penetración. De esa manera, una onda EM de muy alta frecuencia (como los Rayos X, cuyas ondas completan 30.000 Billones de ciclos en un segundo) tiene muchísicmo más poder de penetración y energía que las ondas de radio de extrabaja frecuencia, las cuáles apenas completan media docena de ciclos por segundo. Esto explica por qué la luz de los Rayos X puede atravesar el cuerpo humano hasta conseguir que se vea su interior, en tanto que la luz visible normal es incapaz de tal proeza: El secreto está en la frecuencia de la onda que se utilice

 

En el próximo artículo veremos de qué manera estas propiedades de las ondas electromagnéticas influyen es su propio comportamiento. ¿Por qué una luz de alta frecuencia penetra más en la materia? ¿Por qué el vídrio es transparente? ¿Por qué la luz puede calentar los objetos? ¿En qué se parece la luz al sonido y otro tipo de ondas?

 

*Nota 1: El campo eléctrico de una onda EM no sólo es negativo, como el de los electrones. En realidad fluctúa constantemente entre valores positivos y negativos. Hemos usado el ejemplo del electrón sólo para simplificar la explicación. Por otra parte, un "artefacto" hecho con un electrón pegado a un imán, no generaría un campo electromagnético a su alrededor. Más bien generaría dos campos inconexos: uno eléctrico y otro magnético. Pero hemos empleado este ejemplo, para explicarlo de manera sencilla

 

*Nota 2: En realidad, cuando un objeto empuja a otro, lo que se produce es una repulsión eléctrica entre los electrones externos de los átomos de la superficie de ambos objetos, así que un "empujón" sólo es un efecto de repulsión eléctrica)

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Comentarios: 5
  • #1

    jose (jueves, 14 mayo 2015 20:23)

    ¿un campo magnético siempre se genera debido al movimiento de uno eléctrico?,
    los imanes tienen un campo magnético constante, ¿existe también un movimiento eléctrico constante en ese campo?
    en una onda electromagnética, ¿viajan electrones y/o átomos? o es otro fenómeno?

  • #2

    canal de ciencias (viernes, 15 mayo 2015 16:36)

    Hola jose,
    1- No necesariamente. Mira el punto 2
    2- Dentro del imán hay un movimiento de electrones porque es un metal. Pero no es ese movimiento de electrones quien genera el campo magnético. El magnetismo es un fenómeno cuántico que depende del spin. Puede haber magnetismo sin electrones
    3- el una onda EM no viajan ni electrones ni átomos. Sólo hay energía... no se mueve ningún tipo de materia. Es un fenómeno "inmaterial", aunque sus efectos afecten a la materia. Aunque normalmente se dice que la partícula de la luz es el fotón, no debes considerarlo como un corpúsculo material
    Saludos

  • #3

    jose (viernes, 15 mayo 2015 22:51)

    gracias por la respuesta =)

  • #4

    jose (miércoles, 12 agosto 2015 01:15)

    i) Existe alguna diferencia entre Onda Electromagnética y Radiación Electromagnética? Explique.

    ii) La Luz visible está compuesta por dos campos de energías: El campo Eléctrico y El campo Magnético.

    * ¿Es posible separar estos dos campos?

    * Explique qué pasaría si la energía de uno de estos campos fuera mayor que la del otro

    iii) En el espacio, cuando estalla una supernova, se puede ver a millones y millones de kilómetros su destello (Luz) pero no puede escucharse el sonido de la explosión, aún, a nanómetros de distancia. De una explicación física de esto, que no sea la de saber que el sonido es una onda mecánica y necesita un medio para propagarse.

    iv) De que depende la Energía de una Onda Electromagnética? Y la Energía de una onda Mecánica? Explique.

    v) La siguiente ecuación muestra la relación Inversa entre el vector de onda y la longitud de onda de una onda electromagnética, es decir, que si la longitud de onda aumenta, el vector de onda se hace más pequeño en magnitud y por tanto físicamente, es mucho más difícil determinar la dirección de la onda.

    Proponga y Explique tres ejemplos reales donde se observe esta relación.

    vi) Demuestre que un fotón de una luz infrarroja de 1240 nm tiene una energía de 1eV

    vii) Calcule la energía de un fotón de luz azul de longitud de onda de 450nm.

    viii) Escriba cinco características de la Radiaciones Electromagnéticas.

  • #5

    canal de ciencias (miércoles, 12 agosto 2015 03:37)

    jose, en esta web no resolvemos exámenes de bachillerato... y menos si se formulan con un tono tan exigente