radiación electromagnética

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La radiación electromagnética consiste en oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan. Transportan energía y momento sin necesidad de un medio. El espectro se extiende desde las ondas de radio largas hasta los rayos gamma. La luz visible es solo una banda estrecha en este rango.

History

James Clerk Maxwell en el siglo XIX predijo teóricamente estas ondas, y Heinrich Hertz las generó más tarde en el laboratorio. Los científicos comprendieron que la luz visible también es una onda electromagnética.

How it works

Si se sacude una carga eléctrica, crea a su alrededor un campo eléctrico cambiante, que a su vez genera un campo magnético, y así sucesivamente: la onda avanza. Es como cuando se agita una cuerda: la sacudida se propaga a lo largo de ella.

💡 El horno microondas utiliza radiación con una longitud de onda de unos 12 cm, haciendo que las moléculas de agua giren y calienten la comida, pero un plato seco apenas se calienta.

La radiación electromagnética es una perturbación del campo electromagnético que se propaga en el vacío a la velocidad de la luz c ≈ 3×10⁸ m/s. Clásicamente se describe mediante las ecuaciones de Maxwell, de las que se deriva la ecuación de onda para los campos E y B. Las soluciones son ondas transversales: los vectores E y B son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Cuánticamente, la radiación consiste en fotones con energía E = hν y momento p = h/λ. Espectro: radio (10³–10⁻¹ m), microondas (10⁻¹–10⁻³ m), infrarrojo (10⁻³–7×10⁻⁷ m), visible (7×10⁻⁷–4×10⁻⁷ m), ultravioleta (4×10⁻⁷–10⁻⁸ m), rayos X (10⁻⁸–10⁻¹² m), rayos gamma (<10⁻¹² m).

History

James Clerk Maxwell en 1865 unificó la electricidad y el magnetismo, prediciendo las ondas electromagnéticas, cuya velocidad coincidía con la de la luz, señalando la naturaleza electromagnética de la luz. Heinrich Hertz en 1887 fue el primero en generar experimentalmente ondas de radio. Wilhelm Röntgen en 1895 descubrió los rayos X. Max Planck (1900) y Albert Einstein (1905) sentaron las bases de la teoría cuántica, explicando el efecto fotoeléctrico. Frederick Herschel había descubierto la radiación infrarroja ya en 1800.

How it works

Según las ecuaciones de Maxwell, un campo magnético variable genera un campo eléctrico rotacional, y viceversa, creando una onda autosostenida. La energía de la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud y a la frecuencia (fórmula de Planck para fotones). El efecto Doppler produce un corrimiento al rojo o al azul cuando la fuente se mueve. Interacción con la materia: absorción, reflexión, refracción. La espectroscopia utiliza la descomposición de la radiación para analizar la composición de las sustancias.

\nabla^2 \mathbf{E} = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2}

E es el vector del campo eléctrico, c es la velocidad de la luz en el vacío, c ≈ 3×10⁸ m/s, ∇² es el operador laplaciano (suma de las segundas derivadas espaciales)

E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}

E es la energía del fotón, h es la constante de Planck, h ≈ 6.626×10⁻³⁴ J·s, ν es la frecuencia de la radiación, c es la velocidad de la luz, λ es la longitud de onda

c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}

c es la velocidad de la luz en el vacío, μ₀ es la permeabilidad magnética del vacío, μ₀ ≈ 4π×10⁻⁷ H/m, ε₀ es la permitividad eléctrica del vacío, ε₀ ≈ 8.854×10⁻¹² F/m

Open problems & fun facts

Problema de la jerarquía: ¿por qué la fuerza electromagnética es muchos órdenes de magnitud más intensa que la gravedad?; Naturaleza del entrelazamiento cuántico en las interacciones electromagnéticas; Interacción de la luz con metamateriales (por ejemplo, para invisibilidad); Decoherencia cuántica de estados electromagnéticos en medios calientes

💡 El campo electromagnético tiene masa en reposo nula, por eso los fotones siempre viajan a la velocidad de la luz y el tiempo no transcurre para ellos.

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