DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE FÍSICA DE ONDAS PRÁCTICA No. 2

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE FÍSICA DE ONDAS PRÁCTICA No. 2:

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

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LABORATORIO DE FÍSICA DE ONDAS

DEPARTAMENTO DE FÍSICA PRÁCTICA No. 2

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

CUESTIONARIO PREVIO.

1.- ¿Qué es una onda electromagnética?

2.- Mencione las características principales de una onda electromagnética. 3.- Explique el fenómeno de inducción electromagnética.

4.- Defina el concepto de potencia electromagnética (vector poynting) y escriba su expresión matemática.

5.- Defina el concepto de irradiancia o intensidad de una onda electromagnética y escriba su expresión matemática.

6.- Defina y muestre la gráfica del espectro electromagnético indicando longitud de onda y frecuencia.

7.- Indique el rango de frecuencia y longitud de onda de la luz visible.

OBJETIVOS.

1. Observar la inducción de ondas electromagnéticas por medio del osciloscopio.
2. Realizar mediciones de irradiancia o intensidad luminosa (para el caso de la luz visible).

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

James Clerk Maxwell (1831-1879) resumió brillantemente las propiedades conocidas de los fenómenos eléctricos y magnéticos en cuatro ecuaciones, éstas predicen la existencia de las ondas electromagnéticas que se desplazan en el espacio vacío con rapidez definida igual a la rapidez de la luz.

Las ecuaciones muestran que los campos eléctricos y magnéticos que varían con el tiempo están interrelacionados. Estas ecuaciones son:

1.-.- Ley de Gauss.- El flujo eléctrico total a través de cualquier superficie cerrada es  igual a la carga neta dentro de esa superficie divida entre εo.

2.- Ley de Gauss para el campo magnético.- El flujo magnético total a través de una superficie cerrada es cero, es decir, el número de líneas de campo magnético que entran en un volumen cerrado debe ser igual al número de líneas que salen.

3.- Ley de Faraday.- La integral de línea del campo eléctrico alrededor de cualquier trayectoria cerrada es igual a la razón de variación del flujo magnético a través de cualquier área superficial limitada por esa trayectoria, es decir, describe la forma en que puede inducirse un campo eléctrico mediante un flujo magnético variable.

4.- Ley de Ampere- Maxwell.- La integral de línea del campo magnético alrededor de cualquier trayectoria cerrada se determina mediante la suma de la corriente de conducción total a través de la trayectoria y la razón de variación de flujo eléctrico a través de cualquier superficie limitada por esa trayectoria, es decir describe como un campo magnético puede ser producido mediante un flujo eléctrico variable, y una corriente de conducción.

En la siguiente tabla se muestran las ecuaciones de Maxwell:[pic 5]

donde:[pic 6][pic 7]

Tabla 2.1.- Ecuaciones de Maxwell

  = Flujo eléctrico;        ⃗ = Campo eléctrico;        = Elemento de superficie;

  = Flujo magnético;        = Permitividad del medio        = Carga;

 ⃗     = Campo magnético;        = Elemento de superficie        ⃗          = Elemento de línea

μo.- cte. de permeabilidad

Maxwell demostró que las ondas electromagnéticas tenían una velocidad en el vacío  igual a:

donde:

c.- velocidad en el vacío

√    [pic 8]

(1)

μo.- cte. de permeabilidad = 4π x 10-7 (        )  [pic 9]

εo.- permitividad del medio =8.85418 x 10 –12 ([pic 10]

)   

Sustituyendo los valores en la ecuación (1):        c= 2.99792 x 108 (m/s)

Esta cantidad es aproximadamente 3 x 108 m/s igual que la velocidad de la luz, por lo que Maxwell pudo afirmar que la luz es una onda electromagnética.

Las ondas electromagnéticas están originadas por cargas eléctricas aceleradas. En éstas, los campos eléctricos y magnéticos son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, debido a esto, son ondas transversales.

Las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas están relacionadas mediante la expresión:

c  = λ f        (2)

donde:

c es velocidad en el vacío;        λ es longitud de onda        y          f es frecuencia

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

La radiación electromagnética se puede clasificar en un espectro desde ondas  de frecuencias muy elevadas (con longitudes de onda pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (con longitudes de onda altas). La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia.

En la figura 2.1 se muestra el espectro electromagnético por orden decreciente de frecuencias (o bien, orden creciente de longitudes de onda).

[pic 11]

Figura 2.1.- Espectro electromagnético

El espectro electromagnético está integrado por: Ondas de Radio

Las ondas de radio se utilizan no sólo en la radiodifusión, sino también en la telegrafía inalámbrica, la transmisión por teléfono, la televisión, el radar, los sistemas de  navegación y la comunicación espacial.

Microondas

Las microondas tienen muchas aplicaciones: radio y televisión, radares, meteorología, comunicaciones vía satélite, medición de distancias, investigación de las propiedades de la materia o cocinado de alimentos.

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