Ondas Electromagnéticas: Fundamentos, Percepción Visual y Polarización de la Luz
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La proeza máxima de James Clerk Maxwell fue demostrar que un haz de luz es una onda viajera de campos eléctrico y magnético: una onda electromagnética.
Óptica y el Espectro Electromagnético
La óptica, el estudio de la luz visible, es una rama fundamental del electromagnetismo.
En la época de Maxwell, se conocía la luz visible, la radiación infrarroja y ultravioleta. Heinrich Hertz ya había descubierto las ondas de radio y había comprobado experimentalmente que tenían la misma velocidad que la luz visible.
Percepción Visual Humana
- Los conos son sensibles al color, mientras que los bastones perciben tonos de gris.
- Por cada 10 conos, 6 son sensibles al verde, 3 al rojo y uno al azul.
- La "mezcla" de color ocurre en el nervio óptico.
- Aproximadamente, un ojo humano cuenta con 6 millones de conos; en cambio, hay unos 125 millones de bastones.
- Los bastones generan claridad sin color y actúan en grupo. Se activan cuando hay poca luz.
- El sistema visual humano es más sensible al color verde.
- Nota: Se observan rangos de 400-650 para conos y 650-700 para bastones (posiblemente refiriéndose a densidad o sensibilidad en ciertas áreas, o longitudes de onda en nm, aunque la unidad no está especificada).
Fundamentos del Electromagnetismo: Las Leyes de Maxwell
Ley de Gauss para la Electricidad
Relaciona el flujo eléctrico neto con la carga eléctrica neta encerrada.
Ley de Gauss para el Magnetismo
Relaciona el flujo magnético neto con la carga magnética neta encerrada (que es siempre cero, indicando la ausencia de monopolos magnéticos).
Ley de Faraday
Relaciona el campo eléctrico inducido con un flujo magnético cambiante.
Ley de Ampere-Maxwell
Relaciona el campo magnético inducido con un flujo eléctrico cambiante y con la corriente eléctrica.
Ley de Lenz
La regla para determinar la dirección de la corriente inducida fue propuesta en 1834 por Heinrich F. Lenz (1804-1865). En un circuito conductor cerrado, la corriente inducida aparece en una dirección tal que esta se opone al cambio que la produce.
Características de la Onda Electromagnética Viajera
- Los campos E (eléctrico) y B (magnético) son siempre perpendiculares a la dirección de avance de la onda. Por lo tanto, la onda es una onda transversal.
- Los campos E y B son perpendiculares entre sí.
- El producto cruz E x B siempre indica la dirección de avance de la onda.
- Los campos siempre varían senoidalmente, igual que las ondas transversales estudiadas previamente. Tienen la misma frecuencia y están en fase (sincronismo) uno con el otro.
Transporte de Energía y el Vector de Poynting
Este concepto lleva el nombre en honor a John Henry Poynting (1852-1914).
La magnitud del vector de Poynting (S) está relacionada con la rapidez a la cual una onda transporta energía por unidad de área en cualquier instante.
Polarización de la Luz
La polarización describe la orientación de las oscilaciones del campo eléctrico de una onda electromagnética.
- En Inglaterra, las antenas VHF (muy alta frecuencia) están orientadas verticalmente, pero en EE. UU. lo están de manera horizontal.
- Esto se debe a la diferencia de oscilación de las ondas electromagnéticas producidas: en EE. UU. están polarizadas verticalmente y en Inglaterra, horizontalmente.
- Las ondas emitidas por una estación de televisión tienen la misma polarización, pero la luz de una bombilla eléctrica o la del sol está polarizada aleatoriamente o no polarizada.
Transformación de Luz No Polarizada a Polarizada
Podemos transformar la luz visible no polarizada en luz polarizada si la hacemos pasar por una hoja polarizante (polaroids o filtros polaroid, inventados en 1932).
Una hoja polarizante está hecha de ciertas moléculas largas incrustadas en plástico; se estira en su proceso para alinearlas. Cuando se hace pasar luz, las componentes del campo eléctrico, E, a lo largo de una dirección pasan por la hoja, mientras que las otras componentes son absorbidas por las moléculas.
Intensidad de la Luz Polarizada Transmitida
La componente de campo eléctrico, E, de la luz polarizada que se aproxima a una hoja polarizante, puede descomponerse en los elementos Ey y Ez. La componente Ez será absorbida.