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Ondas Electromagnéticas para física
Tipologia: Notas de estudo
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¿Qué son ondas? En física, se utiliza la palabra “onda” para designar la trasmisión de energía sin desplazamiento de materia. Se trata de una perturbación o agitación que se desplaza en un ambiente determinado y que, después de pasar, lo deja en su estado inicial. Este mecanismo cubre una amplia gama de situaciones: Desde las ondas en la superficie de un líquido hasta la luz, que es en sí un tipo de onda. El transporte de energía sin materia es un fenómeno físico común. Imaginemos un estanque en un día soleado y sin viento. La superficie del agua está perfectamente lisa. Ahora imaginemos que alguien lanza una piedra: En el punto de impacto, vemos aparecer inmediatamente ondulaciones que parecen alejarse del centro en círculos concéntricos. Al cabo de algunos instantes, el estanque está nuevamente liso e inmóvil. Propiedades básicas de las ondas: amplitud, longitud de onda y frecuencia Una onda tiene un valle (punto más bajo) y una cresta (punto más alto). La distancia vertical entre la punta de la cresta y el eje central de la onda se conoce como amplitud. Esta es la propiedad asociada con el brillo, o intensidad, de la onda. La distancia horizontal entre una cresta y un valle consecutivo de la onda se conoce como longitud de onda. La cantidad de la onda conocida como frecuencia describe el número de longitudes de onda completas que pasan por un punto dado del espacio en un segundo. La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales; es decir, mientras más corta sea la longitud de onda, más alta será la frecuencia, y viceversa. Esta relación está dada por la siguiente ecuación:
donde lambda es la longitud de onda en metros y “v” (la letra griega “nu”) es la frecuencia en
ecuación nos quiere decir que: toda la radiación electromagnética, sin importar su longitud de onda o frecuencia, viaja a la velocidad de la luz. PARTES DE UNA ONDA Una onda se compone de las siguientes partes: Cresta. Es el punto máximo en la ondulación. Valle. Es el punto más bajo de una onda (lo contrario de la cresta). Período. Es el tiempo que demora la onda en ir desde una cresta hasta la siguiente, o sea, en repetirse. Se representa con la letra T. Amplitud. Representa la variación máxima del desplazamiento, la distancia vertical entre la cresta y el punto medio de la onda. Se representa con la letra A.
Frecuencia. Es el número de veces que la onda se repite en una unidad determinada de tiempo, razón por la cual se calcula según la fórmula f = 1/T. Se representa con la letra f. Longitud de onda. Es la distancia entre dos crestas consecutivas de la ondulación. Se representa con el símbolo λ (lamda). Ciclo. Es la ondulación completa, de principio a fin. TIPOS DE ONDA Existen varios criterios para clasificar las ondas. Basándonos en las direcciones en las que se propagan se pueden distinguir ondas unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales. Ejemplos respectivos de ellas son: una onda en una cuerda, en la superficie de un lago y ondas electromagnéticas en el espacio. Según la dirección en la que se propaga la energía se clasifican en: Ondas transversales: se caracterizan porque la dirección de propagación de la energía es perpendicular a la dirección en la que oscilan las partículas del medio material por el que se propagan. Las ondas electromagnéticas son consideradas transversales, aunque no se propaguen a través de un medio material, porque los campos eléctrico y magnético que las constituyen son perpendiculares entre sí y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación. Ondas longitudinales: en ellas la dirección de propagación coincide con la dirección en la que oscilan las partículas del medio por el que se propaga. El sonido es una onda longitudinal. PROPAGACION DE UN PULSO Para explicar cómo se representa matemáticamente una onda vamos a empezar por un caso sencillo: una perturbación aislada que se propaga en una dimensión. Supongamos por ejemplo una cuerda unida a una pared por un extremo, por el otro se le aplica una sacudida generándose un pulso que se transmite a lo largo de la cuerda. El desplazamiento de las partículas de la cuerda es vertical, variando su coordenada y mientras que el pulso (la energía) se desplaza de forma horizontal (según la coordenada x): es un pulso transversal. La velocidad con la que se transmite la onda (v) se calcula entonces a partir de la derivada de la coordenada x. La función matemática que describe esta perturbación (llamada función de onda) debe dar el desplazamiento en el eje y en función del tiempo t para cada coordenada x de la cuerda. Se puede demostrar que, según el sentido de propagación de la onda, la función de onda es del tipo: