¿Cómo se propagan las ondas EM?

¿Se están moviendo realmente los campos EM?

Clásicamente, las ondas electromagnéticas propagan perturbaciones en los campos eléctricos y magnéticos.

Recuerde, el campo eléctrico de una carga puntual se extiende hasta el infinito . No se detiene simplemente en alguna parte.

Cuando la carga puntual se acelera brevemente, una perturbación en el campo (y el campo magnético asociado) se propaga con una velocidad c alejándose de la carga puntual.

La perturbación seguirá propagándose incluso después de que la carga puntual haya dejado de acelerar; la perturbación tiene "vida propia".

Hay un buen applet para visualizar esto aquí :

Pero tenga en cuenta que, en última instancia, debemos entender la radiación electromagnética en términos de fotones y eso requiere la teoría cuántica de campos.

Entonces, las ondas EM son solo cambios en los campos eléctricos que parecen propagarse a lo largo del espacio.

Como escribí anteriormente: las ondas electromagnéticas propagan perturbaciones en los campos eléctricos y magnéticos . Ahora, ¿cómo y por qué sucede eso?

Pero he visto a personas en este sitio decir que sucede debido a la inducción continua de campos eléctricos y magnéticos. ¿Cómo puedo relacionar ambos?

Piense cuidadosamente en lo que escribí anteriormente: la perturbación tiene "vida propia" y piense en cómo podría ser eso.

La respuesta a sus preguntas requiere que comprenda cómo se generan las ondas EM. Imagina un electrón que no se mueve y está estacionario. De acuerdo con la ley de Coulomb, este electrón produce un campo. El campo será estático y no cambiará mientras el electrón no se mueva.

Imagina ahora que comienzas a vibrar el electrón de forma sinusoidal. ¿Qué va a pasar con el campo? El campo se cambiará de una manera que se ajuste al movimiento que le estás haciendo al electrón. Básicamente, este cambio en el campo es una onda EM, que viaja a la velocidad de la luz.

Así que sí, el cambio del campo EM se mueve, como te ha dicho el libro.

Una linda simulación está disponible en este sitio web (el enlace cambió porque el primero no funciona):

https://www.youtube.com/watch?v=DOBNo654pwQ

Espero que esto ayude.

La propagación se define como el movimiento de las ondas a través del medio definido dentro de los límites de la naturaleza de las ondas. La velocidad de propagación varía según las diversas características del medio y las ondas. Por ejemplo, la onda electromagnética, el mecanismo de propagación implica la generación mutua de campos eléctricos y magnéticos que varían periódicamente y es mucho más difícil de entender que el sonido.

La velocidad de propagación de onda de un medio de transmisión es la velocidad a la que pasa un frente de onda a través del medio, en relación con la velocidad de la luz. Para señales ópticas, el factor de velocidad es el recíproco del índice de refracción.

El tiempo T de una onda es el tiempo que transcurre entre la llegada de dos crestas (o valles) consecutivos en un lugar determinado X. Esta definición es idéntica a la afirmación de que el período es el tiempo que tarda la vibración en X en completar una onda completa. ciclo de cresta a valle a cresta. El periodo de una onda se da en segundos.

Fuente

¿Se están moviendo realmente los campos EM? Mis libros de texto dicen que son los cambios en el campo los que se están moviendo. No entiendo esta parte.

En tu publicación, mencionas una cuerda que se tambalea. Bueno, cada fragmento de esa cuerda no se mueve a lo largo de la cuerda. Simplemente se tambalean donde están, sin avanzar. Pero los bamboleos mismos avanzan.

Asimismo, el campo eléctrico y el magnético no se mueven por sí mismos. Pero cada punto de un campo cambia de estado y esos cambios se propagan.

Dicho esto, la representación de una onda EM como una cuerda tambaleante es intrínsecamente incorrecta .

La imagen de la cuerda tambaleante no es una representación de una onda de radio en sí misma. Es un gráfico donde el eje X es la distancia (en la dirección de propagación de la onda) y el eje Y es la "fuerza" (o "tensión") del campo en cada punto de esa distancia.

Después de investigar más a fondo este asunto, leer las respuestas en este sitio (específicamente de dmckee y CuriousOne, ¡gracias!) y pensar mucho, descubrí que:

• En casi todos los gráficos, uno de los ejes es el tiempo. Pero el gráfico de la cuerda tambaleante es una excepción, no demuestra el tiempo. Para demostrar el tiempo, esos gráficos están animados.
• A veces, se agrega el eje Z. Y y Z significan lo mismo: "fuerza", pero uno es para el campo magnético y el otro para el campo eléctrico.
• Los campos no se tambalean. Es solo que cada punto del campo cambia su estado. Cada punto del campo es un vector. Esto significa que el estado de cada punto consta de dos valores: una "fuerza" y una dirección. Cada punto de un campo es siempre estacionario, pero cada uno está asociado con una dirección y una "fuerza". Cuando una onda eléctrica o magnética se propaga a través de un campo, los puntos del campo cambian sus direcciones y "fuerzas" pero nunca dejan de moverse.
• La dirección de cada punto del campo siempre es perpendicular a la dirección de la onda que se propaga a través de esa región del campo.
• Las ondas eléctricas y magnéticas siempre viajan juntas y sus direcciones en todos los puntos son perpendiculares entre sí. En el gráfico tambaleante, los ejes Y y Z también son perpendiculares, pero eso es solo una coincidencia. Y y Z demuestran amplitud, la "fuerza" del campo en cada punto, pero el eje X demuestra distancia. ¡La distancia y la "fuerza" son cosas diferentes y no se corresponden! Es por eso que esas imágenes son gráficos, no ilustraciones de ondas en sí mismas.
• Las ondas electromagnéticas normalmente viajan en frentes, es decir, se propagan espacialmente como ondas de sonido o ondas de agua. Pero el gráfico no representa una onda espacial sino una sola línea recortada de una onda espacial. Eso es simplemente un experimento mental.
• Aunque es técnicamente posible emitir exactamente un fotón (un fotón es una sola unidad de onda), un fotón es una partícula cuántica . Cumple con las leyes cuánticas. Las leyes del mundo humano no se aplican a los fotones. Esto significa que no es correcto hablar de una "trayectoria" de un solo fotón. (No puedo entender esta afirmación, ¡ayúdenme a encontrar un modelo mental para ello! ¡SOS!) Esto significa que la ilustración de la cuerda tambaleante no demuestra una onda "única". Simplemente demuestra un fragmento 1D de una onda 3D.
• Cuando una onda electromagnética viaja como un frente, los fotones interactúan entre sí, forman un solo "objeto": una onda espacial. Esta onda, en términos generales, rebotaría en una malla metálica (una jaula de Faraday), aunque un solo fotón podría pasar fácilmente entre los cables de la malla.

Yo también tuve el mismo problema, así que comencé a construir una onda EM tal como lo hizo Maxwell. Para obtener una onda EM, combinó dos leyes simples.

1. Cuando un electrón se mueve con velocidad$v$, algún campo magnético estará asociado a su alrededor. Cuando se mueve un electrón, el campo eléctrico asociado con él también se mueve; esto da como resultado un cambio en el campo eléctrico en el espacio alrededor del electrón donde vemos el campo magnético.

   Aquí, el campo magnético se encuentra solo en el espacio donde se cambia el campo eléctrico y la fuerza del campo magnético en un punto depende de la fuerza del campo eléctrico cambiado.

2. De manera similar, el campo magnético cambiante produce un campo eléctrico solo en el espacio donde el campo magnético cambia y se limita a esa región. Aunque no hay límite para estos dos campos, despreciemos el campo débil lejos del electrón.

Ahora, supongamos que un electrón vibra en el espacio limitado por una esfera imaginaria (el campo eléctrico fuera de la esfera es insignificante). Tenemos un campo eléctrico y un campo magnético cambiantes dentro de la esfera. El cambio en el campo eléctrico produce un cambio en el campo magnético donde el campo eléctrico cambia y viceversa, pero la región fuera de la esfera no se ve afectada.

el producto cruz,$\hat i\times \hat j=\hat k$, la resultante está dirigida en$\hat k$dirección, pero no es suficiente decir que está procediendo en$\hat k$dirección solo dice que se dirigió en$\hat k$dirección.

¿Cómo se propagan las ondas EM?

Al igual que otras ondas se propagan. En mi humilde opinión, la mejor manera de apreciar esto es sacudir una alfombra de goma. Cuando haces esto, estiras una porción del tapete, y luego la elasticidad del material lo contrae de nuevo a su tamaño original, pero al hacerlo, la goma se estira aún más. Lo que entonces tiene es una onda de corte con velocidad v = √(G/ρ), donde G es el módulo de elasticidad de corte y ρ es la densidad. En electrodinámica la expresión es similar y se escribe como c = √(1/ε ₀ μ ₀ ) donde ε ₀ es la permitividad eléctrica y μ ₀ es la permeabilidad magnética.

Estos campos E producen campos H y el proceso continúa.

Puede leer que la luz no requiere un medio y se propaga porque las variaciones del campo E inducen la variación del campo B que induce la variación del campo E. Esto está mal, me temo. Lee esto :

Robert B. Laughlin, Premio Nobel de Física, titular de la cátedra de física de la Universidad de Stanford, dijo lo siguiente sobre el éter en la física teórica contemporánea: "Es irónico que el trabajo más creativo de Einstein, la teoría general de la relatividad, se reduzca a conceptualizar el espacio como un medio cuando su premisa original [en la relatividad especial] era que tal medio no existía [...] La palabra 'éter' tiene connotaciones extremadamente negativas en la física teórica debido a su asociación pasada con la oposición a la relatividad. Esto es desafortunado porque, despojado de estas connotaciones, captura bastante bien la forma en que la mayoría de los físicos piensan realmente sobre el vacío..."

¿Se están moviendo realmente los campos EM? Mis libros de texto dicen que son los cambios en el campo los que se están moviendo.

Tu libro de texto tiene razón. Cuando sacudes la alfombrilla de goma, la ola se aleja de ti a, digamos, 2 m/s, pero la alfombrilla de goma no. Todavía lo tienes.

¿Desaparecen o continúan con su movimiento?

Ellos continuaron. La alfombrilla de goma no se desinfla por completo en el instante en que dejas de temblar.

Pero he visto a personas en este sitio decir que sucede debido a la inducción continua de campos eléctricos y magnéticos. ¿Cómo puedo relacionar ambos?

no puedes Ver Wikipedia :

"Además, los campos lejanos E y B en el espacio libre, que como soluciones de onda dependen principalmente de estas dos ecuaciones de Maxwell, están en fase entre sí. Esto está garantizado ya que la solución de onda genérica es de primer orden tanto en el espacio como en el tiempo, y el operador rotacional en un lado de estas ecuaciones da como resultado derivadas espaciales de primer orden de la solución de onda, mientras que la derivada temporal en el otro lado de las ecuaciones, que da el otro campo, es de primer orden en el tiempo" .

Necesitas leer sobre cuatro potenciales. Pero por ahora, piense en esa alfombrilla de goma e imagine que estamos viendo una parte de ella. No es plano, es curvo, y la pendiente de esta curva en algún punto es la derivada espacial E, mientras que la tasa de cambio de la pendiente es la derivada temporal B. Allí solo hay una onda, no dos. Una onda electromagnética . Echa un vistazo a las ecuaciones de Jefimenko :

"Existe una interpretación generalizada de las ecuaciones de Maxwell que indica que los campos eléctricos y magnéticos que varían espacialmente pueden hacer que el otro cambie con el tiempo, lo que da lugar a una onda electromagnética que se propaga (electromagnetismo). Sin embargo, las ecuaciones de Jefimenko muestran un punto de vista alternativo. Jefimenko dice: "... ni las ecuaciones de Maxwell ni sus soluciones indican la existencia de vínculos causales entre los campos eléctricos y magnéticos. Por lo tanto, debemos concluir que un campo electromagnético es una entidad dual que siempre tiene un componente eléctrico y magnético creado simultáneamente por sus fuentes comunes: cargas y corrientes eléctricas variables en el tiempo".

Editar:

Duh, ¡acabo de darme cuenta de que esta pregunta tiene dos años!