¿Los componentes eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética realmente se generan mutuamente?

Como dices, un campo magnético cambiante siempre está asociado con un campo eléctrico cambiante y, de hecho, en relatividad finalmente se revela que son el mismo campo. Entonces, en este nivel, no se puede decir que un campo genera el otro, ya que son simplemente dos aspectos del mismo objeto.

Pero tal vez aún desee verlo desde la perspectiva de "EM ingenuo", y ver qué sentido podría tener la afirmación de que un campo genera el otro.

Ahora, si miras los campos de una onda plana en un punto fijo en el espacio, verás que oscilan en sincronía, y ambos alcanzan el máximo y$0$intensidad al mismo tiempo. De hecho lo que se podría decir es que aumentando$E$campo está tratando de reducir la$B$campo y el aumento$B$campo está tratando de reducir la$E$campo. Podrías seguir las ecuaciones apropiadas y verás que esto es análogo a las ecuaciones de una membrana vibrante.

Pero el punto es que, de hecho, los campos intentan reducirse mutuamente en lugar de generar. De hecho, lo hacen tan bien que hay un exceso y el ciclo se repite. Esta dinámica hace que la energía fluya a través de ese punto del espacio hacia los campos del espacio vecino. De hecho, en algunos momentos no hay campo EM en ese punto, lo que significa que no hay energía en ese campo.

Supongo que la mejor descripción sería que una carga en movimiento genera una perturbación en el campo electromagnético, en el sentido de que hay una transferencia de energía de su energía cinética a la energía EM. Esta perturbación que se propaga a través del espacio y el tiempo.

¿Los componentes eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética realmente se generan mutuamente?

No, no lo hacen. Como dijo Andrea, son dos "aspectos" de una misma cosa. Y como dijiste, es una onda electromagnética. Consulte el artículo de wiki sobre radiación electromagnética donde puede leer que "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, lo que da el otro campo, es de primer orden en el tiempo" . Una es la derivada espacial, la otra es la derivada temporal. Si fuera una ola de agua y estuvieras en una canoa, la inclinación de tu canoa es E y la tasa de cambio de inclinación es B.

Con frecuencia, cuando se enseñan las ondas EM, se dice que el cambio en el campo eléctrico provoca un cambio en el campo magnético, que luego provoca un cambio en el campo eléctrico, y así sucesivamente .

Sí, y las personas que dicen esto tienden a decir que es por eso que las ondas electromagnéticas no necesitan un medio. Pero necesitan un medio. El espacio es el medio. No es un medio como el agua o la tierra, pero no es nada. Vea LIGO y tenga en cuenta que están tratando de detectar un cambio de longitud en los brazos del interferómetro. Eso es esencialmente ondas espaciales. También vea esto donde Robert B Laughlin habla sobre el vacío cuántico y compara el espacio con el vidrio de una ventana en lugar del vacío newtoniano.

y es esta carga la que crea tanto el campo eléctrico como el magnético.

En mi humilde opinión, debe evitar cargar por ahora y ceñirse a las ondas electromagnéticas.

¿Es real el concepto de "generación mutua" entre los componentes eléctricos y magnéticos de una onda EM?

No, no lo es. Consulta este artículo de Wikipedia sobre 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 su fuentes comunes: cargas y corrientes eléctricas variables en el tiempo".

Esta onda polarizada plana de wikipedia puede ayudar

Las ondas electromagnéticas se pueden imaginar como una onda oscilante transversal autopropagante de campos eléctricos y magnéticos. Esta animación 3D muestra una onda plana polarizada linealmente que se propaga de izquierda a derecha. Tenga en cuenta que los campos eléctrico y magnético en tal onda están en fase entre sí, alcanzando mínimos y máximos juntos.

Está trazando las funciones matemáticas , soluciones de las ecuaciones de Maxwell, que describen una onda que se propaga.

$$\text{electric field}: E = E_m\sin(kx - \omega t) \\\\\\\ \text{magnetic field}: B = B_m \sin(kx - \omega t)$$

Para ser consistentes con las ecuaciones de Maxwell, estas soluciones deben estar relacionadas por

$$\frac{E_m}{B_m} = c$$

$E$y$B$son perpendiculares entre sí y en sincronía creciente y decreciente a medida que se propaga la onda. La declaración

el cambio en el campo eléctrico provoca un cambio en el campo magnético, que luego provoca un cambio en el campo eléctrico, y así sucesivamente

se refiere a este gráfico, donde los campos eléctricos y magnéticos aumentan y disminuyen en sincronía.

La aceleración de partículas cargadas genera ondas electromagnéticas y luego las ondas se vuelven independientes de la fuente del campo eléctrico que las generó y se propagan de acuerdo con las ecuaciones.

Este es el marco clásico.

En el marco de la mecánica cuántica, la onda está formada por una enorme cantidad de fotones generados por los electrones acelerados en la antena, pero esa es otra historia.

Las ecuaciones de Maxwell en el vacío son:

$$\nabla\cdot\mathbf{E} = 0$$ $$\nabla\cdot\mathbf{B} = 0$$ $$\nabla\times\mathbf{E} = -\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}$$ $$\nabla\times\mathbf{B} = \frac{1}{c^2}\frac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}$$ Son los dos últimos los que dan lugar a la interpretación de que un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico y viceversa. Pero siempre puede tomar el rizo de estas dos ecuaciones, usar las otras dos y obtener ecuaciones de onda simples y directas por separado para $\mathbf{E}$y $\mathbf{B}$: $$\nabla^2\mathbf{E} - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} = 0$$ $$\nabla^2\mathbf{B} - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2} = 0$$ Si bien estas ecuaciones de onda significan que $\mathbf{E}$y $\mathbf{B}$se propagan como ondas ordinarias, todavía están limitadas por las relaciones originales; no hemos hecho desaparecer mágicamente esa dependencia.

Entonces, si bien es correcto decir que los campos magnéticos y eléctricos cambiantes se generan mutuamente (simultáneamente), también es correcto decir que cada uno se propaga como una onda por derecho propio, pero está relacionado en todas partes con el otro por las ecuaciones originales de Maxwell. .

De hecho, cuando una carga se acelera, genera un campo eléctrico y magnético cambiante en su posición. Luego puede decir que ambos se propagan como ondas ordinarias, pero (repito) siempre están restringidos por las ecuaciones de Maxwell para ser interdependientes.

"un campo magnético cambiante no es generado por un campo eléctrico cambiante, sino que siempre está presente perpendicularmente a un campo eléctrico cambiante debido a las leyes del electromagnetismo".

Entonces... se debe pero no es causado por . ¿Cuál es la diferencia?

Respuesta corta: no es solo "una cosa", es una cosa correcta .

Esto se expresa mucho más claramente en la forma diferencial de las ecuaciones de Maxwell:

$$\nabla \times \mathbf{E} = - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}$$ $$\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \left( \mathbf{j} + \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}\right) \,.$$

Y aunque los campos magnéticos pueden ser causados ​​por campos eléctricos actuales o cambiantes, la luz viajará felizmente en regiones del espacio libres de carga, por lo que no hay dudas sobre qué término está en juego en las ondas electromagnéticas.

Jefimenko creía que los campos eléctricos y magnéticos que varían en el tiempo no se causan entre sí porque las ecuaciones de Maxwell solo dan la relación entre los campos en el mismo instante de tiempo. Dijo que la ecuación para el campo E no predice un valor futuro para el campo B, solo te dice cuál es el campo B si conoces el campo E. Esto es diferente al cálculo de los campos E y B a partir de posiciones y movimientos de carga anteriores usando las ecuaciones de campo retardadas que son evidentemente una relación causal.

Sin embargo, tomando la ecuación de Maxwell: -

$$\nabla\times\mathsf{E_{present}} = -\frac{\partial\mathsf{B_{present}}}{\partial t}$$

Vuelva a escribir la tasa de cambio de B como: -

$$\frac{B_{future}-B_{past}}{dt}$$

Sustituye esta expresión y reorganiza los términos en la ecuación de Maxwell para dar:

$$B_{future}= B_{past}-dt{(\nabla\times\mathsf{E_{present}}})$$

De manera similar, el uso de la ecuación de Maxwell para curl B da: -

$$E_{future}= E_{past}+c^2dt{(\nabla\times\mathsf{B_{present}}})$$

Escritas de esta manera, las dos ecuaciones de Maxwell ahora se ven como predictivas y causales. Esto no es solo un truco matemático, ya que existe una técnica de cálculo numérico, conocida como el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD), que al usar alternativamente cada ecuación en una secuencia de pasos de tiempo puede calcular exactamente cómo se propagarán los campos. No requiere ninguna información sobre las cargas o corrientes que produjeron los campos iniciales, solo la distribución inicial de los campos eléctricos y magnéticos. Un programa de computadora FDTD proporciona una buena demostración de cómo el campo eléctrico genera un campo magnético y el campo magnético genera un campo eléctrico.