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Ecuaciones de Maxwell y Ondas Electromagnéticas Física D Dr. Peter Iza

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Page 1: DocumentC3

Ecuaciones de Maxwelly

Ondas Electromagnéticas

Física D

Dr. Peter Iza

Page 2: DocumentC3

• Resumir las leyes del electromagnetismo en la forma de ecuaciones de Maxwell

OBJETIVOS

Page 3: DocumentC3

• Calcular la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío y en diferentes materiales

• Calcular el vector de Poynting.

OBJETIVOS

Page 4: DocumentC3

Programa– Ecuaciones de Maxwell y descubrimientos de Hertz

– Ondas electromagnéticas planas y rapidez de la luz

– Energía y cantidad de movimiento de las ondas electromagnéticas

– Presión de radiación– El espectro de las ondas electromagnéticas

Page 5: DocumentC3

Introducción

Las ecuaciones de Maxwell, propuestas porprimera vez por James Clerk Maxwell,reúnen las leyes experimentales de laelectricidad y el magnetismo.

Estas ecuaciones desempeñan en elelectromagnetismo un papel análogo, a lasleyes de Newton en la Mecánica.

Con estas ecuaciones Maxwell pudodemostrar la existencia de las ondaselectromagnéticas.

Page 6: DocumentC3

Estas ondas electromagnéticas son originadas porcargas eléctricas aceleradas y fueron producidaspor primera vez en el laboratorio por HeinrichHertz en 1887.

Page 7: DocumentC3
Page 8: DocumentC3

Ecuaciones de MaxwellLas ecuaciones de Maxwell son,

Maxwell-Ampère deLey

Faraday deLey

para Gauss deLey 0

para Gauss deLey

000

0

∫∫

∫∫

⋅+=⋅

⋅−=⋅

=⋅

=⋅

AEB

ABE

BAB

EAE

ddtdd

ddtdd

d

Qd dentro

εμμ

ε

il

l

Ley de Ampere

Modificación de Maxwell

Page 9: DocumentC3

Maxwell mostró que la velocidad de las ondaselectromagnéticas en el espacio vacío es

Esta velocidad coincidía aproximadamente con lavelocidad medida de la luz, con lo que Maxwellsupuso correctamente que la luz es una ondaelectromagnética.

m/s1031 8

00×≈

εμ=c

Page 10: DocumentC3

Fuentes de radiación de ondas EM

• Antenas• Cables de tendido eléctrico• Celulares• Microondas• Tormentas• Radiación de calor (infrarrojo)• Etc.

Page 11: DocumentC3

Ondas electromagnéticasLas ondas electromagnéticas se presentan cuando:

• Se aceleran las cargas eléctricas

• Cuando los electrones ligados a átomos y moléculasverifican transiciones a estados de menor energía

Page 12: DocumentC3

Teoría de MaxwellLas cargas en movimiento (o una corriente eléctrica)

inducen un campo magnético B.

R

Inductancia L

lB

Solenoide

0NIB μ=

l

La corriente I induce el campo B

B I

Ley de Lenz

xx

xxxx

B

Page 13: DocumentC3

Producción de una onda eléctricaConsidere dos barras metálicas conectadas a una fuente

CA con corriente y voltaje sinusoidales.

+

-

-

+

+

-

Las flechas muestran vectores de campo (E)

Onda E

Ondas E sinusoidales transversales verticales.

-

+

Page 14: DocumentC3

Generación de una onda magnética

Las flechas muestran vectores de campo magnético (B)

Onda B

Generación de una onda magnética debido a una corriente CA oscilatoria.

Ir

+

‐B

Ir

B

+

Ir

+

‐B

I+

Ondas B sinusoidales transversales horizontales

Page 15: DocumentC3

Ondas electromagnéticas• Los campos E y B de la onda EM son perpendicularesentre sí.

• Ambos son perpendiculares a la dirección depropagación de la onda (onda transversal).

• Las magnitudes de E y B están en fase y se relacionanpor la expresión

Campo

eléctrico

Campo

magnético

Dirección de propagación

cBE = Onda EM en el vacío

Page 16: DocumentC3

Ondas electromagnéticas

Antena dipolar emisora

Antenas receptoras

Page 17: DocumentC3

Espectro de ondas electromagnéticas.fc λ=

Page 18: DocumentC3

Espectro de ondas electromagnéticas.

fc λ=

Page 19: DocumentC3

Para una ondaelectromagnética que sepropaga en el aire, determinesu frecuencia si tiene unalongitud de onda de a) 5.0 km;b) 5.0 m; c) 5.0 μm; d) 5.0 nm.

Page 20: DocumentC3

Una onda electromagnéticasinusoidal, que tiene un campomagnético de amplitud 1.25 mT ylongitud de onda de 432 nm,viaja en la dirección +x a travésdel espacio vacío. a) ¿Cuál es lafrecuencia de esta onda? b) ¿cuál es la magnitud del campoeléctrico asociado?

Page 21: DocumentC3

Para deducir la ecuación delas ondas electromagnéticasvamos a escribir lasecuaciones de Maxwell en suforma diferencial

o)t,r(E·

ερ

=∇rrr

0=∇ )t,r(B· rrr

t)t,r(B)t,r(E

∂∂

−=×∇rr

rrr

t)t,r(E)t,r(J)t,r(B ooo ∂

∂εμ+μ=×∇

rrrrrrr

Deducción de la ecuación de onda electromagnética

Page 22: DocumentC3

En este caso tomaremos el rotacional de la ley de Faraday, puestoque esto conecta con el rotacional del campo eléctrico lo que nospermite eliminarlo usando la ley de Ampère generalizada.

Para simplificar, vamos a tratar ondas electromagnéticas en elvacío, considerando el caso en el que no hay corrientes ( =0) nicargas (ρ=0). Con estas hipótesis las ecuaciones de Maxwellquedan como:

Jr

0=∇ )t,r(E· rrr (a)0=∇ )t,r(B· rrr (b)

t)t,r(B)t,r(E

∂∂

−=×∇rr

rrr (c)

t)t,r(E)t,r(B oo ∂

∂εμ=×∇

rrrrr

(d)

Page 23: DocumentC3

El término izquierdo de la ecuación (1), puede ser reordenado usando la siguiente identidad vectorial

A)A·(A 2∇−∇∇=×∇×∇rrrrrr

Calculando el rotacional de la ley de Faraday

tBE∂∂

×∇−=×∇×∇r

rrrr(1)

Y usando la propiedad conmutativa en el término de la derecha, podemos escribir finalmente

t)B(E)E·(

∂×∇∂

−=∇−∇∇rr

rrr 2 (2)

Sustituyendo las ecuaciones (a) y (d) en la (2), obtenemos

2

22

tEE oo

∂εμ=∇ (3)

Operando de forma análoga para el campo magnético

2

22

tBB oo

∂εμ=∇ (4)

Ecuación de onda EM en el 

vacío

Page 24: DocumentC3

)cos( tkxEE máx ω−= )cos( tkxBB máx ω−=

λπ

=2k

f2π=ω

cfk

=λ=ω

Ondas EM sinusoidales

Page 25: DocumentC3

)cos( ˆ),( tkxEjtxE máx ω−=

)cos( ˆ),( tkxBktxB máx ω−=

Ondas EM sinusoidalesvectoriales

máxmáx BcE =

Page 26: DocumentC3

El campo eléctrico de una onda EM sinusoidal obedece a la ecuación:

a) ¿Cuáles son las amplitudes de los campo eléctrico y magnético de esta onda?

b) ¿Cuáles son la frecuencia, la longitud de onda y el periodo de la onda? ¿Esta luz es visible para los humanos?

c) ¿Cuál es la rapidez de la onda?

])/1099.1()/1097.5[( )/375( 715 xmradtsradsenmVE ×+×−=

Page 27: DocumentC3

Ondas EM en la materia

mm KKc

KKv

1

11

00

===μεεμ

Dieléctricos

0 μμ

εε

M

o

KK

==

KKKnvc

m ≅==

K constante dieléctricaKM permeabilidad relativa

Page 28: DocumentC3

Una onda EM con frecuencia de 65 Hz.viaja en un material aislante que tiene

constante dieléctrica de 3.64 y permeabilidad relativa de 5.18 a esta

frecuencia. El campo eléctrico tiene una amplitud de 7.20ä10-3 V/m. a) ¿Cuál es la

rapidez de propagación de la onda? b) ¿Cuál es la longitud de onda de la onda?

c) ¿Cuál es la amplitud del campo magnético?

Page 29: DocumentC3

Energía y cantidad de movimiento transportadas en una onda EM

Como todas las ondas, las ondas EMtransportan energía y cantidad demovimiento.

La energía transportada se describe porla intensidad, es decir, la energía que porunidad de tiempo y unidad de área incidesobre una superficie perpendicular al áreade propagación.

Page 30: DocumentC3

La densidad energética total de la onda u es la suma delas densidades energéticas eléctrica y magnética. Estasvienen dadas por:

0

22

0 221

μ=ε=

BuEu me

Como E=cB, se tiene que,

( ) 202

0

2

0

2

0

2

21

222E

cEcEBum ε=μ

=

Por tanto las densidades energéticas eléctrica ymagnética son iguales.

Energía y cantidad de movimiento transportado en una OEM

Page 31: DocumentC3

La densidad energética total es

Entonces la intensidad instantánea, tambiéndenominada como módulo del vector de Poynting,viene dada por:

cEBBEuuu me00

22

0 μ=

μ=ε=+=

0μ==

EBucS

Energía y cantidad de movimiento transportado en una OEM

Page 32: DocumentC3

Y el vector de Poynting que apunta en ladirección de propagación de la energía es,

0μBESrr

r ×=

De este modo la intensidad es el valor medio dela intensidad instantánea,

0

2

0

2

0 222 μμμmáxmáxmáxmáx

medcB

cEBES ====I

Energía y cantidad de movimiento transportado en una OEM

Page 33: DocumentC3

Flujo de cantidad de movimiento EM y presión de radiación

Las OEM llevan una cantidad de movimiento pcon una densidad de cantidad de movimientocorrespondiente de magnitud

220

cS

cBE

dVdp

==μ

cBE

cS

dtdp

A 1

0μ==

Tasa de flujo de la cantidad de movimientoelectromagnética:

dtcAdV =

Page 34: DocumentC3

Flujo de cantidad de movimiento EM y presión de radiación

AFP =

cI

cSP med

rad ==

dtdpF =

cBE

cS

dtdp

A 1

0μ==

presión de radiaciónuna onda absorbida totalmente

A

Presión de radiación Área

Fuerza

Page 35: DocumentC3

Flujo de cantidad de movimiento EM y presión de radiación

cI

cSP med

rad ==

Si la onda se refleja por completo , el cambio en la cantidad de movimiento es dos

veces más grande , y la presión es

cIPrad

2=

Page 36: DocumentC3

El radiómetroUn radiómetro es un dispositivo que

demuestra la existencia de la presión de radiación:

Un lado de los paneles es negro (totalmente absorbente) y el otro blanco (totalmente

reflectora). Los paneles giran bajo la luz debido

a las diferencias de presión. Radiómetro

Page 37: DocumentC3

Considere cada una de las siguientesorientaciones de los campos eléctricos ymagnéticos. En cada caso indique cuál es ladirección de propagación de la onda,

a)b)c)d)

jBBiEE ˆ,ˆ −==rr

iBBjEE ˆ , ˆ ==rr

iBBkEE ˆ,ˆ −=−=rr

kBBiEE ˆ,ˆ −==rr

Page 38: DocumentC3

Una onda EM sinusoidal de una estaciónde radio pasa en forma perpendicular através de una ventana abierta con áreade 0.500 m2. En la ventana, el campoeléctrico de la onda tiene una valor rms(eficaz) de 0.0200 V/m. ¿Cuánta energíatransporta esta onda a través de laventana durante un comercial de 30.0 s?

Page 39: DocumentC3

Un rayo láser pequeño de helio-neónemite luz roja visible con potencia de3.20 mW en un rayo cuyo diámetro es de2.50 mm. a) ¿Cuáles son las amplitudesde los campos eléctrico y magnético dela luz? b) ¿Cuáles son las densidades deenergía medias asociadas con el campoeléctrico y con el campo magnético? c)¿Cuál es la energía total contenida en untramo del haz de 1.00m de longitud?