energiaelectromagnetica: ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA

La energía electromagnética es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio que podemos atribuir a la presencia de un campo electromagnético, y que se expresará en función de las intensidades del campo magnético y campo eléctrico.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra,¹ por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor.

Radiación por partículas aceleradas[editar]

Una consecuencia importante de la electrodinámica clásica es que una partícula cargada en movimiento acelerado (rectilíneo, circular o de otro tipo) debe emitir ondas electromagnéticas siendo la potencia emitida proporcional al cuadrado de su aceleración, de hecho la fórmula de Larmor para la potencia emitida viene dada por:

$P = \frac{q^2 a^2}{6 \pi \varepsilon_0 c^3}$

Donde:

q\,

es la carga eléctrica de la partícula.

a\,

es la aceleración de la partícula.

\varepsilon_0\,

la permitividad eléctrica del vacío.

c\,

es la velocidad de la luz.

Un ejemplo de este fenómeno de emisión de radiación por parte de partículas cargadas es la radiación de sincrotrón.

DIFUSIÓN DE ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA

La energía electromagnética se propaga a través de espacio en forma de radiación que es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes. La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible,radiofrecuencia, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas.

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético. El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).

En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del empleo al que están destinadas como se observa en la tabla, además se debe considerar un tipo especial llamado microondas, que se sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30 centímetros a 1 milímetro, que tienen la capacidad de atravesar la ionosfera terrestre, permitiendo la comunicación satelital.

Clasificación de las ondas en telecomunicaciones

       Sigla           Rango               Denominación                             Empleó     
        VLF         10 kHz a 30 kHz       Muy baja frecuencia               Radio gran alcance
         LF         30 kHz a 300 kHz      Baja frecuencia                   Radio navegación
         MF        300 kHz a 3 MHz        Frecuencia media                  Radio de onda media
         HF          3 MHz a 30 MHz       Alta frecuencia                   Radio de onda corta
        VHF         30 MHz a 300 MHz      Muy alta frecuencia               TV, radio
        UHF        300 MHz a 3 GHz        Ultra alta frecuencia             TV, radar,  telefonía móvil
        SHF          3 GHz a 30 GHz       Super alta frecuencia             Radar
        EHF         30 GHz a 300 GHz      Extremadamente alta frecuencia    Radar

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.¹

La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamadaéter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

FENÓMENOS ASOCIADOS A LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Existen multitud de fenómenos físicos asociados con la radiación electromagnética que pueden ser estudiados de manera unificada, como la interacción de ondas electromagnéticas y partículas cargadas presentes en la materia. Entre estos fenómenos están por ejemplo la luz visible, el calor radiado, las ondas de radio y televisión o ciertos tipos de radioactividad por citar algunos de los fenómenos más destacados. Todos estos fenómenos consisten en la emisión de radiación electromagnética en diferentes rangos de frecuencias (o equivalentemente diferentes longitudes de onda), siendo el rango de frecuencia o longitud de onda el más usado para clasificar los diferentes tipos de radiación electromagnética. La ordenación de los diversos tipos de radiación electromagnética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético.

Interacción entre radiación electromagnética y conductores[editar]

Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.

De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética.

ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA EN MECÁNICA CUÁNTICA[EDITAR]

En teoría cuántica de campos postula que la energía de un estado del espacio-tiempo cuántico en el que existen campos eléctromagnéticos viene dada por un operador hamiltoniano que puede escribirse en términos de los operadores de campo cuánticos. La forma precisa del operador hamiltoniano se puede obtener a partir de la densidad lagrangiana clásica del campo.

Para un campo electromagnético la densidad lagrangiana viene dada en términos del tensor de campo electromagnético y de los campos eléctrico y magnético (en unidades cgs) por:

\mathcal{L}_0 = \frac{1}{4} F_{\mu\nu}F^{\mu\nu} = \frac{1}{2}\left(\mathbf{E}^2 - \mathbf{B}^2\right)

Cuantizando la anterior expresión mediante los procedimientos de cuantización canónica podemos obtener la expresión cuántica del operador hamiltoniano. En primer lugar es necesario escribir el tensor campo electromagnético en términos del potencial vector y entonces proceder a escribir el potencial vector en términos de operadores de creación y destrucción defotones, ese resultado lleva integrando para sobre todos los posibles valores del momento del fotón y sumando para las dos helicidades posibles del fotón a la expresión cuántica para el operador hamiltoniano:

\hat{H}_0 = \frac{1}{2} \int_V : \hat{\mathbf{E}}^2 + \hat{\mathbf{B}}^2 : \ dV = \frac{1}{2} \int_V :\dot{\hat{\mathbf{A}}}^2 + (\nabla \times \hat{\mathbf{A}} )^2: \ dV = \int_{\R^3} \omega_k \left( \sum_{\lambda=1}^2 \hat{\mathbf{a}}_{\mathbf{k}\lambda}^\dagger \hat{\mathbf{a}}_{\mathbf{k}\lambda}\right) dk_x dk_y dk_z

Donde la expresión dentro del sumatorio es precisamente el operador número que contabiliza el número de fotones con momento

\mathbf{k}

y helicidad λ. Se obtiene así el resultado de que la energía de campo electromagnético es proporcional al número de fotones y a la frecuencia de estos.

JUEVES, 10 DE JULIO DE 2014

La energía contenida en un campo electromagnético usando unidades c.g.s. viene dada por una suma de los cuadrados de los campos eléctrico y magnético:

(1a) $E_{em} = \frac{1}{8\pi} \int_{\R^3} \left(\mathbf{E}^2 +\mathbf{B}^2\right) \ dV$

En unidades del sistema internacional viene dado por:

(1b) $E_{em} = \frac{1}{2} \int_{\R^3} \left(\varepsilon_0\mathbf{E}^2 + \frac{\mathbf{B}^2}{\mu_0}\right) \ dV$

Puede probarse que, cuando las aceleraciones de las cargas son muy pequeñas, la cantidad anterior sumada a la energía cinética de las cargas se conserva, es decir, se satisface la relación:

$\frac{\partial}{\partial t} \left(E_{em} + E_{cin}\right) = 0$

Por tanto si se define una cantidad llamada

E_{tot} = E_{cin} + E_{em}

tenemos una ley de conservación de la energía en presencia de campos electromagnéticos.

PARA QUE SIRVE LA ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA

La energía electromagnética es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio que podemos atribuir a la presencia de un campo electromagnético, y que se expresará en función de las intensidades de campo magnético y campo eléctrico. En un punto del espacio la densidad de energía electromagnética depende de una suma de dos términos proporcionales al cuadrado de las intensidades de campo . También podríamos decir que es aquella energía que no viene acompañada de movimiento de materia y que se puede transmitir en el vació.

COMO USAMOS LA ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA

La electricidad debe ser convertida en otras formas de energía para que se pueda realizar un trabajo útil. Un ejemplo típico es la conversión que tiene lugar en una lavadora.

Aquí examinaremos las cuatro formas de conversión más habituales:

• En movimiento
• En calor y frío
• En luz
• En energía química
Y también veremos cómo se emplea para amplificar y procesar señales portadoras de información, en la gran rama de la electricidad aplicada que llamamos electrónica.