Ondas electromagnéticas: ¿Qué son y cómo entenderlas?

En el artículo de hoy, no solo te explicaremos qué son las ondas electromagnéticas, sino que también profundizaremos en sus componentes físicos. De este modo, podrás conocer las diferentes partes de una onda y comprender mejor los conceptos básicos que encontramos en nuestra vida cotidiana.

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Las ondas electromagnéticas son perturbaciones o variaciones periódicas de los campos eléctricos y magnéticos que se propagan a través del espacio. Estas ondas transportan energía de un lugar a otro sin necesidad de un medio material, lo que significa que pueden viajar a través del vacío, por eso las ondas de comunicaciones pueden viajar también a través del espacio.

Las ondas electromagnéticas están presentes en casi todos los aspectos de nuestra vida en múltiples formas. Desde la luz solar hasta internet. Son el pilar de la mayoría de aspectos tecnológicos, por eso son tan importantes.

• Cualquier transmisión de información por cable (como fibra óptica) o por aire (antenas de todo tipo) se hace a través de ondas electromagnéticas, por lo tanto internet, la telefonía o las comunicaciones satelitales son ondas electromagnéticas.

• Radio, TV, Wi-Fi, Bluetooth...

• Cualquier dispositivo que utilice rayos láser

• Rayos X, resonancias magnéticas, tomografías... Pero NO las ecografías, ya que estas son por ultrasonidos, y aunque es un tipo de onda, no es una onda electromagnética. Seguro que lo estabas pensando ahora mismo pero la respuesta es: NO, un ecógrafo no funciona en el espacio exterior.

• Microondas, vitrocerámicas de inducción

• Cualquier dispositivo que use diferentes espectros de luz (rayos X, gamma, microondas, infrarrojos, ultravioleta...)

• Cualquier tipo de radiación ionizante

• Radares

• Telescopios

• Placas solares

• Carga inalámbrica

La lista de aplicaciones es infinita, ya que están presentes en casi todo artículo tecnológico.

Cuando hablamos de ondas electromagnéticas, nos solemos referir a aquellas ondas electromágnéticas que se utilizan con un propósito, como los descritos anteriormente, pero yendo a la descripción física más precisa, es importante explicar que todo campo eléctrico variable tiene un campo magnético asociado, y viceversa.

Esto en la práctica indica que por ejemplo toda corriente eléctrica que varía genera un campo magnético (como la electricidad viajando por un cable), y que todo campo magnético que varía, genera un campo eléctrico (como un imán moviéndose dentro de un circuito.

Ejemplos:

• Una cable eléctrico de corriente alterna genera constantemente un campo magnético alrededor del cable. En este caso el campo magnético no tiene utilidad, pero existe y está ahí, por eso se llama corriente eléctrica aunque realmente es una corriente electromagnética.
• Un imán que movemos a través de una bobina de cable, genera un campo eléctrico con el que se puede encender una bombilla por ejemplo (ejercicio práctico habitual en las materías de física en las universidades). Como el principio aplica a campos en movimiento, la bombilla solo se encenderá mientras movemos el imán, y si este se queda quieto, la bombilla se apaga.

Estos principios están descritos en la Ley de Faraday-Lenz, que a su vez es una de las 4 ecuaciones de Maxwell que explican todo fenómeno electromagnético.

¿Qué son las ecuaciones de Maxwell?

Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de cuatro ecuaciones fundamentales que describen cómo los campos eléctricos y magnéticos interactúan entre sí y con la materia. Estas ecuaciones forman la base de la teoría clásica del electromagnetismo y son esenciales para entender fenómenos eléctricos, magnéticos, y ópticos.

Las ecuaciones de Maxwell unificaron los campos eléctrico y magnético en una sola teoría coherente y predijeron la existencia de ondas electromagnéticas (como la luz), que se propagan a la velocidad de la luz. Estas ecuaciones también demostraron que la luz es una onda electromagnética, revolucionando así nuestra comprensión de la naturaleza de la luz y sentando las bases para muchas tecnologías modernas.

La teoría sobre la naturaleza de la luz será materia de un artículo independiente en el futuro ya que es bastante extensa.

Originalmente eran 20 ecuaciones pero finalmente se resumieron en 4. Las ecuaciones de Maxwell están basadas en el trabajo de Gauss, Faraday, Lenz, Ampère y el propio Maxwell.

1. Ley de Gauss del campo eléctrico.

Esta ecuación establece que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga eléctrica total dentro de esa superficie. Es una forma matemática de expresar que las cargas eléctricas son las fuentes de los campos eléctricos. Esto significa en la práctica que el campo eléctrico diverge de las cargas positivas y converge hacia las cargas negativas.

2. Ley de Gauss del campo magnético

Esta ecuación indica que el flujo del campo magnético a través de cualquier superficie cerrada es cero. Esto implica que no existen monopolos magnéticos; es decir, las líneas de campo magnético son siempre cerradas, sin comienzo ni fin. Esto significa que el campo magnético no tiene fuentes ni sumideros, lo que significa que los polos magnéticos siempre vienen en pares (norte y sur) y que si se consiguiera aislar un polo magnético el campo magnético deja de existir.

Esta regla dice que no puedes tener un solo polo magnético. Los campos magnéticos siempre salen de un lado y entran en otro, como las líneas invisibles que unen los polos norte y sur de un imán. No importa si partes un imán en dos, automáticamente se reajusta para seguir teniendo 2 polos diferentes.

3. Ley de Faraday-Lenz de la inducción electromagnética

Esta ecuación describe cómo un campo magnético variable en el tiempo genera un campo eléctrico. Es la base del funcionamiento de transformadores y generadores eléctricos. Esto significa que un campo magnético cambiante induce un campo eléctrico y viceversa. 

Un ejemplo de esto son los cargadores inalámbricos, que generan un campo magnético en el cargador, que se recibe en el teléfono móvil, como todo campo magnético tiene un campo eléctrico asociado, se utiliza esta propiedad para extraer el campo eléctrico y cargar la batería con él.

4. Ley de Ampère-Maxwell

 Esta ecuación muestra que un campo magnético puede ser generado tanto por una corriente eléctrica como por un campo eléctrico variable en el tiempo. Maxwell añadió el término de desplazamiento para corregir la ley de Ampère, permitiendo que las ecuaciones sean consistentes incluso en el vacío.

Esta regla es importante para entender cómo funcionan cosas como los electroimanes. Cuando la electricidad pasa por un cable, crea un campo magnético que puede ser usado para levantar cosas pesadas.

¿Cómo se representan las ondas electromagnéticas?

Cuando representamos una onda electromagnética en un gráfico, representamos sus propiedades de forma que se pueden interpretar y utilizar para entender la onda o hacer cálculos necesarios para algún propósito.

Al representar la onda electromagnética, en el eje X (horizontal) siempre pondremos la componente temporal, y en el eje Y la amplitud (el voltaje) de la onda electromagnética.

Viendo la imagen, tenemos la representación de una onda electromagnética que va tomando en el tiempo valores entre 2 y -2.

Con esto ya podemos hablar de las componentes o partes de una onda.

Frecuencia y periodo: Estas componentes son inversas entre si, lo que significa que si tienes una tienes la otra. La frecuencia es el periodo elevado a -1 y viceversa. La onda se mide en Hercios (Hz) y el periodo en segundos (s).