Ondas Electromagnéticas y Efecto Fotoeléctrico: Fundamentos Físicos
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Ondas Electromagnéticas
La luz es una onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas son ondas transversales y consisten en la propagación, sin necesidad de un medio material, de un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación.
Ecuaciones de Maxwell
Las ecuaciones de Maxwell son fundamentales para entender el comportamiento de los campos electromagnéticos:
- Primera ecuación: Ley de Gauss. El flujo a través de una superficie cerrada es proporcional a la carga encerrada.
- Segunda ecuación: Ley de Gauss para el magnetismo. Implica la no existencia de monopolos magnéticos, ya que la superficie es cerrada, y el número de líneas de campo que entran es el mismo de líneas que salen y el flujo es cero.
- Tercera ecuación: Ley de Faraday de la inducción electromagnética: Un campo magnético variable genera un campo eléctrico a su alrededor.
- Cuarta ecuación: Ley de Ampere. Un campo magnético puede ser producido por una corriente eléctrica o por un campo eléctrico variable.
Las ecuaciones de Maxwell predecían que una carga eléctrica acelerada debería irradiar energía en forma de ondas electromagnéticas. Este hecho terminó por convencer a los físicos de que la luz era una onda electromagnética.
Una carga q que acelera, produce un E variable por lo que se inducirá un B también variable en fase con el primero y perpendicular a él. Por tanto, una q acelerada irradia energía en forma de ondas electromagnéticas.
Características de las ondas electromagnéticas:
- Son originadas por cargas eléctricas aceleradas.
- No necesitan un medio material para propagarse (vacío).
- Los vectores E y B varían sinusoidalmente con el tiempo y la posición, descritos por ondas armónicas:
E = Eo sen(ωt – kx)
B = Bo sen(ωt – kx)
Los módulos están relacionados: E = c B
Su velocidad en el vacío es 3 x 108 m/s, pero en otros medios la velocidad es menor: c = vλ
Todas las ondas electromagnéticas forman el espectro electromagnético.
El índice de refracción, n, de un medio transparente es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío, c, y la velocidad de la luz en el medio, v. Como c > v, los índices de refracción siempre son mayores que 1.
Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones de cierta energía al incidir luz de una determinada frecuencia sobre una superficie metálica.
A partir de la Hipótesis de Planck (E = hν), Einstein propuso que la luz está formada por pequeños corpúsculos o fotones, cada uno con una energía. Esto llevó a la comprensión de la doble naturaleza corpuscular y ondulatoria de la luz. La luz se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta fenómenos ondulatorios, pero también presenta un comportamiento como partícula en su interacción con la materia.
La luz se puede propagar como onda o partícula que se comportan como ondas. Es decir, toda partícula puede considerarse asociada a una onda.
Donde P = mv (cantidad de movimiento) y h es la constante de Planck.
Polarización de la luz
La polarización de la luz se produce cuando se consigue que la vibración se realice en una dirección determinada.