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ENERGIA TRANSPORTADA POR ONDAS
ELECTROMAGNETICAS
(VECTOR POYTING)
Yader Martínez Amaris 1,^ Oscar Bedoya 2,^ Wilson Fabián Ramírez Moreno^1
PROGRAMA DE TELECOMUNICACIONES, FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA^1 ;
PROGRAMA DE MECATRONICA, FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA^2 ;PROGRAMA DE
QUÍMICA, FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA, KILÓMETRO 1, VÍA A BUCARAMANGA,
PAMPLONA- COLOMBIA
1. INTRODUCCION
Electromagnético: Se dice de las radiaciones de fotones o partículas de diferentes energías que tienen en común su forma de transmisión ondulatoria y su velocidad de transmisión, que es la de la luz, variando su frecuencia (número de vibraciones por segundo). (^) (1)
¿Qué es una onda Electromagnética?
Fig. 1: Onda electromagnética.
Estas ondas no necesitan un medio material para propagarse ( fig. 1 ), pueden propagarse en el vacío, a una velocidad constante, muy alta ( 0000 km/s) pero no infinita.
Son un caso especial de ondas transversales debido a que no existe vibración de partículas sino que su campo magnético y eléctrico está perpendiculares a la dirección de propagación.
Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo que quizás esa estrella haya desaparecido ya. O enterarnos de un suceso que ocurre a miles de kilómetros prácticamente en el instante de producirse y surgen de la interacción entre electricidad y magnetismo como veremos más adelante. Son ejemplos de estas ondas: las ondas
RESUMEN: En el presente trabajo se mostrara lo relacionado con el transporte de energía de
las ondas electromagnéticas, así como los antecedentes, modelo matemático, y aplicaciones
de las mismas. También se dará una breve descripción sobre el vector Poyting, desarrollado
por John Henry y su relación con los campos eléctricos y magnéticos.
SUMMARY : In this paper will show what related to the transport of energy from
electromagnetic waves, as well as antecedents, mathematical model, and applications of
them. There will also be a brief description of the Poyting vector, developed by John Henry and
his relationship with the electric and magnetic fields.
de radio, de TV, microondas, radiación infrarroja, visible o ultravioleta; Rayos X y gamma (^) (2).
- ESTADO DEL ARTE
Poyting nació en 1852 en Mánchester, Inglaterra. Estudio física en la Universidad de Cambridge, donde fue alumno del escocés James Clerk Maxwell. Murió el 30 de marzo de 1914.
Los aportes de J. H. Poyting ( fig. 2 ) a la física se observan a partir del año 1884, cuando desarrolla la ley conservación de energía para los campos eléctricos y magnéticos (teorema de Poyting), observando que el vector flujo de energía, que transporta la onda electromagnética, depende solo de los campos. Este vector es llamado vector de Poyting ( figura 4 ) en su honor y es muy usado en la construcción de antenas. (^) (3).
Fig. 2: John Henry Poyting
En 1900, Max Planck afirmo que la radiación era emitida en forma de cuantos, paquetes de energía de frecuencia determinada, a la que Einstein llamo fotones. (^) (4)
3. ENERGÍA DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
La energía transportada en una onda electromagnética es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio que podemos atribuir a la presencia de un campo electromagnético ( fig. 3 ), y que se expresará en función del campo magnético y campo eléctrico y pueden transferir energía a objetos situados en su trayectoria. (^) (5)
Fig. 3: Energía transportada por las ondas
En una onda electromagnética, un campo magnético oscilante induce un campo eléctrico oscilante, el cual a su vez induce un campo magnético oscilante, y así sucesivamente, esta perturbación ocurre a la velocidad de la luz. (^) (5)
- MODELO MATEMÁTICO
La radiación electromagnética es expresada como un método de transferencia de energía a través de la frontera de un sistema. La rapidez de flujo de la energía en una onda electromagnética se representa mediante un vector 𝑺 ̅ , llamado vector de Poyting. Este vector está dado por la ecuación 1 y depende del tiempo. Su magnitud varía con el tiempo y alcanza un valor máximo en el mismo momento en que lo hacen las magnitudes de del campo 𝑬 ̅ y 𝑩̅.
Al comparar este resultado con la expresión para 𝒖𝑬, se tiene que:
𝜺𝟎𝑬𝟐^ =
Y así se comprueba la relación de la densidad de energía en función del campo B. Es decir, la densidad de energía asociada con el campo magnético de una onda electromagnética es igual a la densidad de energía asociada con el campo eléctrico. En consecuencia, en un volumen determinado la energía es compartida igualmente entre los dos campos. La densidad de energía total u es igual a la suma de las densidades de energía asociadas con los campos eléctrico y magnético. (5)
𝒖 = 𝒖𝑩 + 𝒖𝑬 = 𝜺𝟎𝑬𝟐^ =
Otra manera de calcular la energía total, es con relacionándola con la velocidad de la luz y el vector Poyting:
𝑺⃗⃗ = 𝝁𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 × 𝒄 (𝒆𝒄𝒖𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 𝟗)
- APLICACIONES
Microondas:
Las ondas microondas tienen muchas aplicaciones. Una de ellas es la de los hornos. Su funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación electromagnética de muy alta frecuencia tiene mucha energía, por lo que hay una transferencia de calor muy grande a los alimentos en poco tiempo.
Fig. 6: Ejemplo de ondas de microondas
Antenas:
La antena ( fig. 7) resulta ser el elemento que realmente emite radio es decir ondas electromagnéticas. La antena es un convertidor de energía eléctrica a radio pero paradójicamente la antena es un dispositivo de construcción muy sencilla, sin un funcionamiento mecánico dinámico comparado con la complejidad que tiene un transmisor. La base de una antena es un alambre o cable lineal con una longitud de ½ longitud de onda llamado un “Dipolo”. Toda antena es en su núcleo un dipolo al cual se le agrega componentes adicionales para mejorar su funcionamiento. El dipolo teórico es un alambre de ½ onda alimentado en el centro con energía de radiofrecuencia. Pero cómo puede un simple alambre convertirse en un radiador de campo electromagnético. Es más el dipolo desde el punto eléctrico aparece como un circuito abierto y no debería circular electricidad, por lo menos eso es lo que uno pudiera pensar desde el punto de corriente continua, pero cuando consideramos corrientes alternas de muy alta frecuencia el alambre del dipolo empieza a comportarse diferentes.(6)
Fig. 7: Ondas electromagnéticas en una antena
Paneles solares: La tierra que se encuentra cercana al sol recibe su energía y lo hace de distintas maneras, de modo que la atmósfera y magnetosfera filtran gran parte de la radiación solar nociva, pero dejan pasar las longitudes de onda
correspondiente a la luz visible y al infrarrojo, de modo que lo que más recibimos es luz y calor.
El proceso es que la luz, que llega en forma de fotones, impacta sobre una superficie construida principalmente por silicio (los paneles solares) y que emite electrones que -al ser capturados- producen una corriente eléctrica.
En la actualidad está experimentando con celdas fotovoltaicas de doble cara que – con la ayuda de superficies reflectantes- puedan duplicar la eficiencia ampliando la superficie expuesta a la luz solar. (^) (7)
Fig. 8: Ondas electromagnéticas en paneles solares
CONCLUSIONES
Las ondas electromagnéticas se muestran sumamente favorables para la comunicación. Son veloces, efectivas en el sentido que requieren de muy poca energía para enviarlas y recibirlas, y su conocimiento y dominio tiene que desarrollarse mucho antes que la técnica de lanzamiento de naves espaciales.
Se pudo comprender la aplicación y cómo actúan en el medio externo las ondas electromagnéticas como estas se reflejan en aparatos de uso doméstico y en general en la sociedad como la televisión, los celulares, las ondas de radio y muchos más que pueden hacer parte de nuestra vida cotidiana.}
Por medio de la ecuación del vector Poyting se pudo comprender cuál es la dirección, sentido y magnitud de la onda electromagnética.
Se analizó la historia de cómo incluyo el vector Poyting en las ondas electromagnéticas.
REFERENCIAS
1. Clínica universidad de Navarra, 2019 https://www.cun.es/diccionario- medico/terminos/electromagnetico Consultado el 19 de febrero de 2019 2. José Villasuso Gato; Ondas electromagnéticas, física interactiva; http://teleformacion.edu.aytolacoruna. es/FISICA/document/fisicaInteractiva/O ndasbachillerato/ondasEM/ondasEleMa g_indice.htm Consultado el 19 de febrero de 2019 3. SciElo, Jon Henry Poyting, biografía; http://www.scielo.org.mx/scielo.php?sc ript=sci_abstract&pid=S0187- 893X2011000400009&lng=es&nrm=iso Consultado el 19 de febrero de 2019 4. Física, Ondas y la Luz, Teoría de la Luz, Max Plank, https://www.fisic.ch/contenidos/ondas- y-la-luz/teor%C3%ADas-de-la-luz/ Consultado el 19 de febrero de 2019 5. Serwey, Raymond; Beichner J. Robert, física para ciencias e ingenierías, México, 2000, Cap. 34. https://www.fisic.ch/contenidos/onda s-y-la-luz/teor%C3%ADas-de-la-luz/ Consultado el 19 de febrero de 2019
