Naturaleza de las ondas electromagnéticas

Question

Sabemos que la luz es una onda electromagnética. También lo es una onda de radiofrecuencia. Por lo que tengo entendido, la onda de frecuencia eléctrica de 50 Hz de nuestro suministro de 230 V en casa (60 Hz y un voltaje menor en países distintos de la India) también es una onda electromagnética. Pero esta onda de frecuencia eléctrica necesita un medio para desplazarse. No viaja en el espacio libre. Pero la luz y las ondas de radio pueden viajar en el espacio libre. ¿O es incorrecta mi suposición de que la onda de 50 Hz/60 Hz es electromagnética? Por favor, ayuda....

Answer 1

Estás mezclando dos fenómenos (relacionados): Ondas EM y corrientes en un conductor, supongo que porque ambos "tienen una frecuencia".

EM ondas (es decir, perturbaciones de los campos EM que pueden viajar en el espacio) pueden ser generadas por corrientes variables en el tiempo que fluyen en los conductores, mientras que las ondas EM que chocan contra los conductores pueden inducir corrientes en ellos. Ésa es la relación entre ambos fenómenos. La frecuencia de la onda EM generada es la misma que la de la corriente y viceversa.

Este es el panorama general, en términos cualitativos. El hecho de que, en un caso dado, la generación de ondas EM sea despreciable o no depende del problema específico de que se trate, y lo mismo ocurre con el hecho de que se induzca o no una corriente no despreciable en un conductor alcanzado por una onda EM.

Como regla general, la emisión radiada por un hilo conductor adquiere relevancia cuando su longitud se aproxima a la longitud de onda de la onda radiada, que depende de la frecuencia de la señal eléctrica. La relación entre la longitud de onda \$\lambda\$ y frecuencia f en el vacío es:

\begin{align*} \lambda=\dfrac{c}{f} \end{align*}

donde c es la velocidad de la luz \$\approx 3\times 10^8 m/s\$ .

Por lo tanto \$f=50\$ Hz de corriente produciría una onda EM con una longitud de onda

\$\lambda=\dfrac{3\times10^8\, m/s}{50\, Hz} = 6\times 10^6 m = 6000\, km\$ .

Por lo tanto, se necesitaría un cable de ese tamaño (¡6000 km!) para que la radiación de ondas EM a esa frecuencia no fuera insignificante.

Answer 2

Las ondas electromagnéticas son generadas por corrientes y tensiones oscilantes y pueden inducir corrientes y tensiones oscilantes. La longitud de onda desempeña un papel muy importante en el comportamiento de una onda electromagnética. La luz tiene una frecuencia extremadamente alta (muchos THz) y, en consecuencia, una longitud de onda extremadamente corta (alrededor de 1 um). Por lo general, la luz interactúa más con los electrones de los átomos y las moléculas que con los electrones de los cables debido a su corta longitud de onda. Las ondas de radio tienen una longitud de onda más razonable, de unos metros a unos centímetros o incluso milímetros. Las antenas para transmitir y recibir estas frecuencias tienen aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda. Las ondas electromagnéticas oscilantes arrastran electrones y producen corrientes oscilantes en los conductores que encuentran, y esto es más eficaz cuando el conductor tiene aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda. Las frecuencias muy bajas (inferiores a 100 Hz) tienen longitudes de onda extremadamente largas, del orden de km. Se necesita un cable muy, muy largo para actuar como antena a estas frecuencias. Sin embargo, todavía es posible utilizar energía electromagnética con una longitud de onda tan larga, sólo que no se puede transmitir de forma inalámbrica. Cuando los cables son mucho más cortos que la longitud de onda, se obtienen campos eléctricos y magnéticos oscilantes, pero no se pueden irradiar porque se anulan mutuamente a larga distancia.

Answer 3

Hay un campo EM alrededor de cualquier circuito eléctrico, incluso un circuito DC. El campo eléctrico apunta de altas tensiones a bajas tensiones, y el campo magnético circula alrededor de las corrientes. No irradian a bajas frecuencias sin una gran antena, pero transfieren potencia. Esta página web tiene algunas buenas fotos. Aquí hay una que muestra los campos eléctricos y magnéticos:

Aquí está otra explicación con una vista lateral. Las flechas muestran la dirección del flujo de energía. (La dirección viene dada por el producto cruzado de los campos eléctrico y magnético, por si te sirve de ayuda).

Entonces, ¿por qué este circuito no irradia bien a bajas frecuencias? Porque los cables están demasiado juntos. Veamos el campo magnético alrededor de un circuito de CC. Aquí está otra imagen que muestra la dirección del campo alrededor de los hilos conductores de corriente. Nuestros cables tienen corrientes que fluyen en direcciones opuestas, como el par de la derecha.

Aquí está una vista de arriba abajo:

Los hilos producen campos magnéticos que giran en direcciones opuestas. Entre los hilos, los campos apuntan en la misma dirección. Fuera de los hilos, los campos apuntan en direcciones opuestas. Por tanto, fuera de los hilos, los campos (casi) se anulan. Esto ocurre porque la corriente es constante en todo el circuito. A bajas frecuencias (longitudes de onda largas), esto es aproximadamente correcto.

A frecuencias más altas (longitudes de onda más cortas), las distintas partes del circuito tienen corrientes diferentes. Esto se debe a que los cambios de tensión y corriente viajan a la velocidad de la luz. Si el circuito es lo suficientemente grande o la longitud de onda lo suficientemente pequeña, ambos hilos pueden tener corriente fluyendo en la misma dirección, lo que significa que ya no se cancelan.

La longitud de onda de una señal eléctrica viene dada por:

$$\lambda = \frac c f$$

donde \$c\$ es la velocidad de la luz y \$f\$ es la frecuencia de la señal. Para una onda sinusoidal de 60 Hz, la longitud de onda es:

$$\lambda_{60 Hz} = \frac {3 \times 10^8 \mathrm{\frac m s}} {60 \mathrm{Hz}} \approx 5000 \mathrm km$$

Así que a menos que tenga un muy corriente grande o un muy antena grande, no vas a irradiar mucha potencia a 60 Hz.

Answer 4

Una onda EM que se propaga tiene el campo magnético (campo H) en fase "temporal" con su campo E y la relación entre E y H tiene que coincidir ampliamente con la impedancia del espacio libre (aproximadamente 377 ohmios). El campo magnético también está mecánicamente en ángulo recto con el campo eléctrico.

Esta disposición de los campos E y H se propaga de forma natural por el espacio libre y se denomina onda de radio.

Una antena crea un campo eléctrico y un campo magnético y, aunque los componentes E y H del campo cercano no se corresponden con la descripción anterior de una onda EM, a cierta distancia (normalmente alrededor de 1 longitud de onda), esos campos se combinan para formar una onda EM propiamente dicha, como se ha indicado anteriormente.

Esto no ocurre con los cables de transmisión de energía.

Answer 5

La energía de 50 Hz suministrada a su hogar es una corriente eléctrica (en un cable), y no una onda electromagnética. Hay ondas electromagnéticas alrededor de las líneas eléctricas porque las corrientes eléctricas generan un campo magnético, pero éstas son meramente un artefacto de la transmisión de energía. Estas ondas son bastante débiles y no tienen nada que ver con la transmisión de corrientes eléctricas a través de los cables hasta tu casa.