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¿Cómo es que la física "recuerda" que hay una onda EM cuando $E, B = 0$ ?

No entiendo bien este tema pero intentaré explicar lo que quiero decir. En el caso de un péndulo u otros macroosciladores puedes calcular el "siguiente" estado a partir de la posición/ángulo y la velocidad/velocidad angular. Te dan la descripción completa del estado del oscilador. La posición y la velocidad están desfasadas - cuando el desplazamiento es mayor, la velocidad va a 0 y viceversa.

En las ondas EM, $E$ y $B$ están en fase y, si entiendo bien, cada una de ellas da lugar a la otra. ¿Qué sucede cuando ambos van a $0$ ? ¿Cómo podría la física "recordar" que hay una onda? ¿Existen algunas propiedades físicas como la "velocidad del campo eléctrico" o la "velocidad del campo magnético"?

7voto

Las ecuaciones de Maxwell no sólo contienen campos, sino también sus derivadas temporales y espaciales: por tanto, la dinámica.

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user1379857 Puntos 31

Un "estado" suele implicar la derivada del tiempo. Si usted un péndulo en la parte inferior de su oscilación, es decir $\theta = 0$ pero si tiene algo de impulso, entonces $\frac{d}{dt} \theta \neq 0$ y por lo tanto en el siguiente paso de tiempo $t + dt$ oscilará un poco más.

Ahora, para un campo escalar $\phi$ que satisface la ecuación de onda, puede ser $0$ en algún momento, pero puede tener algún derivado de la primera vez. Entonces el siguiente momento no será $0$ más. Esto es lo que ocurre en realidad en una onda estacionaria ( ver el gif aquí ). Hay momentos en los que la onda es $0$ en todas partes. Sin embargo, un $dt$ después no es $0$ más.

Con la $E$ y $B$ campos, sin embargo, hay una arruga adicional.

Las ecuaciones de Maxwell dicen \begin{align} \nabla \cdot E &= \rho / \epsilon_0 \\ \nabla \cdot B &= 0 \\ \nabla \times E &= - \frac{\partial}{\partial t} B \\ \nabla \times B &= \mu_0 J + \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial}{\partial t} E. \end{align}

Digamos que estamos en el vacío así que $\rho = 0$ y $J = 0$ . Mira las ecuaciones tercera y cuarta. Si $E = 0$ entonces debemos tener $\frac{\partial}{\partial t} B = 0$ . Asimismo, si $B = 0$ , entonces debemos tener $\frac{\partial}{\partial t} E = 0$ . De forma equivalente, si $\frac{\partial}{\partial t} B \neq 0$ entonces debemos tener $E \neq 0$ y si $\frac{\partial}{\partial t} E \neq 0$ entonces debemos tener $B \neq 0$

Así, si uno de los $E$ o $B$ campos tiene una derivada temporal no nula, entonces el otro campo, $B$ o $E$ debe tener algún valor distinto de cero.

Si $E = 0$ y $B = 0$ en todas partes, entonces ni $E$ ni $B$ tiene una primera derivada temporal y por lo tanto se mantendrá $E = 0$ y $B = 0$ para siempre.

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Fernando Briano Puntos 3704

Este es un comentario largo:

Esto es lo que de la que estás hablando:

emwave

Las ondas electromagnéticas pueden imaginarse como una onda oscilante transversal autopropagada de campos eléctricos y magnéticos. Esta animación 3D muestra una onda plana linealmente polarizada que se propaga de izquierda a derecha. Los campos eléctricos y magnéticos de dicha onda están en fase entre sí, alcanzando juntos los mínimos y los máximos.

En la época del éter luminífero, antes de que el experimento de Michelson Morley la dejara en suspenso, la pregunta podía responderse de la misma manera que se respondería a una onda plana en el agua: la amplitud de la onda está relacionada con la energía de la misma, pero el cero de la amplitud no significa el cero de la energía, ya que ésta se transporta a través del medio.

Una vez que no hay medio para la onda electromagnética, hay que definir el transporte de energía de la onda, y esto se hace utilizando los valores medios del campo eléctrico o magnético de la onda, y el vector Poynting.

Una vez establecida la existencia de los fotones es obvio que la energía es transportada por los fotones, que construyen mecánicamente cuántica la forma matemática de los campos E y B (ver aquí por ejemplo)

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Roger Puntos 16

Hay al menos dos tipos de formas de ver los osciladores armónicos.

Una de ellas es considerar la posición y la velocidad como condiciones iniciales del oscilador, y la aceleración como cantidad dependiente, que viene determinada por la ecuación del movimiento (ecuación diferencial de segundo orden). Esta es la forma habitual de considerar un oscilador armónico mecánico.

La otra forma es considerar dos variables de estado independientes e igualmente importantes (espacio de fase), que son en cierto modo ortogonales entre sí (en una ecuación diferencial de primer orden). Un ejemplo fácil de esto es el movimiento centrípeto, por ejemplo, un peso fijado a cierta distancia de un punto central por un hilo.

Las dos vistas están relacionadas entre sí en el sentido de que la posición y la velocidad también podrían considerarse variables completamente independientes (que forman el espacio de fase).

Un oscilador armónico en el espacio de estado/fase (ecuación diferencial de primer orden, movimiento centrípeto) tiene la siguiente forma $$\dot {\vec r}=\frac{d}{dt}\left(x \atop y\right)=\left( \begin{array}{cc} 0 & -\omega \\ \omega & 0 \\ \end{array}\right) \left(x \atop y\right)=\vec\omega \times \vec r$$ (donde he asumido que $\vec \omega$ es un vector a lo largo de la dirección z suprimida). Si se escribe esto en forma de componentes, se obtiene $$\dot x = -\omega y \qquad , \qquad \dot y = \omega x$$ La sustitución de la segunda en la primera ecuación derivada da como resultado, tras un reordenamiento trivial $$\ddot x +\omega^2 x = 0$$ Esta es la forma de ecuación diferencial de segundo orden del oscilador armónico (es decir, la más conocida por los estudiantes). Como ves, ambas representaciones son equivalentes entre sí, aunque a primera vista parezcan bastante diferentes.

La cuestión es que las ecuaciones de Maxwell son del tipo espacio de fase (ecuaciones diferenciales de primer orden). Así que el campo eléctrico y el magnético se consideran grados de libertad independientes, que son algo así como ortogonales entre sí (por supuesto, el campo EM continuo no es un único oscilador, sino infinitos osciladores, pero eso probablemente lo sabes). Al igual que en el movimiento centrípeto, la distinción entre posición/velocidad es asumida por las coordenadas x e y (campo E y B).

Si quieres convertir las ecuaciones de Maxwell en la forma de ecuación diferencial de segundo orden (y por lo tanto, desarrollar alguna noción de "posición"/"velocidad"), tienes que derivar las ecuaciones de Maxwell (como hice para el movimiento centrípeto arriba) y obtener las ecuaciones de onda, por ejemplo para el campo eléctrico en el vacío $$\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 E}{\partial t^2}+\frac{\partial^2 E}{\partial x^2}=0,$$ o hay que introducir los potenciales electromagnéticos $\vec A$ y $\Phi$ que sirve de "posición", mientras que sus derivadas (los campos) representan las velocidades. En el gauge de Lorentz, las ecuaciones de onda libre se convierten entonces en $$\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \Phi}{\partial t^2}+\frac{\partial^2 \Phi}{\partial x^2}=0$$ $$\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \vec A}{\partial t^2}+\frac{\partial^2 \vec A}{\partial x^2}=0$$

Para una determinada onda plana armónica (es decir, un "único oscilador" de la onda) la derivada espacial se reduce a algo proporcional al cuadrado del número de onda, por ejemplo, para el campo E: $$\frac{\partial^2 E}{\partial x^2}=-k_x^2E$$ y por la relación de dispersión $k_x^2c^2=\omega^2$ finalmente volvemos a tener el oscilador armónico en forma de segundo orden: $$\frac{\partial^2 E}{\partial t^2}+\omega^2 E=0$$ Relaciones similares son válidas para el campo magnético en el vacío. Al igual que para cualquier oscilador armónico, la velocidad (primera derivada temporal, $\dot E$ ) no aparece en la ecuación diferencial, pero forma parte de las condiciones iniciales.

Ninguna de las dos formas de ver el oscilador armónico es más "válida" que la otra. Pero el punto de vista elegido limita lo que puede considerarse posición/velocidad.

Para volver al núcleo de tu pregunta: si E y B son iguales a cero para un oscilador de onda plana simple (un vector de número de onda específico $\vec k$ y la polarización, también llamada a veces "modo"), esto significa que son cero para todo el tiempo para ese oscilador, porque "en la forma del espacio de estados un estado inicial cero también significa una evolución cero". La física no recuerda que hay una onda, sólo porque no hay ninguna ola en absoluto debido a las condiciones iniciales.

-3voto

Guest Puntos 1

Para el fotón en una caja con la distancia correcta entre las paredes como un múltiplo de la longitud de onda, los campos E y B están fuera de fase y un esquema se ve así:

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Aquí es evidente que el fotón tiene un contenido energético constante. Lo que también corresponde a nuestra intuición.

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