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Si los campos electromagnéticos no se propagan en ondas planas, ¿cómo se propagan?

Cuando me presentaron las ondas electromagnéticas, lo hicieron mediante el uso de las ecuaciones de Maxwell en el vacío, que son \begin{align} \nabla \cdot E &= 0 \\ \nabla \cdot B &= 0 \\ \nabla \times E &= -\frac{\partial B}{\partial t}\\ \nabla \times B &= \mu_0\epsilon_0\frac{\partial E}{\partial t} \, , \end{align} y luego buscar soluciones a $B$ y $E$ de alguna forma. La forma que se nos presentó fue la forma de onda plana $E(t,y) = \hat{z}E_0\sin(ky-\omega t)$ y $B(t,y) = \hat{x}B_0\sin(ky-\omega t) $ (siendo estos elegidos arbitrariamente como ubicuos en el plano xz).

Ok, así que cuando esto se introduce y cuando resolvemos problemas utilizando soluciones de esta forma, los problemas han tenido a veces una onda plana que está presente a través de todo el espacio a la vez en el plano, y se mueve en la dirección del vector de Poynting a la velocidad de la luz, $c$ .

La suposición de que el campo ubicuo en un plano parece muy poco física. ¿Cómo se propaga realmente una onda electromagnética cuando se produce (por cualquier método conocido para producir ondas EM)? ¿Es precisa esta simulación phet.colorada.edu (pero en 3d por supuesto: https://phet.colorado.edu/sims/radiating-charge/radiating-charge_en.html )?

Además, siempre que he visto describir ondas EM, he visto una imagen en la que el campo eléctrico y los campos magnéticos se propagan y cambian de signo de forma sinusoidal. El único método que conozco para producir ondas EM es "acelerar partículas cargadas", con alguna perturbación esférica, el campo electromagnético, que emana de la partícula a medida que se acelera (como se ilustra en la simulación anterior). ¿Por qué iba a cambiar el signo del campo eléctrico al ocurrir esto? La partícula lleva la misma carga mientras oscila, así que ¿por qué cambiaría el signo del campo eléctrico en algún punto mientras la partícula oscila?

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tparker Puntos 156

Tienes razón en que las ondas planas EM perfectas no pueden existir en la naturaleza porque se extienden infinitamente en el espacio, por lo que no pueden ser producidas por una fuente localizada. Pero son una aproximación útil por dos razones.

En primer lugar, si se "acerca" lo suficiente, entonces la radiación EM arbitraria localmente parece una onda plana (por ejemplo, lo suficientemente lejos de una fuente puntual como para ignorar la curvatura del frente de onda, o en el interior de una línea de transmisión o guía de ondas).

En segundo lugar, y quizá más importante, las ondas planas EM constituyen una base para el conjunto de soluciones de las ecuaciones de Maxwell del vacío. Así que podemos expresar cualquier campo EM en ausencia de cargas como una combinación lineal de ondas planas, por lo que son los "bloques de construcción elementales" de todas las soluciones.

Si has estudiado mecánica cuántica, la situación es exactamente análoga al caso de los estados propios del momento.

3voto

Semoi Puntos 48

¿Conoces el siguiente chiste? A un físico le piden que calcule el volumen de una vaca. El físico dice: "Suponiendo que la vaca sea una esfera...".

Este chiste capta un punto clave: La mayor parte de la física no trata de la exactitud, sino de desarrollar un modelo simple, que produzca una buena estimación. Siempre habrá un régimen en el que el modelo sea una buena aproximación. De esto trata exactamente la idea de una onda plana.

Sobre su segunda pregunta: Quizá quieras leer sobre antenas y dipolos hertzianos.

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