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Física 3 ECyT UNSAM 2012

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(1)

1

Física 3 – ECyT – UNSAM 2012

Corrientes de Desplazamiento – Ecuaciones de Maxwell-Ondas E&M

Docentes:

Gerardo García Bermúdez Salvador Gil

www.fisicarecreativa.com/unsam_f3

Clases 14

2

Algunas figuras fueron tomadas de la siguientes páginas:

 Lectures M.D. Johnson - Gabriel Braunstein USA

 Prof. Matteson- University of North Texas

 M.D.Johnson - Gabriel Braunstein

 Autores Mar Artigao Castillo, Manuel Sánchez Martínez

 Dpto de Física Aplicada, Escuela Politécnica Superior de Albacete (UCLM)

 Lectures of Prof. John G. Cramer, University of

Washington, Seattle USA, faculty.washington.edu/jcramer/

3

Leyes de Electromagnetismo )

( E v B q

F

r r

r

× +

=

/ ε

0

q S d

S

E

E

= ⋅ =

Φ ∫∫ r r

= 0

=

Φ

B

∫∫

S

B r d S r

dt l d d

E Φ

=

= ∫ r . r

ε

¿?

. =

0

⋅ +

B r d l r µ i

Ley de Gauss - magnetismo Ley de Gauss - Electricidad

Ley de Faraday Ley de Ampere de la simetría ¿?

(2)

Teoremas de la Matemáticas

 Teorema de Gauss-Ostrogradskyo teorema de la divergencia

 Teorema de Stokes

4

∫∫∫

∫∫ =

=

Φ A S A r d S r V r A r dv

∫∫

c A r . d l r = s r × A r . d S

5

Leyes de Maxwell en forma diferencial

/ ε

0

q S d E

E

=

S

⋅ =

Φ ∫∫ r r

= 0

=

Φ

B

∫∫

S

B d S r r

De manera análoga, la ley de Gauss - magnetismo

Ley de Gauss - Electricidad

∫∫∫

∫∫∫

∫∫

S

E d S =

V

E dv = 1

V

( r ) dv

0

ε ρ r

r r

r

0

) ( ε ρ r E =

∇ r r

= 0

∇ B r r

6

Leyes de Maxwell en forma diferencial II

De manera análoga, la ley de Ampere - magnetismo

Ley de Faraday

∫∫

∫∫

c

E r . d l r =

S

× E r d S r = t

S

B r d S r

t r E B

− ∂

=

×

∇ r ( )

r r

)

0

J ( r B r r r × = µ

dt l d d

E Φ

=

= ∫ r . r

ε

i l

d

B = ⋅

r . r µ

0

(3)

7

Leyes del Electromagnetismo Leyes de Maxwell

) ( E v B q

F

r r

r

× +

=

/ ε

0

q S d E

E

=

S

⋅ =

Φ ∫∫ r r

= 0

=

Φ

B

∫∫

S

B r d S r

dt l d d

E Φ

=

= ∫ r . r

ε

i l

d

B = ⋅

r . r µ

0

0

) ( ε ρ r E =

∇ r r

= 0

∇ B r r

)

0

J ( r B r r r × = µ

t r E B

− ∂

=

×

∇ r ( )

r r

Campos eléctricos inducidos

9

Campos eléctricos inducidos

Dos modos de producir un campo electrico:

(a) Campo eléctricocreado por una carga eléctrica (b) Campo eléctrico creado por uncampo magnético variable –

Ley de Faraday

(4)

Campos eléctricos inducidos Calculemos el trabajo para

mover una carga eléctrica a lo largo de una trayectoria cerrada c:

0

=

=

=

l

l

l d E

l d E q l d F W

r r

r r r r

ε

dt l d d E

l

− Φ

=

rr

11

Campos Inducidos

dt B E d

E rot

r r r ≡ ∇ × = −

dt l d d

E Φ

=

rr

= 0

E rd l r

0 0

)

( E = ↔ ∇ × E = rot

r r

E De la electrostática:

Conclusiones

 El campo eléctrico creado por cargas estáticas es conservativo: el trabajo a lo largo de una trayectoria cerrada es siempre nulo.

 El campo eléctrico creado por un campo magnético variables (campo inducido) NO es Conservativo.

 El trabajo a lo largo de un circuito cerrado NO es NULO

 La Integral de lo largo de un circuito cerrado de E no es nulo

 Las cargas se aceleran a lo largo de E.

≠0

− Φ

=

Edl ddt

c

r r

=0

c

l d E

r r

(5)

13

Corriente de Desplazamiento

14

La primera unificación

James Clerk Maxwell(1831-1879)Físico

y matemático

(1861)

Predicciones: ondas electromagnéticas

posibilidad de fabricarlas en el laboratorio velocidad de la luz

15

Ley de Ampere

int 0 I s

d

B r r = µ

(6)

16

Imaginemos un cable conectado a un capacitor. En este caso hay al menos dos superficies asociadas al mismo contorno C, las superficies A1 y la A2 .

0IA1

s d

B

r r = µ

0

0 2

=

=

B

r

ds

r µ

IA

Hay una

inconsistencia en la ecuación!!

17

Para mantener la consistencia de la Ley de Ampres debemos introducir una nueva corriente, asociada al campo Eléctrico variable (la corriente de desplazamiento) en la región entre las placas

dt I

d

d Φ

E

= ε

0

dt d dt

I dq Φ

E

=

= ε

0

0

0

ε σ

A E = = q

q A E . = ε

0

q = ε

0

⋅ Φ

E

E

ds

= ε Φ

E

=

q

ε

0

r r

0

18

corriente de desplazamiento

dt I d d Φ E

= ε 0

(7)

19

Ley de Ampere modificada y Ecuaciones de Maxwell Law)

desp

cond

I

I l

d

B = ⋅ + ⋅

r . r µ

0

µ

0

I t l

d

B

cond E

⋅ ∂ +

r . r = µ

0

µ

0

ε

0

Φ

Corriente de conducción+ Corriente de desplazamiento Cables (conductores) Campos Eléctricos variables

en el tiempo

20

Leyes de Electromagnetismo Ecuaciones de Maxwell

) ( E v B q

F

r r

r

× +

=

/ ε

0

q S d

S

E

E

= ⋅ =

Φ ∫∫ r r

= 0

=

Φ

B

∫∫

S

B r d S r

dt l d d

E

Φ

B

=

= ∫ r . r

ε

) (

. d l

0

i

0

t B = ⋅ + ∂ Φ

E

r r µ ε

Ley de Gauss - magnetismo Ley de Gauss - Electricidad

Ley de Faraday

Ley de Ampere- Maxwell

21

Leyes del Electromagnetismo Leyes de Maxwell

) ( E v B q

F

r r

r

× +

=

/ ε

0

q S d

S

E

E

= ⋅ =

Φ ∫∫ r r

= 0

=

Φ

B

∫∫

S

B r d S r

dt l d d

E Φ

=

= ∫ r . r

ε

0

) ( ε ρ r E =

∇ r r

= 0

∇ B r r

t J E

B

+ ∂

=

×

r r r r

0 0

0

µ ε

µ t

r E B

− ∂

=

×

∇ r ( )

r r

) (

. d l

0

i

0

t B = ⋅ + ∂ Φ

E

r r µ ε

(8)

22 ondas de radio y TV

ondas de radio y TVondas de radio y TV ondas de radio y TV

microondas microondas microondas microondas

radiaci radiaci radiaci

radiacióóóón tn tn téééérmican trmicarmicarmica luzluzluzluz radiaci radiaciradiaci radiacióóóón ln ln ln lááááserserserser

rayos X rayos X rayos X rayos X

rayos gama rayos gama rayos gama rayos gama

¿Dónde se encuentran las o.e.m?

23

Física 3 - UNSAM



Muchas Gracias y Mucha suerte

24

ONDAS

ELECTROMAGNÉTICAS

(9)

25

Leyes del Electromagnetismo Leyes de Maxwell

) ( E v B q

F

r r

r

× +

=

/ ε

0

q S d E

E

=

S

⋅ =

Φ ∫∫ r r

= 0

=

Φ

B

∫∫

S

B r d S r

dt l d d

E Φ

=

= ∫ r . r

ε

0

) ( ε ρ r E =

∇ r r

= 0

∇ B r r

t J E

B

+ ∂

=

×

r r r r

0 0

0

µ ε

µ t

r E B

− ∂

=

×

∇ r ( )

r r

) (

. d l

0

i

0

t B = ⋅ + ∂ Φ

E

r r µ ε

LUZ

onda y partícula

La luz como onda

λ λλλλ: longitud de

onda

c : velocidad de la luz

c = 2,99792458 × 10-8m/s

υ : frecuencia

υ= c/ λλλλ Unidades

(10)

Descomposici Descomposici Descomposici

Descomposicióóóón de la luz Espectro de radiacin de la luz Espectro de radiacin de la luz Espectro de radiacin de la luz Espectro de radiacióóóón n n n electromagn

electromagn electromagn electromagnééééticoticoticotico

Espectros ópticos



Espectros de los elementos en Tierra.

Cada elemento tiene un Cada elemento tiene un Cada elemento tiene un Cada elemento tiene un espectro (

espectro ( espectro (

espectro (““““CCCCóóóódigo de digo de digo de digo de barras

barras barras

barras””””) que lo caracteriza) que lo caracteriza) que lo caracteriza) que lo caracteriza LLLLáááámpara incandescentempara incandescentempara incandescentempara incandescente

Espectro de gases Espectro de gasesEspectro de gases Espectro de gases

Descomposici Descomposici Descomposici

Descomposicióóóón de la luz Espectro de radiacin de la luz Espectro de radiacin de la luz Espectro de radiacin de la luz Espectro de radiacióóóón n n n electromagn

electromagn electromagn electromagnééééticoticoticotico

(11)

Podemos conocer los elementos presentas en las estrellas



Espéctros de los elementos en Tierra.

Espectro visible

Espectro de emisióndel átomo de hidrógeno en el visible

Espectro de absorción del átomo de hidrógeno en el visible

33

ONDAS (1dimensión)

 Solución = onda hacia la derecha con velocidad v + onda hacia la izquierda con velocidad -v ξ(x,t)=f(xvt) t=0

v.t t=t

ξ=ξ(x,t)=f(x-vt) ξ=ξ(x,0)=f(x)

(12)

34

Ondas Viajeras (1dimensión)

) ( ) ,

(xt =f xvt ξ

t=0

v.t t=t

ξ=ξ(x,t)=f(x-vt) ξ=ξ(x,0)=f(x)

) ( ' ) ) (

,

( f x vt f x vt

dx d x

t

x = − = −

∂ξ

) ( ' ) ) (

,

( f x vt v f x vt

dt d t

t

x = − =− ⋅ −

∂ξ

) ( '' ) ( ) ' , (

2 2

vt x f vt x dxf

d x

t

x = =

ξ

) ( '' ) ( ) ' ,

( 2

2 2

vt x f v vt x dtf d t

t

x = =

ξ 2

2 2 2

2 1 ( ,)

) ( ) '' , (

t t x vt v

x x f

t x

=

=

ξ ξ

35

Ondas Viajeras (1dimensión)

 Expresión matemática  Función oscilante ξ(

ξ(ξ(

ξ(x,t))))que verifica una ecuación

 Solución = onda hacia la derecha con velocidad v + onda hacia la izquierda con velocidad -v

2 2 2 2

2 ( , ) 1 ( ,)

t t x v x

t x

= ∂

∂ξ ξ

) ( ) ( ) ,

(xt =F1xvt +F2xvt ξ

36

Ondas Viajeras (3dimensión)

 Expresión matemática  Función oscilante ξ(

ξ(

ξ(

ξ(r,t))))que verifica una ecuación

 Solución = onda hacia la derecha con velocidad v + onda hacia la izquierda con velocidad -v

2 2 2 2 2 2 2 2

2 ( ,) ( ,) ( , ) 1 ( ,)

t t r v z

t r y

t r x

t r

= ∂

∂ +∂

∂ +∂

∂ξ ξ ξ ξ

) ( ) ( ) ,

(rt =F1rvt +F2rvt ξ

2 2 2

2 1 ( , )

) ,

( t

t r t v

r

= ∂

∇ ξ

ξ

(13)

37

Ondas Viajeras Solución general

 Función oscilante

 Longitud de onda λλλλ: distancia entre dos puntos consecutivos que vibran en fase.

 Frecuencia ω=ω=ω=ω=k.v=2π.π.π.fπ. : nº veces que corta al eje.

 PeriodoT=1/f tiempo en que la vibración se repite.

 Frente de ondas: puntos alcanzados por la onda a un tiempo fijo.

[ ϕ ]

ξ

ξ ( x , t ) =

0

sen k ( xvt ) +

Amplitud Nº ondas velocidad onda Fase

38 t constante

x ξ

ξξξ(x,t) λλλλ ξ ξξ ξ0

X constante

t ξ

ξξξ(x,t) Τ ξ ξξ ξ0

λ π

=2 k

f T

kv π π

ω 2

2 =

=

=

ω π

=2 T

Velocidad de la onda

v f = λ ⋅

[

ϕ

]

ξ

ξ(x,t)= 0senk(xvt)+

39

Leyes del Electromagnetismo Leyes de Maxwell en vacío

) ( E v B q

F

r r

r

× +

=

= 0

=

Φ

E

∫∫

S

E r d S r

= 0

=

Φ

B

∫∫

S

B r d S r

dt l d d

E

Φ

B

=

= ∫ r . r

ε

= 0

∇ E r r

= 0

∇ B r r

= 0

×

∇ B r r t

r E B

− ∂

=

×

∇ r ( )

r r

t B E

∂ + ∂

=

×

∇ r r r

0

0 µ

0

ε t

l d

B = ⋅ ∂ Φ

E

r . r µ

0

ε

0

(14)

40

Leyes del Electromagnetismo Leyes de Maxwell en vacío

= 0

∇ E r r

= 0

∇ B r r

t r E B

−∂

=

×

∇ r( )

r r

E E

E

r r

r r

r

2

) ( ∇ − ∇

=

×

×

t r E B

×

−∂

=

×

×

∇ r r( )

r r r

2 2 0 0

2 ( )

t E t

r E B

− ∂

∂ =

×

−∂

=

r r

r r

ε µ

t B E

= ∂

×

∇ r r r

0 0

ε µ

2 2 2 2 2 0 0

2 1

t E c t E E

= ∂

= ∂

r r r

ε µ

0 2 0

1

=c ε

µ c 1 3.108m/s

0 0

=

= µε

La velocidad de propagación de la ondas electromagné ticas son igual a la de la LUZ

El término izquierdo de la ecuación (13), puede ser reordenado usando la siguiente identidad vectorial

A ) A

· (

A= 2

×

×

r r r r r r

Calculando el rotacional de la ley de Faraday t E B

×

=

×

×

r r r r r

Y usando la propiedad conmutativa en el término de la derecha, podemos escribir finalmente

t ) B E (

) E

·

(

×

=

r r r

r

r 2

Combinando con:

Obtenemos

2 2 2

t E o o E

=

µ ε

Operando de forma análoga para el campo magnético

2 2 2

t B o o B

=

µ ε

t ) t , r ( ) E

t , r (

B o o

ε µ

=

×

r r r r

r

2 2 2

2 1

t E E c

=

2 2 2

2 1

t B B c

=

0 0

1 ε

= µ c

usando

Obtenemos para la velocidad de fase un valor de c= 3·108m/s

Que coincide con la velocidad de la luz, c. Ergo la luz misma podría ser una onda electromagnética, y efectivamente lo es. La óptica se transforma así en una capítulo del electromagnetismo. Este es uno de los mayores triunfos de la física del siglo XIX.

Estas ecuaciones obedecen a una ecuación de ondas tridimensional para los campos y Bcon velocidad de fase

r E

r

m / F

· o=8.891012 ε

A / Tm o=4π·107 µ 0

0

1 ε

= µ c

(15)

43

Propagación de las ondas electromagnéticas

Los campos El Los campos ElLos campos El

Los campos Elééééctrico y Magnctrico y Magnctrico y Magnéééético oscilan localmentectrico y Magntico oscilan localmentetico oscilan localmentetico oscilan localmente Las direcciones locales del Campo El

Las direcciones locales del Campo El Las direcciones locales del Campo El

Las direcciones locales del Campo Elééééctrico y Magnctrico y Magnctrico y Magnéééético son ctrico y Magntico son tico son tico son mutuamente

mutuamente mutuamente

mutuamente perpendiculares

2 2 2

2 1

t E E c

=

Una soluci

Una soluci Una soluci

Una solucióóóón de, onda plana es: n de, onda plana es: n de, onda plana es: n de, onda plana es:

[

( ( )

]

)

ˆE ) ,

(xt =E0j xpikxctEr

λ 2π

= k

[

( ( )

]

)

ˆE ) ,

(xt =B0k xpikxct

Br E0=cB0

En Vac En Vac En Vac

En Vacíííío o o o

E r B r

44

Unificación de los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría consistente:

La teoría electromagnética

James Clerk Maxwell(1831-1879)Físico

y matemático

(1861)

Predicciones: ondas electromagnéticas

posibilidad de fabricarlas en el laboratorio velocidad de la luz

45

El

El espectro electromagnético

700 600 500 400

λ(nm)

espectro visible

100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 108 106 104 102 100 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14 10-16

Longitud de onda λ (m)

Frecuencia ν (Hz) ultravioleta ultravioleta ultravioleta

ultravioleta Rayos XRayos XRayos XRayos X Rayos gamaRayos gamaRayos gamaRayos gama infrarojo

infrarojo infrarojo infrarojo Ondas de radio Ondas de radioOndas de radio Ondas de radio Onda larga

λ⋅ν λ⋅ν λ⋅ν λ⋅ν= 3= 3····10= 3= 31010108888m/sm/sm/sm/s

104 105 106 107 108 109 1010 1011

Radio AM Radio FM Canales TVHorno microondas banda ciudadana

telefonía móvil Frecuencia ν (Hz)

(16)

46

Guglielmo Marconi

(1874-1937)Inventor. Nobel 1909

(1895) Primer transmisor de telegrafía sin hilos (2,4 km) (1901) 1ª señal telegráfica trasatlántica

(1918) De Gales a Australia

Pittsburgh(1920) 1ª emisora comercial

Museo Marconi en New Hampshire (EEUU)

47

ENERGÍA DE UNA OEM



Densidad de energía eléctrica y magnética

 Vacío - Medio



Densidad de energía de la OEM

o m

o e

u B E u

µ ε

2 2

2 1 2 1

=

=

µ ε

2 2

2 1 2 1 u B

E u

m e

=

=

0

0 cB

E =

ε µ

2 2

2 1 2

1 B

E u u

u= e+ m= +

µ ε µ

c B E E B

u

r r

= ⋅

=

=

2 2

La Onda Electromagnética Transmite Energía

La densidad de energía en el campo eléctrico es igual a la del campo magnético.

2

2

1 E

ue= εo 2

2 0

1 B um

= µ

0

0 c B

E = ⋅ m c oE ue

u = E2= 2=

2

0 2

1 2

1 ε

µ

En el vac En el vac En el vac

En el vacíííío el campo elo el campo elo el campo elo el campo elééééctrico lleva la misma ctrico lleva la misma ctrico lleva la misma ctrico lleva la misma cantidad de energ

cantidad de energ cantidad de energ

cantidad de energíííía que el campo magna que el campo magna que el campo magnéééético. La a que el campo magntico. La tico. La tico. La cantidad de energ

cantidad de energ cantidad de energ

cantidad de energíííía que lleva la onda por unidad de a que lleva la onda por unidad de a que lleva la onda por unidad de a que lleva la onda por unidad de áááárea y tiempo e la Intensidad de la Onda rea y tiempo e la Intensidad de la Onda rea y tiempo e la Intensidad de la Onda rea y tiempo e la Intensidad de la Onda I.I.I.I.

0 2

0 2

2c 1 E S

u c

I em o =

 

= 

= ε

(17)

Onda Electromagnéticas Vector de Pointing S

La energía que incide sobre unidad de área en unidad de tiempo, o sea la Potencia /unidad área, se le llama la intensidad de la onda, El vector de PoyntingSrecoge este concepto y además nos da la dirección de propagación de la onda electromagnética.

La intensidad ( )es el valor promedio de la magnitud de I=S=Smedia.

Area Potencia Area

tiempo Energia B E S S

Imedia= media= = = / =

2 1 2 1

0 0 0

0 µ

0 0 0 2 0

0 2

1 2 1 2

1S c E EB

I

Smedia o

ε = µ

=

=

Pointing de Vector 1

0

=

×

= E B

Sr r r

µ I S

r

50

Espectro de ondas

electromagnéticas

Qué pasa Cuando la Onda Encuentra Otro Material? Una Interfase?

Como cualquier onda, parte de la onda es reflejada y parte entra al otro material pero su dirección es afectada.

Ley de Refracción (Snell)

(18)

Ejemplo – Reflección Especular (Superficie Suave) - Imagen

Ejemplo – Fibra Optica

(19)

Ejemplo – Fibra Optica

Radiación Solar

Temperatura del Sol T(k)=5000 Porcentaje UV=4.83

0,0E+00 1,0E-04 2,0E-04 3,0E-04 4,0E-04 5,0E-04 6,0E-04 7,0E-04

200 400 600 800 10001200140016001800200022002400260028003000 Lon.Onda (nm)

Abs. Coeff. (cm-1)

Radiat (w/m2/nm) Serie1 Serie2

(20)

Absorción de la luz solar en la atmosfera

Radiación Absorción de la Radiación E&M en Agua

Radiación Absorción de la

Radiación E&M en Agua

(21)

Radiación Absorción de la Radiación E&M en Agua

Absorci Absorci Absorci

Absorcióóóón en Airen en Airen en Airen en Aire

Radiación Absorción de la Radiación E&M en Agua

Temperatura del Sol T(k)=6000

1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06

1E+01 1E+02

1E+03 1E+04

1E+05 1E+06 Lambda (nm)

Abs. Coeff. (cm-1)

0.E+00 2.E-16 4.E-16 6.E-16 8.E-16 1.E-15 1.E-15 1.E-15 2.E-15 2.E-15

Solar Rad (w/m2.hz)

Abs_coef(cm-1) Abs_coef(cm-1) Radiat (w/m2)

Respuesta del Ojo

(22)

¿Por qué vemos en el visible?

Temperatura del Sol T(k)=5600 L_water(m)=4

- 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Lambda (nm) Abs. Coeff. (cm-1), Tansm %

0.E+00 2.E-16 4.E-16 6.E-16 8.E-16 1.E-15 1.E-15 1.E-15 2.E-15

Solar Rad (w/m2.hz)

Trans*Emis Eyes Response % Radiat (w/m2/hz)

La evoluci La evoluci La evoluci

La evolucióóóón de ojo se deba haber producido en el agua, no n de ojo se deba haber producido en el agua, no n de ojo se deba haber producido en el agua, no n de ojo se deba haber producido en el agua, no en el aire

en el aire en el aire en el aire

65 ondas de radio y TV

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microondas microondas microondas microondas

radiaci radiaci radiaci

radiacióóóón tn tn téééérmican trmicarmicarmica luzluzluzluz radiaci radiaciradiaci radiacióóóón ln ln ln lááááserserserser

rayos X rayos X rayos X rayos X

rayos gama rayos gama rayos gama rayos gama

¿Dónde se encuentran las o.e.m?

y Díos Dijo:

 Y fue la Luz !!!

66 0

) ( ε ρ

r E

=

∇ r r

= 0

∇ B r r

t r E B

− ∂

=

×

∇ r ( )

r r

t J E

B

+ ∂

=

×

r r r r

0 0

0

µ ε

µ

(23)

67

Física 3 - UNSAM



Muchas Gracias y Mucha suerte

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Física 3 - UNSAM



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