Una onda electromagnética es la mezcla de ondas eléctricas y magnéticas. ¿Qué pasa si podemos separarlos y usarlos para diferentes propósitos?

Para ampliar lo que decía Natalie, veamos las ecuaciones que describen las ondas electromagnéticas. No los veremos con demasiado detalle, solo lo suficiente para entender por qué no podemos separarlos.

La primera que veremos es la Ley de Faraday. Se parece a esto:

[math] \ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf E = – \ frac {\ partial \ mathbf B} {\ partial t} [/ math].

Ahora, como usted dice, queremos separar las ondas eléctricas y magnéticas entre sí. Digamos que lo hicimos de alguna manera. Entonces tenemos solo la “onda magnética”. Por supuesto, aún tendrá que obedecer la ecuación anterior. Eso no es negociable. El universo lo exige. Por qué es eso no importa tanto para responder a su pregunta. Si no obedeciera la ecuación anterior, no habría sido una onda electromagnética en primer lugar. Es por eso que tú y yo no somos ondas electromagnéticas.

En este caso, solo tenemos la “onda magnética”. Entonces podemos establecer [math] \ nabla \ times \ mathbf E [/ math] de la ley de Faraday arriba a cero, ya que todo proviene de la “onda eléctrica”. Ahora lo que tenemos es

[math] \ displaystyle \ frac {\ partial \ mathbf B} {\ partial t} = 0 [/ math].

Pero ahora pensemos en lo anterior. Está diciendo que el cambio en el campo magnético con el tiempo es cero. Si no cambia con el tiempo, eso significa que es constante. Y si es constante, en realidad no es una “onda magnética”, sino un campo magnético estático. ¡Maldición, hemos sido frustrados en nuestro intento de separarlos! No puede transmitir información o transferir energía con un campo magnético constante. Usamos campos magnéticos estáticos para algunas cosas, como realizar ciertos experimentos de física de partículas, pero se generan de formas distintas a tomar una onda electromagnética y separar la porción de “onda eléctrica”. En cambio, podríamos usar el campo generado por una corriente constante en un cable o un conjunto de imanes permanentes.

Toda esperanza aún no está perdida. Tenemos una segunda ecuación que relaciona los campos [math] \ mathbf B [/ math] y [math] \ mathbf E [/ math]. Esta se llama ley de Ampere, y se ve así:

[math] \ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf B = \ mu \ left (\ mathbf J + \ epsilon \ frac {\ partial \ mathbf E} {\ partial t} \ right) [/ math].

Esta vez, en lugar de eliminar la parte de “onda eléctrica”, eliminaremos la parte de “onda magnética”. Entonces, el lado izquierdo va a cero, ya que todo proviene de la “onda magnética”. Ahora tenemos algo mucho más prometedor:

[matemáticas] \ displaystyle \ mathbf J = – \ epsilon \ frac {\ partial \ mathbf E} {\ partial t} [/ math]

donde he cancelado [math] \ mu [/ math] de ambos lados.

Al principio, parece que puedo salirse con la suya con solo una “onda eléctrica”, que tiene la propiedad de que su derivada de tiempo es proporcional a cierta cantidad [math] \ mathbf J [/ math]. Entonces, ¿qué es [math] \ mathbf J [/ math]? Es una densidad de corriente.

UH oh.

Como dije anteriormente, una forma de producir un campo magnético constante en un experimento es usar una corriente constante en un cable. Entonces no hemos separado la porción magnética. Para hacerlo, tendremos que establecer [math] \ mathbf J [/ math] igual a cero también. Ahora tenemos el mismo problema que teníamos antes:

[math] \ displaystyle \ frac {\ partial \ mathbf E} {\ partial t} = 0 [/ math].

Una vez más, lo anterior implica que el campo [math] \ mathbf E [/ math] es constante y, por lo tanto, no es realmente una onda sino solo un campo. Parece que no hay forma de que tengamos uno sin tener el otro.

De hecho, este es el caso. La existencia del componente eléctrico de la onda requiere que exista el componente magnético, y viceversa. Es una buena idea, pero desafortunadamente no es posible. Sería similar a decir “¿Qué pasa si separamos la gravedad de la masa?” Así no es cómo funciona.

No puedes separarlos.

Los campos eléctricos y los campos magnéticos son lo mismo que se ve a través de un marco de referencia diferente.

Si veo una carga como estacionaria, solo veré un campo eléctrico. Pero si se mueve con respecto a mí, veré un campo eléctrico y un campo magnético. Pero es la misma carga, por lo que debería estar produciendo la misma fuerza neta sobre mí, independientemente de la proporción exacta.

Llevando eso a las ondas, vemos que un campo eléctrico cambiante también tiene que producir un campo magnético, y un campo magnético cambiante tiene que producir un campo eléctrico. En una ola, estos se combinan para formar una ola a medida que los dos campos se cambian entre sí de manera efectiva. Y obtuviste esos campos acelerando alguna carga, por lo que tenías ambos en primer lugar.

Así que me temo que su hipotética no puede ocurrir.

PD: técnicamente esto requiere ecuaciones diferenciales y Lorentz se transforma de la relatividad para entender por qué es una ola de todas las cosas y por qué el magnetismo y la electricidad son realmente lo mismo, si quieres saber más.

Puede usar uno de los dos o incluso ambos por separado para aplicar fuerzas o pares en los dipolos eléctricos o magnéticos en un material, pero si intenta extraer un trabajo útil de los campos electromagnéticos, debe usar ambos juntos, ya que la densidad de potencia S en la onda es igual al vector Poynting [math] \ vec {S} [/ math] que es el producto de los dos, es decir, [math] \ vec {S} = \ vec {E} \ times \ vec {H} [/ math] . Solo para enfatizar el punto, incluso mantener una bombilla encendida no se puede hacer solo con ninguno de los campos, ya que tanto [math] E [/ math] como [math] H [/ math] deben coexistir.

Comencemos por una comprensión de lo que es EMF. Primero, cualquier carga eléctrica emite / proyecta una fuerza eléctrica (campo) a su alrededor en 3 dimensiones.

Si esa carga se mueve, también genera un polo magnético que emite / proyecta una fuerza magnética (campo) a su alrededor. Por lo tanto, un campo magnético depende de una carga eléctrica en movimiento, pero un campo eléctrico no depende de un polo magnético o su campo magnético .

Cada uno es el mecanismo de propagación del otro. Ningún tipo de onda puede propagarse en el vacío sin el otro.