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Ondas em

  1. 1. Electromagnetismo 2004 8-1 8 - Ondas ElectromagnéticasUna de las consecuencias más revolucionarias de las ecuaciones de Maxwell es la predicción dela existencia de ondas electromagnéticas, así como que en el vacío su velocidad de propagacióncoincide con la observada velocidad de la luz. En este capítulo analizamos estas consecuencias ypresentamos diversas aplicaciones tecnológicas de las ondas electromagnéticas.Ondas en el vacíoLas soluciones de las ecuaciones de Maxwell: ∇ • D(r, t ) = ρ (r, t ) Gauss (campo eléctrico) ∇ • B (r , t ) = 0 Gauss (campo magnético) ∂ ∇ × E(r, t ) + B(r, t ) = 0 Faraday-Lenz ∂t ∂ ∇ × H(r, t ) − D(r, t ) = j(r, t ) Maxwell-Ampère ∂trepresentan al campo electromagnético en su mayor generalidad. Estas son ecuaciones diferen-ciales lineales a derivadas parciales inhomogéneas con cuatro campos incógnita.Las soluciones más sencillas de las ecuaciones de Maxwell se producen para un recinto del espa-cio vacío y sin fuentes de campo:  D (r , t ) = ε 0 E (r , t ) Si el recinto es vacío, valen las relaciones:   B (r , t ) = µ 0 H (r , t )  ρ (r , t ) = 0 Si no hay fuentes de campo en su interior:   j( r , t ) = 0Para que exista campo electromagnético debe haber fuentes que los generen. En el presente casoconsideramos que las fuentes del campo se hallan fuera del recinto de integración. Veremos enel Capítulo 10 (Radiación electromagnética) el análisis que se realiza cuando las fuentes sehallan dentro del recinto de integración.Estas hipótesis permiten pasar de cuatro campos incógnita a dos y de ecuaciones inhomogéneas aecuaciones homogéneas. Resultan las ecuaciones: ∂ ∇ • E(r, t ) = 0 ∇ × E (r , t ) + µ 0 H (r , t ) = 0 ∂t ∂ ∇ • H (r , t ) = 0 ∇ × H (r , t ) − ε 0 E (r , t ) = 0 ∂tPodemos desacoplar estas ecuaciones diferenciales acopladas tomando el rotor de la ec. de Fara-day y usando la ec. de Maxwell-Ampère:  ∂H  ∂ ∂  ∂E  ∂ 2E∇ ×  ∇ × E + µ0  = ∇ × ∇ × E + µ0 ∇ × H = ∇ × ∇ × E + µ0  ε 0  = ∇ × ∇ × E + µ 0ε 0 2 = 0  ∂t  ∂t ∂t  ∂t  ∂tPero: ∇ × ∇ × E = ∇(∇ • E) − ∇ 2 E = −∇ 2 E porque ∇ • E = 0 . 1 ∂ 2E 1Entonces: ∇ 2E − =0 con c= c 2 ∂t 2 µ 0ε 0 Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  2. 2. Electromagnetismo 2004 8-2Si tomamos ahora el rotor de la ec. de Maxwell-Ampère y procedemos en forma similar, llega- 1 ∂2Hmos a la misma ecuación para el campo magnético: ∇ 2 H − 2 =0 c ∂t 2Por lo tanto hemos podido desacoplar las ecuaciones en cada uno de los campos incógnita, perohemos tenido que pasar de ecuaciones de primer orden a ecuaciones de segundo orden.Las ecuaciones halladas se conocen como ecuaciones vectoriales de D´Alembert. En coordena-das cartesianas, cada componente f (r , t ) de los campos satisface la ecuación escalar: 1 ∂2 f ∇2 f − =0 que es la ecuación escalar de D´Alembert hallada previamente en la c 2 ∂t 2propagación de ondas en líneas de transmisión. Esta es una ecuación que describe una propaga-ción ondulatoria, de donde se deduce que las soluciones a las ecuaciones de Maxwell en un re-cinto vacío sin fuentes de campo son ondas electromagnéticas.La solución de las ecuaciones vectoriales de onda no es sencilla, pero puede demostrarse que, almenos en los sistemas de coordenadas separables de mayor interés1 las soluciones de las ecua-ciones de onda vectoriales se pueden obtener a partir de las correspondientes soluciones de lasecuaciones de onda escalares para el mismo sistema de coordenadas.Ondas planas elementalesEn el caso de las coordenadas cartesianas, para facilitar el tratamiento matemático trabajamoscon ondas planas, donde los campos dependen de una única coordenada espacial y del tiempo: E(r, t ) = E( z, t ) H (r , t ) = H( z , t )Además, para evitar derivar versores, usaremos ondas linealmente polarizadas, donde los cam-pos mantienen su dirección vectorial en el tiempo2: E(r, t ) = E ( z, t ) e0 ˆ ˆ H(r, t ) = H ( z , t ) h 0ˆ ˆe y h son los versores (constantes) que definen la dirección de los campos. 0 0En resumen: Cartesianas • onda plana: los campos dependen de una única coordenada espacial • polarización lineal: los campos se propagan manteniendo su dirección vectorial 1 ∂ 2E ∂2E 1 ∂2EEntonces: ∇2E − =0 ⇒ − 2 2 =0 c 2 ∂t 2 ∂z 2 c ∂tque es una ecuación escalar de D’Alembert. Como se demostró en el Capítulo 6, toda función dela forma: f ( z m ct ) es solución de la ecuación de D’Alembert. Estas formas matemáticas repre-sentan ondas que se propagan con velocidad ± c a lo largo de la dirección z.Dado que: c = 1 µ 0 ε 0 ≅ 3 × 10 8 m / s y este valor coincide con el valor medido de la veloci-dad de la luz en el vacío, Maxwell propuso en 1864 que la luz era un fenómeno electromagnéti-co, afirmación que corroboró experimentalmente Hertz en 1887. Este resultado, que puso a todoslos fenómenos ópticos como casos particulares de los fenómenos electromagnéticos, ha sido unade las síntesis más abarcativas de la historia de la físicaEl doble signo de la función determina el sentido de la propagación: f ( z − ct ) propagación según +z (onda progresiva) f ( z + ct ) propagación según - z (onda regresiva)1 Ver, por ejemplo, J.A.Stratton, “Electromagnetic Theory”, McGraw-Hill Book Co., New York, 1941, Caps. V-VII.2 Obsérvese que en general, como en coordenadas cartesianas los versores son cosntantes, es posible pasar de la ecuación de onda vectorial a tres ecuaciones de onda escalares, una para cada componente del campo. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  3. 3. Electromagnetismo 2004 8-3TransversabilidadLas ecuaciones de Maxwell imponen ciertas restricciones sobre los campos. En particular lasleyes de Gauss llevan a que los campos sean transversales a la dirección de propagación. ∂E x ∂E y ∂E z ∂E zComo: ∇ • E(r, t ) = ∇ • E( z , t ) = 0 ⇒ + + =0 ⇒ =0 ∂x ∂y ∂z ∂zya que el campo no depende de x ni de y. Como Ez depende de z y de t, esta ecuación lleva aque Ez dependa solamente de t: Ez(z, t) = Ez(t) y como además Ez satisface la ecuación de ∂ 2 Ez 1 ∂ 2 Ez ∂ 2 Ezondas: − 2 =0 ⇒ = 0 ⇒ E z (t ) = At + B ∂z 2 c ∂t 2 ∂t 2Resulta entonces que Ez varía linealmente con el tiempo. Independientemente del signo de A, seobserva que la amplitud del campo crece indefinidamentre con el tiempo, lo que es físicamenteimposible porque llevaría a una energía infinita. Entonces A debe ser cero. Queda un campo uni-forme, que nuevamente lleva a una energía infinita cuando se integra la densidad de energía, quees proporcional al cuadrado del campo, sobre todo el espacio, de modo que esta constante debeser cero. Se tiene entonces que la componente del campo eléctrico sobre la dirección de propaga-ción se anula. Se obtiene el mismo resultado partiendo de la ecuación de la divergencia de H: ∇ • E(r, t ) = 0 ⇒ Ez = 0 z ∇ • H(r, t ) = 0 ⇒ Hz = 0 De estas expresiones se ve que los campos de una onda plana no tienen componentes sobre la direc- ción de propagación. Se dice que son campos transversales.En todo punto del espacio y en todo momento los campos se hallan sobre planos perpendicularesa la dirección de propagación.Relación entre E y HPor otra parte, las ecuaciones de Maxwell imponen relaciones entre los campos. Por ejemplo, si ∂aplicamos la ley de Faraday: ∇ × E ( r , t ) + µ 0 H ( r , t ) = 0 ∂tDado que los campos dependen sólo de z y t y no existe componente según z: ˆ x y ˆ zˆ  ∂E y ∂H x ∂  ∂H x ∂H y  − = − µ0  ∂z ∂t 0 0 = − µ0   ∂t x + ∂t y  ⇒  ∂E ˆ ˆ ∂z   ∂H y  x = − µ0 Ex E y 0  ∂z  ∂tCada componente de los campos de una onda plana debe tener la forma f ( z m ct ) , de modo ∂ d ∂u d ∂ d ∂u dque, tomando: u = z m ct ⇒ = = , = = mc ∂z du ∂z du ∂t du ∂t duy entonces: ∂E y ∂H x dE y dH x 1 = µ0 ⇒ = m cµ 0 ⇒ Hx = m Ey ∂z ∂t du du η0 ∂E x ∂H y dE x dH y 1 = −µ 0 ⇒ = ±cµ 0 ⇒ Hy =± Ex ∂z ∂t du du η0donde η0 = µ 0 / ε 0 . Estas ecuaciones se pueden reescribir en forma vectorial: z × E (r , t ) ˆ H (r, t ) = ± η0 Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  4. 4. Electromagnetismo 2004 8-4η0 es una magnitud que tiene dimensiones de impedancia y se denomina impedancia intrínsecadel vacío: η0 ≅ 377 Ω E En la ecuación que relaciona los campos, el signo (+) del doble signo H z corresponde a una onda progresiva. Se observa que el campo magnético es perpendicular al campo eléctrico y ambos resultan perpendiculares a la dirección de propagación. Los tres vectores forman así un triedro. Las relaciones halladas (de transversabilidad y entre los campos) son válidas para cualquier forma de onda plana.Ejemplo 8.1: Una onda plana se propaga en el vacío en la dirección y sentido de +z. En a 2 E0 t = 0 el campo eléctrico vale: E x (0, t ) = donde E0 y a son constantes. Si los cam- a 2 + c 2t 2 pos no alteran su dirección en la propagación, escriba la expresión de E(r,t) y H(r,t). ¿Cum- plen estos campos las ecuaciones de Maxwell? Se trata de una onda plana progresiva, de modo que debe tener la forma f ( z − ct ) . Por lo tanto, la expresión del campo eléctrico (que se propaga paralelo a sí mismo) es: a 2 E0 x ˆ E(r, t ) = a + ( z − ct )2 2 De aquí puede calcularse fácilmente el campo magnético como: z × E( r , t ) ˆ a 2 E0 / η0 y ˆ H (r , t ) = ⇒ H (r , t ) = η0 a + ( z − ct ) 2 2 Como estos campos tienen la forma de la solución de la ecuación de ondas, que surge de las ecuaciones de Maxwell para un recinto vacío sin fuentes de campo, se ve que deben satisfa- cer las ecuaciones de Maxwell.Vector de Poynting y densidad de energíaEl vector de Poynting de una onda plana en el vacío es:  z × E (r , t )  ˆ E 2 (r , t ) E 2 (r , t )N ( r , t ) = E (r , t ) × H ( r , t ) = E ( r , t ) ×  ±  =±  ˆ z ⇒ N (r , t ) = ± ˆ z  η0  η0 η0donde el signo (+) vale para la onda progresiva y el signo (-) para la onda regresiva.Este resultado es válido cualquiera sea la forma de onda de la onda plana.La densidad de energía de una onda plana en el vacío puede escribirse: 1 2 1 [ u (r , t ) = [E(r , t ) • D(r , t ) + H (r , t ) • B(r , t )] = ε 0 E 2 (r , t ) + µ 0 H 2 (r , t ) 2 ] 1 E (r , t )  1 [ ] 2 = ε 0 E 2 (r , t ) + µ 0  = ε 0 E (r , t ) + ε 0 E (r , t ) = ε 0 E (r , t ) 2 2 2 2 η02  2y finalmente: u (r , t ) = ε 0 E 2 (r , t )Se observa que la contribución del campo eléctrico y la contribución del campo magnético soniguales. La energía está "equipartida" entre ambos campos. Además, podemos ver que: N (r , t ) zˆ =± = ±cz ˆ u (r , t ) η 0ε 0Esta es la llamada velocidad de la energía, que describe la velocidad con que el frente de onda(el plano frontera entre la región donde hay campo y la región donde no hay campo) transporta laenergía. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  5. 5. Electromagnetismo 2004 8-5Ondas monocromáticas o armónicasComo en el caso de ondas en líneas de transmisión, un caso particular de funciones que satisfa-cen la ecuación de ondas son las funciones armónicas: g ( z m ct ) = g 0 sen(ωt m kz + ϕ 0 ), g 0 cos(ωt m kz + ϕ 0 )donde g 0 es la amplitud y ϕ 0 un ángulo de fase. Estas son funciones de una única frecuencia f = ω / 2π . Se define el número de onda k = ω / c = 2π / λ en función de la longitud de ondaλ. Estas son funciones de onda periódicas, con periodo T = λ / c = 1 / f .Debido a que cualquier función de cuadrado integrable es representable mediante una integral ∞ ∫ Gω ( z) eide Fourier: g ( z, t ) = (ω t − kz ) dω (onda progresiva) 0(o una serie de Fourier si la función es periódica) y esta representación es una superposición defunciones armónicas, es posible analizar las propiedades físicas generales de las ondas electro-magnéticas usando ondas de una única frecuencia u ondas monocromáticas.Es común utilizar la representación fasorial de las ondas armónicas: ~ { } { } g ( z m ct ) = g 0 cos(ωt m kz + ϕ 0 ) = ℜe g 0ei (ωt m kz ) = g 0 ℜe ei (ωt m kz +ϕ 0 ) ~donde hemos usado el complejo g = g e iϕ 0 . En muchas ocasiones sobreentenderemos el signo 0 0de “parte real”, cuando realicemos operaciones lineales (p.ej., suma algebraica, derivación inte-gración, etc.). En tal caso es indiferente operar con los números complejos y tomar la parte realal final u operar desde el principio con las partes reales. Sin embargo, si la operación a realizar no es lineal (producto, cociente, potencia, etc.) es imprescindible operar desde el principio con las “partes reales”, que representan las cantidades físicas verdaderas.La ecuación de ondas de D’Alembert se convierte en la ecuación de Helmholtz en el caso deondas armónicas: 1 ∂ 2E ω2 ∇ 2E − =0 ⇒ ∇2 E + 2 E = 0 ⇒ ∇ 2 E + k 2E = 0 con k = ω /c c ∂t 2 2 cy lo mismo ocurre con la ecuación de onda para el campo magnético.En coordenadas cartesianas esta ecuación vectorial se convierte en tres ecuaciones escalares, unapara cada componente del campo.Vector de ondaLa expresión fasorial de la onda monocromática: ~ g ( z , t ) = g 0ei (ωt − kz )representa una onda plana monocromática progresiva que se propaga según +z. Sin embargo, enmuchas ocasiones es necesario describir la propagación de una onda plana en una direccióncualquiera del espacio ς. Para ello se usa el vector de onda o vector de propagación k: ~ { } g (r, t ) = ℜe g 0 ei (ω t − k •r ) con k = kζˆque es un vector cuya dirección y sentido es el de la propagación y cuyo módulo es ω/c.Una onda monocromática plana que se propaga según el vector de onda k tiene campos sobreplanos transversales a k. Si suponemos una onda linealmente polarizada: E(r, t ) = ℜe{E 0 e 0 e i (ω t − k •r ) } ~ ˆ E ~  ςˆ × E(r, t ) k × E(r, t )  ˆ  H (r , t ) = = = ℜe  0 h 0 e i ( ω t − k • r )  η0 ωµ η 0    Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  6. 6. Electromagnetismo 2004 8-6 con ˆ h0 = ς × e0 ˆ ˆ ς k En esta representación fasorial, donde cada campo está descripto ~ por una amplitud (p.ej., E0 ) y una fase (ω t − k • r) , podemos defi- nir una onda plana como aquélla cuyas superficies de fase cons- r tante son planos. Se ve que las superficies de fase constante es- tán dadas por la expresión: ( ω t − k • r ) = cte. que es la ecuación de una familia de planos perpendiculares al vector de onda, y que O se mueven en la dirección y sentido de k a la velocidad c. Las magnitudes asociadas a la energía de la onda son: 2 E0 ~ N(r, t ) = E(r, t ) × H(r, t ) = ς cos 2 (ω t − k • r + ϕ 0 ) ˆ con E 0 = E 0 e iϕ 0 η0 cos 2 (ω t − k • r + ϕ 0 ) 2 2 u (r , t ) = ε 0 E = ε 0 E 0Ecuaciones de onda en forma fasorialVamos a analizar la forma que adoptan las ecuaciones de onda en el caso de campos monocro-máticos: ~ ~ ~ ~ E ( r , t ) = E ( r ) e iω t D (r , t ) = D (r ) e iω t H ( r , t ) = H ( r ) e iω t B ( r , t ) = B ( r ) e iω tEn un recinto vacío y libre de fuentes las ecuaciones de Maxwell son: ~ ~ ~ ∇ • E (r ) = 0 ∇ × E (r ) + i ω µ 0 H (r ) = 0 ~ ~ ~ ∇ • B (r ) = 0 ∇ × H (r ) − i ω ε 0 E (r ) = 0La ecuación de ondas de D’Alembert para el campo eléctrico resulta: 1 ∂ 2E ~ ~ ∇ 2E − 2 = 0 ⇒ ∇ 2 E + k 2 E = 0 con k = ω / c c ∂t 2que es una ecuación de Helmholtz. Se obtiene una ecuación idéntica para H. ~ ~ ~ ~ d 2EPara ondas planas linealmente polarizadas: E(r ) = E ( z ) x ⇒ ∇ 2 E = ˆ ˆ x dz 2 ~ d 2E ~ ~ ~y la ecuación de Helmholtz queda: 2 + k 2E = 0 cuya solución es: E ( z ) = E0e ± i k z dz ~ ~de modo que queda una solución fasorial: E(r, t ) = E 01 e i (ω t − k z ) + E 02 e i (ω t + k z ) que consiste enla superposición de una onda progresiva y una regresiva. Se obtiene una solución idéntica para el ~ ~ E 01 i (ω t − k z ) E 02 i (ω t + k z )campo magnético: H(r, t ) = e − e η0 η0donde se debe notar el signo negativo de la componente regresiva. Este signo lleva a que el vec-tor de Poynting de la onda regresiva apunte en el sentido negativo de z.Vector de Poynting y densidad de energíaConsideremos una onda plana linealmente polarizada progresiva: ~ ~ E0 E (r , t ) = E 0 x e i (ω t − k z ) ˆ H (r, t ) = y e i (ω t − k z ) ˆ η0Para calcular el vector de Poynting, como se trata de una operación no lineal, hay que expresarlos campos en su forma verdadera (la forma real): E E(r, t ) = E 0 x cos(ω t − k z + ψ 0 ) ˆ H(r, t ) = 0 y cos(ω t − k z + ψ 0 ) ˆ η0 Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  7. 7. Electromagnetismo 2004 8-7 ~donde E0 es el módulo y ψ 0 es el ángulo de fase del fasor E0. E 02Entonces: N (r , t ) = z cos 2 (ωt − kz + ψ 0 ) ˆ η 02 Nótese que multiplicando ingenuamente las formas fasoriales se obtendría: E 02 E2 ˆ e i 2 (ωt − kz +ψ 0 ) = 0 z cos [2 (ωt − kz + ψ 0 ) ] z ˆ 2 η0 2 η0 que es una cantidad completamente diferente (y errónea).Valores mediosLa ecuación hallada da el valor instantáneo del vector de Poynting. En la mayoría de los casosla magnitud significativa es su valor medio o promedio temporal, definido como: T 1 < N >= T ∫ N (r , t ) dt 0 para N(r,t) periódica de periodo T . Tenemos así: T 2π−k z +ψ0 1 E 02 z ˆ E 2z ˆ < N >= ∫ cos 2 ( ω t − k z + ψ 0 ) dt = 0 ∫ cos (ω t − k z + ψ ) d (ωt − k z + ψ ) 2 0 0 T η0 2 πη 0 0 −k z+ψ0 2π−k z +ψ 0 2π− k z +ψ 0 E 2z ˆ E 2z ˆ 1 + cos( 2u ) E02 z ˆ = 0 ∫ cos u du = 0 ∫ ⇒ < N >= 2 du 2 πη 0 2 πη 0 2 2η0 −k z+ψ0 −k z +ψ 0donde hemos usado la relación ω T = 2 π . La integral vale π.Podemos usar también la expresión del APENDICE 1 para hallar el valor medio del vector dePoynting en notación fasorial: 1 f g = ℜe f 0 g 0 2 ~ ~* ( ) ~*  ~ E0 Tenemos así: 1 2 ~ ~ N = ℜe E0 × H* = ℜe E0 0 ( 1 2   η  ) z = 0 ˆ E 2z 2η0 ˆ igual que antes. 0 El promedio temporal del vector de Poynting de una onda representa la potencia media que laonda transporta por unidad de área transversal a la propagación, y se conoce como intensidad dela radiación en las aplicaciones ópticas.Calculamos ahora la densidad de energía instantánea del campo electromagnético de una ondaplana, operando con las partes reales: 1 E2  1 2 ( 2  ) u (r, t ) = ε 0 E 2 + µ 0 H 2 =  ε 0 E 2 + µ0 η0   = ε 0 E 2 = ε 0 E02 cos2 (ω t − kz + ψ 0 ) Tomando el valor medio temporal, como en el caso del vector de Poynting: 1 < u > = ε 0 E0 < cos 2 (ω t − kz + ψ 0 ) > ⇒ 2 < u > = ε 0 E02 2Ondas no armónicasEn general, los campos de una onda plana linealmente polarizada en el vacío pueden representar-se mediante integrales de Fourier: ∞~ { E(r, t ) = ℜe ∫ E( z, ω ) e iωt dω 0 } H (r , t ) = 1 ∞ ~ ℜe ∫ z × E( z, ω ) e iωt dω ˆ η0 { 0 }que son las generalizaciones de la representación en serie de Fourier de un campo periódico.Para el análisis siguiente vamos a trabajar con funciones periódicas, aunque las conclusionesque hallemos se pueden extender a casos no periódicos. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  8. 8. Electromagnetismo 2004 8-8Entonces, representamos los campos de periodo T como: ∞ ~  1 ∞ ~  E(r, t ) = ℜe∑ En ( z ) einωt  H(r, t ) = ℜe∑ z × En ( z ) einωt  con ω = 2π / T ˆ n = 0  η0 n = 0 Estas representaciones tienen periodo T, como puede verse fácilmente comprobando que:E(r, t + T ) = E(r, t ) . Queremos calcular los valores medios del vector de Poynting y la densidadde energía en este caso. Para una onda progresiva: 2 2 E 2 (r, t ) 1  ∞ ~ inωt  1 ∞ ~ ∞ ~* − inωt  N (r, t ) = z = ℜe∑ En ( z ) e  z = ˆ ˆ ∑ En ( z ) e + ∑ En ( z ) e  z inωt ˆ η0 η0  n = 0  4η0  n = 0  n =0  2 1 ∞ ~ ∞ ~ ∞ ~* ∞ ~ ∞ ~ ∞ ~  ∑ E n ( z ) e ∑ E n ( z ) e + ∑ E n ( z ) e ∑ E*n ( z ) e−inωt + 2∑ E n ( z ) einωt ∑ E*n ( z ) e− inωt  z inωt inωt − inωt = ˆ 4η0  n = 0 n=0 n =0 n=0 n =0 n=0    1 ∞ ~ ~ ∞ ~* ~* ∞ ~ ~* i ( n − m )ωt  = ∑ E n ( z )E m ( z ) e 4η0 n = 0 i ( n + m )ωt + ∑ E n ( z )E m ( z ) e n=0 − i ( n + m )ωt + 2 ∑ E n ( z )E m ( z ) e n=0  m = 0  m=0 m=0  El valor medio del vector de Poynting es entonces: T 1 T∫ N(r) = N(r, t ) dt 0 ∞ T ∞ ∞  ˆ z ~ ~ ~ ~ ~ ~  E ( z)E ( z) ei (n + m)ωt + E* ( z)E* ( z) e−i (n + m)ωt + 2 E ( z)E* ( z) ei ( n −m)ωt  dt = ∑ n m 4η0T ∫ n =0 ∑ n m n =0 ∑ n m n =0  0 m = 0  m=0 m=0    T T T  z ∞ ~ ˆ ~ ∞ ~* ~ * ∞ ~ ~* = ∑En ( z)Em ( z) ∫ ei ( n + m)ωt dt + ∑En ( z)Em ( z) ∫ e− i ( n + m )ωt dt + 2 ∑En ( z)Em ( z)∫ ei ( n − m )ωt dt  4η0T n =0 n =0 n =0  m = 0  0 m =0 0 m=0 0   T ∫e ±i ( n + m )ωt dt = 0Pero por la ortogonalidad de las funciones e iωt : 0 T T si m = n ∫e i ( n − m )ωt dt =  0 0 si m ≠ n 2 ˆ En ( z ) z ∞y nos queda: N (r ) = ∑ n =0 2η0de donde se ve que el promedio temporal del vector de Poynting es la suma de los promediostemporales de los vectores de Poynting para cada armónica. Entonces podemos decir que, desdeel punto de vista de la energía, las distintas armónicas están desacopladas, es decir, no hay térmi-nos que involucren intercambio de energía entre una armónica y otra. ∞ 2 ε 0 En ( z)Lo mismo ocurre con la densidad de energía: u (r) = n=0 2 ∑Estos resultados se pueden extender al caso de una representación integral de Fourier3 para unafunción no periódica.Ejemplo 8.2: El campo eléctrico de una onda plana en el vacío es : E ( r, t ) = E 0 x[cos(ωt − kz ) + (1 / 3) cos 3(ωt − kz )] ˆ con k = ω / c3 Esta propiedad surge de un teorema matemático general vinculado con la representación de Fourier, que es el teo- ∞ ∞ ∫ f (t ) dt = ∫ F (ω ) dω 2 2rema de Parseval: f (t ) ↔ F (ω ) ⇒ 0 0 Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  9. 9. Electromagnetismo 2004 8-9Halle el campo magnético, el valor promedio del vector de Poynting y la densidad de energía.Se trata de una superposición de dos armónicas. El campo magnético asociado es: H(r, t ) = z × E(r, t ) / η 0 = (E 0 η 0 )y [cos(ωt − kz ) + (1 / 3) cos 3(ωt − kz )] ˆ ˆEl vector de Poynting instantáneo es: E02  2 1 2 N(r, t ) = E(r, t ) × H(r, t ) = z cos (ωt − kz) + cos2 3(ωt − kz ) + cos(ωt − kz) cos 3(ωt − kz) El ˆ η0  9 3 vector de Poyting es una función periódica del tiempo, de periodo T = 2π / ω (verificarlo). Elpromedio temporal del vector de Poynting es entonces: E02  1 2  N (r) = z  cos 2 (ωt − kz ) + cos 2 3(ωt − kz ) + cos(ωt − kz ) cos 3(ωt − kz )  ˆ η0  9 3  2 2 E0  1 1 1 2  5E0 = z + ˆ + 0 = ˆ z η 0  2 9 2 3  9 η0Se ve que el término que involucra el producto de las funciones de distinta frecuencia es nu-lo, como puede probarse en general a partir de los resultados de esta sección. El vectorpromedio de Poynting total es la suma de los vectores de Poynting medios para cada armó-nica.Lo mismo ocurre para la densidad de energía: N(r, t ) N (r, t ) N (r ) 5 E02 5 = c z ⇒ u (r, t ) = ˆ ⇒ u (r ) = = = ε 0 E02 u (r , t ) c c 9 η0 c 9En este caso no podemos calcular los valores medios usando las propiedades de la notaciónfasorial descripta en el APENDICE 1 porque la onda no es armónica o monocromática. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  10. 10. Electromagnetismo 2004 8-10Ondas esféricas elementalesEn las ondas esféricas elementales los campos dependen solamente de la distancia a un punto dereferencia, que se toma como origen de coordenadas: E(r,t) = E(r,t) H(r,t) = H(r,t)La ecuación escalar de ondas en coordenadas esféricas para este tipo de dependencia es: 1 ∂2 f 1 ∂  2 ∂f  1 ∂ 2 f ∇2 f − 2 2 = 0 ⇒ r − =0 c ∂t r 2 ∂r  ∂r  c 2 ∂t 2Para hallar la solución de esta ecuación de ondas, definimos: f (r , t ) = g (r , t ) / r de donde: ∂f r (∂g ∂r ) − g 1 ∂  ∂f  1 ∂  ∂g  1  ∂ g ∂g ∂g  1 ∂ g 2 2 = ⇒ 2  r2  = 2  r − g = 2 r 2 +  − = ∂r r2 r ∂r  ∂r  r ∂r  ∂r  r  ∂r ∂r ∂r  r ∂r 2  1 ∂  ∂f  1 ∂ f 2 ∂ g 1 ∂ g 2 2y la ecuación diferencial queda: 2  r 2  − 2 2 = 0 ⇒ − =0 r ∂r  ∂r  c ∂t ∂r 2 c 2 ∂t 2de donde se ve que, desde el punto de vista matemático formal, la ecuación para g es una ecua-ción de ondas planas, de forma que tiene la solución: g (r, t ) g (r m ct) g (r, t ) = g (r m ct) ⇒ f (r, t ) = = r rEl doble signo en la función del numerador define, como en el caso de las ondas planas, el senti-do de la propagación. El signo (-) corresponde a una onda “progresiva” que se propaga en elsentido creciente de r, mientras que el signo (+) corresponde a una onda “regresiva” que sepropaga en el sentido decreciente de r.Ondas monocromáticas o armónicasDe igual manera que en las ondas planas, el numerador de una onda esférica elemental f (r , t ) = g (r m ct ) / r puede expresarse mediante una representación de Fourier, una superpo- ~sición de ondas armónicas del tipo: f ( r, t ) = f 0 e i (ωt m kr ) / r con k = ω/ c . Todas las propiedadeshalladas para las ondas armónicas planas se aplican también a estas ondas esféricas elementalesarmónicas.Condiciones de transversabilidadPara analizar las condiciones de transversabilidad de los campos de una onda esférica es necesa-rio hallar las soluciones de la ecuación de onda vectorial. A diferencia del caso cartesiano, don-de los versores son constantes y la ecuación de onda vectorial se reduce a tres ecuaciones de on-da escalares sobre las componentes de los campos, en coordenadas esféricas esto no ocurre y esnecesario buscar otras relaciones, si existen, entre las soluciones de la ecuación de onda escalar ylas soluciones de la ecuación de onda vectorial. Estas relaciones fueron halladas por Mie y Deb-ye4 en estudios de dispersión luminosa por partículas.Sea f (r, t ) = f s (r ) eiωt la solución de la ecuación de ondas para ondas armónicas, de maneraque f s (r ) es solución de la correspondiente ecuación de Helmholtz. Entonces definimos los 1campos vectoriales: M (r, t ) = ∇ × [r f (r, t )] y N(r, t ) = ∇ × M (r , t ) kObservamos que ambos campos son solenoidales ( ∇ • M = ∇ • N = 0 ) por ser proporcionales aun rotor, y están ligados entre sí a través del rotor. Por lo tanto estas funciones son candidatas arepresentar los campos eléctrico y magnético en el vacío, que son solenoidales y están ligadosentre sí a través del rotor. Puede demostrarse que M satisface la ecuación vectorial de Helmholtz.4 G.Mie, Ann.Physik,25,377,1908 y P.Debye, Ann.Physik,30,57,1909. Para una presentación actual, ver C.F.Bohren y D.R.Huffman, "Absorption and Scattering of Light by Small Particles", Wiley, New York, 1983, pp. 83-84. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  11. 11. Electromagnetismo 2004 8-11Además como: M(r, t ) = ∇ × [r f (r , t )] = −r × ∇f (r, t )se ve que M es normal a r y de la ecuación que define a N este campo también resulta normal ar. Por lo tanto, en el vacío, las soluciones a la ecuación vectorial de ondas son campos transver-sales a la dirección de propagación en el caso de las ondas esféricas elementales.Impedancia intrínsecaLas ecuaciones del rotor ligan entre sí estas componentes transversales. Consideremos nueva-mente las soluciones generales de ondas esféricas elementales progresivas: e(r − ct ) h(r − ct ) E(r, t ) = H (r, t ) = r r ∂BTomamos la ley de Faraday: ∇ × E = − y tenemos así: ∂t rˆ rθˆ r sen θ ϕ ˆ ∂ ˆ ∂ ∂  − rθ ∂r (r sen θ Eϕ ) + r sen θ ϕ ∂r (rEθ ) 1 1   ∇×E= 2 0 0 = ˆ r sen θ ∂r r sen θ 2   0 r Eθ r sen θ Eϕ = 1 ∂ r ∂r [− (rEϕ )θˆ + (rEθ )ϕ = ˆ 1 ∂ r ∂r ] ˆ − eϕ θ + eθ ϕ ˆ ( ) − ∂B ∂t = − µ0 ∂ ∂t ( ˆ ) Hθ θ + H ϕ ϕ = − 0 ˆ µ ∂ r ∂t ˆ hθθ + hϕϕ ˆ( )y de la ley de Faraday: ∇ × E = 1 ∂ r ∂r ˆ ( − eϕθ + eθ ϕ = − ˆ ∂B ∂t =− 0 ) µ ∂ r ∂t ˆ hθθ + hϕϕ ˆ ( )entonces: ∂ ∂r ( ˆ − eϕθ + eθ ϕ = − µ ˆ ∂ ∂t ) ˆ hθθ + hϕϕˆ ( ) ∂ d ∂ dDefinimos la variable u = r − ct de donde: = = −c y entonces: ∂r du ∂t du eϕ = − µchθ = −ηhθ d ( ˆ − eϕθ + eθ ϕ = µc ˆ ) d ˆ hθθ + hϕϕ ⇒  ˆ ( ) du du  eθ = µchϕ = ηhϕdonde η0 = µ0 ε 0 es la impedancia intrínseca del vacío. Este par de ecuaciones que ligan a lascomponentes transversales de los campos entre sí se pueden resumir en las expresiones: r × ET ˆ ET = −η0 (r × H T ) ˆ HT = η0En general, ∇ • D(r, t ) = ρ (r , t ) , y el campo eléctrico no es solenoidal. En tal caso se requiereotro tipo de solución, que no produce ondas transversales. Esta solución es, en coordenadas esfé-ricas: L(r, t ) = ∇f (r, t ) donde f (r, t ) es la solución de la ecuación escalar de Helmholtz. En estecaso el campo eléctrico tiene una componente longitudinal en la dirección de propagación. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  12. 12. Electromagnetismo 2004 8-12Ondas cilíndricas elementalesEn las ondas cilíndricas elementales los campos dependen solamente de la distancia a un eje dereferencia, que se toma como eje z de un sistema de coordenadas: E(r, t ) = E( ρ , t ) H (r, t ) = H ( ρ , t )La ecuación escalar de ondas en coordenadas cilíndricas para este tipo de dependencia es: 1 ∂2 f  ∂f  1 ∂ 2 f 1 ∂ ∇2 f − =0 ⇒ ρ  ∂ρ  − c 2 ∂t 2 = 0  c 2 ∂t 2 ρ ∂ρ  A diferencia de las ondas planas no se puede reducir esta ecuación diferencial a una forma analí-ticamente simple o general. Sin embargo, es posible hallar las soluciones para ondas armónicas omonocromáticas, a partir de las cuales se puede hallar la solución general mediante la represen-tación de Fourier.Tomamos así: f ( ρ , t ) = f s ( ρ ) eiωt y nos queda la ecuación diferencial: 1 d  df s  ω 2 d  df s  ρ  dρ  + c 2 f s = 0 ⇒ ρ dρ  ρ dρ  + k ρ f s = 0    2 2 con k = ω / c ρ dρ    Esta es la ecuación de Bessel, que vimos en el Capítulo 7, para n = 0. Por lo tanto, la solución  A J 0 ( kρ ) + B Y 0 ( kρ ) k ≠0es: f s (ρ) =   A′ ln( ρ ) + B ′ k =0donde J 0 (kρ ) es la función de Bessel de orden cero (regular en el origen) y Y0 (kρ ) es la fun-ción de Neumann de orden cero (singular en el origen). Estas funciones son linealmente inde-pendientes. Para describir situaciones de propagación ondulatoria es conveniente usar otro par defunciones linealmente independientes: H 01) ( x) = J 0 ( x) + i Y0 ( x) ( H 0 2) ( x) = J 0 ( x) − i Y0 ( x) (que son las llamadas funciones de Hankel de primera y segunda especie.Finalmente, la solución armónica para las ondas cilíndricas elementales es: [ f ( ρ , t ) = A H 01)(kρ ) + B H 0 2 ) (kρ ) eiωt ( ( ]Para puntos lejanos (ρ → ∞), las funciones de Bessel tienden a (pág.7-5): 2  π 2  π x → ∞: J 0(x) →cos x-  Y0 ( x) → sen x-  πx  4 πx  4de modo que las funciones de Hankel tienden a:  π  π 2 i  x- 4  2 −i  x- 4  x → ∞: H (x) → (1) 0 e  H (x) → ( 2) 0 e   πx πx 2  i  ωt − kρ +    π  π i  ω t + k ρ- y entonces: x → ∞: f (ρ ,t) →  Ae  4 + Be  4  πk ρ    que se ve como la superposición de una onda progresiva (que se propaga en el sentido crecientede ρ) y una onda regresiva (que se propaga en el sentido decreciente de ρ).En forma similar a las ondas esféricas es posible hallar soluciones a la ecuación vectorial deonda en función de las soluciones a la ecuación escalar. En la propagación de ondas en el vacíopueden hallarse soluciones de ondas transversales.El cálculo de la impedancia intrínseca para la propagación de ondas transversales elementalesse complica por la presencia de las funciones de Bessel, pero se obtienen las mismas relacionesque en los casos cartesiano plano y esférico elemental. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  13. 13. Electromagnetismo 2004 8-13Superposición de ondasCuando hay más de una fuente de ondas electromagnéticas presentes simultáneamente se dan dossituaciones:• las fases de las fuentes están correlacionadas en el tiempo. En este caso se dice que las fuentes son coherentes. Los campos individuales de cada onda se superponen linealmente para dar un campo resultante. Esta superposición introduce diferen- cias de fase debido a la relación de fase original de las fuentes y la posición del punto de ob- servación, que llevan a una redistribución de la energía en el espacio que llamamos interfe- rencia. Un ejemplo de fuentes coherentes es un conjunto de antenas alimentadas desde una misma fuente.• las fases de las fuentes no están correlacionadas en el tiempo. En este caso se dice que las fuentes son incoherentes. Se superponen las intensidades (vecto- res de Poynting) individuales de las ondas para dar una intensidad resultante. Como las inten- sidades no contienen relaciones de fase, no se produce interferencia. Un ejemplo típico de fuentes incoherentes son las fuentes extensas de luz como un tubo fluorescente.Ejemplo 8.3: Analizar el comportamiento del campo emitido por dos fuentes de ondas planas linealmente polarizadas y monocromáticas de igual E1 E2 frecuencia que irradian coherentemente en la di- H2 N1 N2 z rección z. H1 d Los campos emitidos por cada fuente se ilustran en la figura. Tomamos un sistema coordenado con su eje x vertical y tenemos: 2 E0 E0 E1 (r, t ) = E0 x ei(ωt − kz) ˆ H1 (r, t) = y ei(ωt −kz) ˆ ⇒ N1 (r, t) = z cos2 (ωt − kz) ˆ η0 η0 2 E0 E0 E2 (r, t ) = E0 x ei[ωt + k ( z − d )] ˆ H2 (r, t) = − y ei[ωt + k ( z −d )] ⇒ N2 (r, t ) = − ˆ z cos2[ωt + k ( z − d )] ˆ η0 η0 donde se ha supuesto por simplicidad matemática que E0 es real. Obsérvense los signos de los vectores y su relación con el sentido de la propagación. La fuente de la izquierda genera una onda progresiva y la de la derecha (ubicada en z = d) una onda regresiva. Como la emi- sión de ondas es coherente, se suman los campos y se obtiene para el campo eléctrico:  kd   −i  kz − kd  i  kz −    kd  [ ] i  ωt −    E(r, t ) = E1 (r, t ) + E 2 (r, t ) = E0 x eiωt e −ikz + eik ( z − d ) = E0 x e  ˆ ˆ 2  e  2  + e  2        kd  i  ωt −   kd  E(r, t ) = 2 E0 x e ˆ  2  cos kz −   2  y análogamente para el campo magnético:  kd  E0 i  ωt −   kd  H (r, t ) = −2i y e  2  sen kz − ˆ  η0  2  Si tomamos las partes reales de estas expresiones fasoriales para obtener la forma verdade- ra de los campos:  kd   kd  E(r, t ) = 2 E0 x cos ωt − ˆ  cos kz −   2   2  2 E0  kd   kd  H (r, t ) = y sen  ω t − ˆ  sen  kz −  η0  2   2  Se ve que existen puntos donde los campos son siempre nulos: Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  14. 14. Electromagnetismo 2004 8-14  d π d λ k  z n −  = ( 2n + 1) ⇒ E(r , t ) = 0, H(r , t ) = máximo ⇒ z n = + ( 2 n + 1)  2 2 2 4  d d λ k  z m −  = mπ ⇒ H(r , t ) = 0, E(r , t ) = máximo ⇒ z m = + m  2 2 2 En los puntos en que el campo eléctrico es siempre nulo, el campo magnético oscila con amplitud máxima, y viceversa. Hay un desfasaje espacial de π/2. Se dice que los campos es- tán en cuadratura espacial. Además existe un desfasaje temporal de π/2. Se dice que los campos están en cuadratura temporal. Estas son características de una onda estaciona- ria. Para analizar el comportamiento energético, calculamos el vector de Poynting instantáneo: E2   kd    kd   N(r , t ) = E(r , t ) × H (r , t ) = 0 z sen  2 ωt − ˆ  sen 2 kz −  η0   2     2  2 E0   kd    kd   y su valor medio: N (r ) = z sen  2 ωt − ˆ  sen 2 kz −  =0 η0   2    2  No hay flujo de potencia en la onda estacionaria La densidad instantánea de energía es: u( r, t ) = 1 2 (ε 0 E 2 + µ 0 H 2 ) 1  kd  2  kd  E2 2 kd  2  kd   =  4ε 0 E0 cos2  ωt − 2  cos  kz −  + 4 µ0 0 sen  ωt −  sen  kz −  2  2   2  η0 2  2   2  2  kd  2  kd  2 kd  2 kd  = 2ε 0 E0 cos 2  ωt −  cos  kz −  + sen  ωt −  sen  kz −    2   2   2   2  y su valor medio:   kd  2 kd  2 kd  2 kd   u (r ) = 2ε 0 E02  cos 2  ωt −   cos  kz −  + sen  ω t −  sen  kz −    2   2   2   2    kd   kd   = ε 0 E 02  cos 2  kz −  + sen 2  kz −   = ε 0 E 02    2   2  y se observa que la distribución de la energía que transporta la onda es homogénea como la de la onda plana sin interferencia. Sin embargo, hay situaciones donde la interferencia produce una redistribución de la ener- gía en el espacio, como en el siguiente ejemplo.Ejemplo 8.4: Analizar el comportamiento del campo lejano emitido en el vacío por dos fuentes de ondas esféricas linealmente polarizadas y monocromáticas de igual frecuencia que irra- dian coherentemente. El campo creado en el vacío por una fuente esférica situada en el origen de coordenadas puede escribirse, en coordenadas esféricas: E 0 ˆ i ( ωt − kr ) E 0 ˆ i ( ωt −kr ) E(r, t ) = θe H(r, t ) = φe r η0 r Si el punto de observación es lejano, podemos aproximar suponiendo que los campos emitidos por ambas fuentes son r1 colineales, y entonces: r r2 ˆ  e − ikr1 e − ikr2  E(r, t ) = E1 (r , t ) + E 2 (r, t ) ≈ E0θ eiωt  +  θ  r1 r2  d E0 ˆ iωt  e − ikr1 e − ikr2  H (r , t ) ≈ φe  +  η0  r1 r2  Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  15. 15. Electromagnetismo 2004 8-15 dDe acuerdo a la figura, para puntos lejanos (r>>d): r1, 2 ≈ r ± cos θ 2Estas distancias entran en la expresión de los campos de dos formas: como un factor deamplitud en el denominador y como un factor de fase. Podemos simplificar aún más:r1, 2 ≈ r en el factor de amplitud, pero no podemos hacerlo en el factor de fase, porque aquí ladiferencia de fase da lugar a interferencia, que puede ser destructiva y anular el campo.Por lo tanto aproximaremos a orden cero ( r1, 2 ≈ r ) en la amplitud y a orden uno en la fase: E0 ˆ i (ωt − kr )  −ik 2 cos θ ik cos θ  d d 2 E0 ˆ i (ωt − kr )  d  E(r, t ) ≈ θe e +e 2 = θe cos k cosθ  r     r  2  2 E0 ˆ i (ωt − kr )  d  H (r, t ) ≈ φe cos k cosθ  η0 r  2 Podemos calcular el promedio del vector de Poynting ya que se trata de una onda armónica: N (r ) = 1 ( ~ ~ ℜe E × H * ≈ ) 2 E 02 η0 r 2  d  r cos 2  k cos θ  ˆ 2  2 y la densidad promedio de energía: N (r )  2ε E 2 2 2E0  d  d  u (r ) = ≈ cos 2  k cos θ  = 0 2 0 cos 2  k cos θ  c η 0 cr 2  2  r  2 Se ve que tanto la densidad media de energía como la densidad de flujo de potencia no sonisótropas, ya que dependen de la dirección de observación θ. Por otra parte, como k = 2π / λpodemos escribir: 2ε 0 E02  d  u(r) ≈ cos 2  π cos θ  y se observa que la anisotropía energética también es función de  λ 2 r la separación entre las fuentes, comparada con la longitud de onda de la radiación. Si grafi-camos para una distancia dada r la densidad de energía en función de θ para distintos valo-res de d / λ nos queda la figura, donde se nota claramente la anisotropía. <u>/<um> d/λ = 0.1 d/λ = 1.0 d/λ = 10.0 θ/π Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  16. 16. Electromagnetismo 2004 8-16InterferometríaUn dispositivo que utiliza la interferencia de ondas para realizar mediciones de alguna naturalezaes un interferómetro. Hasta mediados del siglo veinte, la interferometría se realizaba exclusi-vamente con ondas de luz, pero luego se han utilizado ondas electromagnéticas de múltiples fre-cuencias para diversos propósitos, como veremos al final de esta sección. Aunque el modelo deinterferómetro más conocido es el de Michelson, conectado con la búsqueda de las propiedadesdel “éter luminífero” y la historia de la teoría de la relatividad, el sistema más simple es el mode-lo de Fabry-Perot, que consiste (en forma simplificada) en un par de espejos paralelos de altareflectividad. Cuando uno de los espejos es móvil, modificando, como vemos más abajo, la lon-gitud de onda de la radiación a usar, se dice que el aparato es un interferómetro, mientras quecuando la distancia entre los espejos es fija, pero se dispone de un mecanismo para asegurar elparalelismo de los espejos, se dice que el aparato es un etalon. Este tipo de aparato está ligado aldesarrollo y construcción de la mayoría de los láseres, incluidos los láseres semiconductores, quedesempeñan un rol fundamental en las comunicaciones ópticas. En el caso ideal, la radiación consiste en ondas planas que viajan entre los dos planos espeja- dos según una dirección perpendicular a ellos. Los espejos son perfectos (es decir, la reflexión es total). Esto se logra con espe- jos hechos de un material conductor perfecto. Dentro del interfe- rómetro se producen ondas estacionarias porque los espejos se colocan en los nodos de la onda de campo eléctrico, tomando la distancia entre los espejos como un múltiplo entero de media longitud de onda: L = Nλ Si esta relación no se cumple, los campos en el interior del aparato no satisfacen las condiciones de L contorno y no pueden existir. Para que la radiación pueda entrar y salir del aparato en una aplicación práctica, se usan espejos imperfectos, de modo que tenemos radiación reflejada y transmi- tida por el aparato. Dentro del interferómetro se producen ahora ondas cuasi-estacionarias para la condición: L = Nλ Si esta relación no se cumple, la mayor parte de la energía incidente a la izquierda se refleja. En la figura se muestra una disposición don- de la radiación incide formando una ángulo θ con el eje óptico del sistema. La radiación que sale se enfoca sobre una pantalla (o un dispositivo de fotodetección) mediante una lente. La condi- ción de interferencia constructiva es ahora 2 L cosθ = Nλ . Dado L que los espejos no son perfectamente reflectores, la condición de onda estacionaria no se cumple exactamente, como tampoco se cumple si la longitud de onda se varía. Si se grafica la θ intensidad de la radiación transmitida en función de la longitud de onda se observa una curva continua con picos en las longitudes de onda de resonancia. El an- cho de estos picos depende de la reflectividad R de los espejos. Cuando mayor es la reflectividad, el sis- tema se acerca más al caso ideal y los picos tienden a deltas centradas en las posiciones de resonancia, co- mo se muestra en la gráfica de la figura. Las ecuacio- L nes que describen esta gráfica son5:5 Ver, por ejemplo, M.Young, “Optics and Lasers”, 4th.Ed., Springer-Verlag, Berlin,1992, p.136-138. Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar
  17. 17. Electromagnetismo 2004 8-17 I/I0 I0 L R bajo I= δ = 4π cosθ R alto 1 + F sen (δ / 2) 2 λ 4R F= es la fineza o resolución del interfe- (1 − R) 2 rómetro, que es una medida de la habilidad del aparato para resolver o distinguir entre longitudes de onda cercanas. Cuanto mayor es la reflectivi- dad de los espejos, mayor será el cambio en la L/λ intensidad transmitida para un cambio en la longi-tud de onda (o la frecuencia) de la onda incidente. Otra figura de mérito usada en el interferóme-tro es el rango espectral libre (FSR), que se define como la separación en longitud de onda en- 2d cosθtre dos máximos sucesivos, y vale: FSR = . Este parámetro indica el “ancho de banda” N2del aparato, ya que si se varía la longitud de onda más allá de la distancia entre máximos sucesi-vos se repite la respuesta y no es posible distinguir entre longitudes de onda separadas más alláde este rango. Si ahora fijamos la longitud de onda de la radiación incidente y variamos el ángulo de incidencia θ, habrá un conjunto de ángu- los diferentes para los cuales se satisface la ecuación 2 L cosθ = Nλ para sucesivos valores de N. Dado que esto ocu- rre para cualquier orientación φ alrededor del eje normal al eta- lon, los máximos de transmisión toman el aspecto de círculos concéntricos, como se muestra en la figura. Consideremos una fuente luminosa que irradia en un rango dado de longitudes de onda. Las figuras de interferencia que produce un interferómetro de cualquier tipo (que varían en el dominio delas longitudes de onda o de la frecuencia) son directamente proporcionales a la transformada deFourier de la fuente luminosa. Por lo tanto, se pueden usar interferómetros para realizar imáge-nes de fuentes luminosas. Esta propiedad se usa en astronomía para obtener imágenes de objetospoco brillantes como planetas, dado que en el proceso de la interferencia se puede sumar en con-trafase la luz de una estrella cercana para eliminar sus efectos.También se usan técnicas interferométricas para medir longitudes o distancias con gran preci-sión, observando el corrimiento de las franjas de interferencia con la separación de los espejos,uno de los cuales se halla en el objeto cuya distancia se desea conocer.En los últimos años ha crecido exponencialmente el uso de imágenes satelitales para obtenerinformación sobre áreas de terreno. Muchos de estos sistemas utilizan técnicas de radar para re-gistrar la altura topográfica de los accidentes geográficos o construcciones. El radar ilumina elárea con ondas electromagnéticas (normalmente microondas) y registra la intensidad y tiempo deviaje de las señales reflejadas. La resolución del sistema está determinada, entre otros factores,por el tamaño de la apertura óptica de la antena receptora: cuanto mayor la apertura, mejor reso-lución.Es posible obtener buena resolución para imágenes en el visible e infrarrojo, pero cuando se usanmicroondas se requieren tamaños de antena que son demasiado grandes para transportar y man-tener estables. Por ejemplo, para obtener una resolución de 100 m con un radar de λ = 5 cm des-de una altura de 800 Km requiere una apertura de unos 400 m de largo. Sin embargo, a estasfrecuencias existe la ventaja de poder “ver” el terreno aún en condiciones de nubosidad, niebla o Juan C. Fernández - Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – www.fi.uba.ar

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