¿Qué es una onda?

Descripción de la imagen: Las ondas electromagnéticas se forman por las vibraciones de los campos eléctricos y magnéticos. Estos campos siempre son perpendiculares entre sí pero también perpendiculares a la dirección de desplazamiento de la onda. Una vez formada, esta energía se desplaza a la velocidad de la luz hasta la próxima interacción con la materia.

Una onda es energía que se propaga

Decir que una onda es la propagación de una perturbación del medio no es suficiente para comprender qué es una onda.
Decir que la velocidad, la longitud de onda y la frecuencia son las 3 propiedades que caracterizan una onda no es suficiente para comprender qué es una onda.
Decir que una onda se desplaza con una velocidad determinada que depende de las características del medio de propagación no nos muestra la onda.
Decir que una onda transporta energía sin transportar materia aún no nos dice nada sobre la naturaleza de una onda.

Imaginemos ahora una cuerda que agitamos con un gesto vertical. Este simple movimiento dibujará una onda de cierta altura, que parece propagarse hacia adelante, pero en realidad ningún punto de la cuerda se desplaza; cada punto va y viene moviéndose verticalmente. Esta amplitud nos da una idea de la fuerza con la que agitamos la cuerda, pero no de la onda en sí. Para comprender qué es una onda, debemos eliminar la cuerda e imaginar las moléculas de aire sometidas a la presión mecánica de la cuerda. En ese momento, solo queda energía en el medio (el aire), una fuerza generada por el movimiento de la cuerda. Esta energía hace que la presión del aire oscile alrededor de un valor de equilibrio; la presión aumenta y disminuye alternativamente alrededor de este valor.

La onda (es decir, la energía) desplaza las moléculas de aire sin transportarlas. Mientras agitemos la cuerda, podemos medir la distancia entre 2 crestas o 2 valles; esta distancia es la longitud de onda medida en metros. El ritmo con el que agitamos la cuerda corresponde a la frecuencia de la onda medida en Hertz. La velocidad de la onda medida en metros/segundo es igual a la longitud de onda multiplicada por la frecuencia.

La onda y su campo

Una onda se propaga en un medio estable, capaz de volver a un estado de equilibrio; para una onda sonora es la presión del aire la que se desplaza con respecto a un valor medio. Para una onda electromagnética es la intensidad del campo electromagnético la que se desplaza con respecto a un valor medio del campo.

La electricidad puede ser estática, como el ámbar que, después de ser frotado, atrae objetos pequeños. El magnetismo también puede ser estático, como en un imán. Pero cuando estos campos se desplazan juntos, se convierten en ondas electromagnéticas transversales auto-propagantes.

Las ondas electromagnéticas se forman cuando un campo eléctrico se acopla con un campo magnético. En ese momento, oscilan en ángulo recto entre sí y se propagan perpendicularmente a la dirección del desplazamiento. En otras palabras, las vibraciones del campo magnético y del campo eléctrico siempre son perpendiculares entre sí pero también perpendiculares a la dirección de la onda.

Los dos tipos de ondas, mecánicas y electromagnéticas, son dos formas de transportar energía en un medio. Las olas en el agua y las ondas sonoras en el aire son dos ejemplos de ondas mecánicas. Este transporte de energía perturba o hace vibrar la materia (sólida, líquida, gas o plasma) sin transportarla; las moléculas de agua o aire chocan pero permanecen en el mismo lugar.

Un campo magnético variable induce un campo eléctrico variable y viceversa; ambos están íntimamente ligados. Estos dos campos, descritos por James Clerk Maxwell (1831-1879), cuando se acoplan, forman las ondas electromagnéticas (ver imagen). A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan un medio físico para propagarse; viajan a todas partes, incluso en el vacío espacial. La luz, las ondas electromagnéticas y todas las radiaciones provienen del mismo fenómeno físico: la Energía Electromagnética.

El campo es un concepto fundamental en física; no está constituido por nada más, es él mismo quien constituye el mundo real. Cuando una fuerza actúa sobre ellos, los campos transportan energía, desde los átomos hasta las grandes estructuras galácticas.

N.B.: La onda se dice transversal si la energía se desplaza perpendicularmente al sentido de desplazamiento de la onda (movimiento del brazo que agita la cuerda o la energía de una piedra cayendo en el agua). La onda se dice longitudinal si la energía se desplaza en el sentido de desplazamiento de la onda (el imán del altavoz). Una onda puede ser tanto longitudinal como transversal (una varilla que golpea un tambor).

Frecuencia, longitud de onda y energía

La frecuencia, la longitud de onda y la energía están matemáticamente relacionadas; basta con conocer uno de estos tres valores para calcular los otros dos.

Las ondas de radio y las microondas generalmente se describen en términos de frecuencia (en hertz), la luz infrarroja y visible en términos de longitud de onda (en metros), y los rayos X y rayos gamma en términos de energía (electronvoltios).

La frecuencia de la onda es el número de fenómenos periódicos o número de crestas que se reproducen en un segundo, según Heinrich Hertz (1857-1894) quien estableció la existencia de las ondas de radio. Desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, la frecuencia se mide desde unos pocos Hertz hasta 10²⁶ Hertz.

La longitud de onda es la distancia entre dos crestas. Las ondas más largas (ondas de radio) pueden medir varios kilómetros, mientras que las ondas más cortas (ondas gamma) pueden medir hasta 10^-12 metros (tamaño del núcleo atómico).

La energía de una onda electromagnética se mide en electronvoltios (eV). Un electronvoltio es la cantidad de energía cinética necesaria para mover un electrón a través de un potencial de tensión de 1 voltio. Las energías más bajas son las energías de las ondas de radio (unos pocos eV), mientras que las energías más altas son las de los rayos gamma (más allá de 100 keV).

N.B.: Entre la longitud de onda (λ) y la frecuencia (ν) existe la siguiente relación: ν = c / λ
ν = frecuencia de onda en hertz, c = velocidad de la luz en el vacío en m/s, λ = longitud de onda en metros.

¿Qué es la luz?

Según las ecuaciones de James Clerk Maxwell (1831-1879), la luz es una onda transversal electromagnética auto-propagante con componentes eléctricos y magnéticos donde los campos eléctricos y magnéticos oscilan en ángulo recto entre sí y se propagan perpendicularmente a la dirección en la que se desplazan indefinidamente a menos que sean absorbidos por la materia intermedia.
En otras palabras, cada tipo de campo (eléctrico y magnético) genera el otro para propagar toda la estructura compuesta en el espacio vacío a la velocidad finita de la luz.