Ondas EM - Interacción con la materia

[enridp]

Hola !
En otro foro hace abrí un post sobre ondas EM porque no me quedaba bien en claro que significaba el campo E y B en ese dibujito de una senoidal que me metían en físca 3.
Todavía estamos en debate pero las conclusiones no me gustaron demasiado:
a) Esa senoidal es imposible de crearla físicamente.
b) Las ondas EM (Maxwell) no sirven para analizar la interacción con la materia, hay que recurrir a la QED
c) Las ondas EM predicen que al colocarse una carga en medio de su linea de propagación, el campo eléctrico la va a empujar hacia arriba (bueno, en realidad en dirección del campo y dependiendo de la carga de prueba...). Esto no es lo que pasa, por el cotnrario se analiza con fotones y de ahí el efecto Compton, fotoeléctrico, etc.

Son conclusiones válidas? las ondas EM no me sirven para analizar la materia?
Cómo es que hace poco se calculó en este foro la velocidad de la luz con un microondas, un pedazo de queso y una regla? no se supuso en ese caso que la interacción con el queso era una onda? hasta tal vez incluso senoidal...

Saludos !
enri.

[pod]

Re: Ondas EM - Interacción con la materia

Hola !
En otro foro hace abrí un post sobre ondas EM porque no me quedaba bien en claro que significaba el campo E y B en ese dibujito de una senoidal que me metían en físca 3.

Nadie te obliga a que sean senosoidales. El hecho de que siempre se estudien ondas sinusoidales es debido a que (gracias a los teoremas de Fourier), cualquier señal periodica se puede descomponer en ondas sinosoidales. Por lo tanto, estudiando una onda sinosoidal, las estudias todas a la vez

a) Esa senoidal es imposible de crearla físicamente.

Ah sí? Pues nuestro querido sol lo hace bastante bien. Si haces pasar su luz por un primsa obtienes diferentes rayos de luz de colores. Cada uno de estos rayos no es mas que una onda sinosoidal.

b) Las ondas EM (Maxwell) no sirven para analizar la interacción con la materia, hay que recurrir a la QED

Claro que sirven. Las antenas de radio y televisión existen de mucho antes que la QED, y no se inventaron por casualidad sinó gracias a las "maxwellitas" (como me gusta llamar las ecuaciones de maxwell :P). De hecho, incluso la electrónica de los microchips se empezó a desarrollar con cuantica normal (de hecho, con la aproximación semiclasica), sin necesidad de llegar a QED.

Te falta entender el concepto clave de la cienca. Cada nueva teoria contiene completamente a la anterior (ya que la anterior funcionaba dentro de su rango de aplicación), y la extiende para incluir nuevos fenomenos que antes quedaban fuera del rango de aplicación. En este caso, las maxwellitas son correctas en situaciones donde hay gran cantidad de fotones. Si aplicamos QED en una situación con gran cantidad de fotones (tipo el numero de abogadro, o mucho mayor... como no tienen masa, es "gratis" crearlos practicamente ), los efectos cuánticos de unos se cancelan estadísticamente con los otros, y en el límite se obtienen exactamente las ecuaciones de Maxwell (o maxwelitas ).

Por lo tanto, tu aformación no es del todo correcta. Tan sólo se necesita recurrir a QED en situaciones de pocos fotones.

c) Las ondas EM predicen que al colocarse una carga en medio de su linea de propagación, el campo eléctrico la va a empujar hacia arriba (bueno, en realidad en dirección del campo y dependiendo de la carga de prueba...). Esto no es lo que pasa, por el cotnrario se analiza con fotones y de ahí el efecto Compton, fotoeléctrico, etc.

Y es lo que pasa, por ejemplo, en las antenas de radio y televisión. Tu confusión es la que conté antes. Los efectos Compton, fotoeléctrico, etc. son manifestaciones de un solo fotón. Si hablas de onda, incluyes un gran número de fotones. El hecho de que la carga tienda a oscilar no es mas que el resultado promediado de un gran número de interacciones individuales que tienden a cancelar todas las fluctuaciones cuánticas.

Son conclusiones válidas? las ondas EM no me sirven para analizar la materia?

Creo haber contestado a eso.

Cómo es que hace poco se calculó en este foro la velocidad de la luz con un microondas, un pedazo de queso y una regla? no se supuso en ese caso que la interacción con el queso era una onda? hasta tal vez incluso senoidal...

Si bien la "luz" emitida por el magnetron es bastante monocromática (i.e, senosoidal), al estar encerrada en una cabidad se produce una situación de ondas estáticas.

[enridp]

Gracias pod !
me quedo un poco más tranquilo, sino para qué trabajó tanto Maxwell??? !
Te comento como había surgido el tema a ver si me podés ayudar a hacerme una imagen visual del asunto que por lo visto la tengo bastante deformada:

La idea era entender cómo era la interacción del campo E (o B) de una onda EM con la materia, es decir, se comporta como un campo E cualquiera? exactamente igual que el creado por una carga?
Trato de aclarar...
Supongamos un láser, es una onda EM, por qué empujaría a una carga en la dirección de propagación y no en la dirección del campo E.
Por otro lado, una carga cercana al láser (el haz le pasa al lado) sufriría los efectos del campo E de la onda EM?

[pod]

Gracias pod !
me quedo un poco más tranquilo, sino para qué trabajó tanto Maxwell??? !

No trabajó tanto. De las cuatro ecuaciones solo una es original suya.

Te comento como había surgido el tema a ver si me podés ayudar a hacerme una imagen visual del asunto que por lo visto la tengo bastante deformada:

La idea era entender cómo era la interacción del campo E (o B) de una onda EM con la materia, es decir, se comporta como un campo E cualquiera? exactamente igual que el creado por una carga?
Trato de aclarar...

La carga se verá sometida a la fuerza de lorentz:

F = q ( E + v x B ),

solo que ahora E y B dependen del tiempo.

Supongamos un láser, es una onda EM, por qué empujaría a una carga en la dirección de propagación y no en la dirección del campo E.

Quien te ha dicho q se desplazaria en la dirección de propagación?

Por otro lado, una carga cercana al láser (el haz le pasa al lado) sufriría los efectos del campo E de la onda EM?

Depende de lo confinada que este la onda. Todo depende del valor de los campos en el lugar exacto donde está la carga.

[enridp]

El láser no "empujaría" a la carga?
La verdad no lo probé nunca pero se ve en todas las películas de ciencia ficción, y esa gente si que sabe...
De verdad no empuja?
Lo que me dijeron fue que el láser si empuja, pero eso es porque tampoco puede analizarse con Maxwell ya que es una predicción de la cuántica y no de las ondas EM (es decir, en el ámbito de Maxwell no existirían los lásers).
Ahora me desconcertó un poco eso que me contás pod, no se si te entendí. Si una carga está "al lado" del láser, pero no es tocada por este, puede sufrir igual los efectos del campo eléctrico de la onda EM del láser? no llego a visualizarlo por qué...

Lo que estoy tratando de entender, o más bien de aprender, es la interacción de las ondas EM con la materia, pero lo único que encuentro es sobre absorción y transparencia, me interesaba más bien la interacción con cargas sueltas, tal vez sería en estado de plasma.
Mi duda surge más o menos al tratar de ver los efectos que tendría una onda electromagnética por ejemplo en el manejo de cargas, o generación de corrientes (es decir, tratar de simular los efectos de un campo eléctrico generado por ejemplo por una fuente de voltaje pero aprovechando el campo E que posee la onda electromagnética).
No se, a lo mejor me pueden orientar en cómo buscar información sobre eso, porque estoy renegando bastante para hallar algo bueno.

Y ya que estamos en el tema tal vez me pueda sacar una duda vieja que tengo... cuál es la interpretación de la frecuencia del fotón? es decir, por qué se habla de frecuencia? (será una cuerda que vibra a esa frecuencia?) porque imaginarme una partícula con frecuencia se me complica un poco, y si un fotón por ser uno solo, uno solito, nunca se va a comportar como una onda (o si? :?), donde está la interpretación de esa frecuencia que se le asigna?

Saludos !

[pod]

El láser no "empujaría" a la carga?
La verdad no lo probé nunca pero se ve en todas las películas de ciencia ficción, y esa gente si que sabe...

Lo que me ha dicho!!! Rigor fisico en la ciencia ficción? Pero que dices! Es mas facil aprender a jugar a futbol leyendo el corán que fisica viendo ciencia ficción.

De verdad no empuja?
Lo que me dijeron fue que el láser si empuja, pero eso es porque tampoco puede analizarse con Maxwell ya que es una predicción de la cuántica y no de las ondas EM (es decir, en el ámbito de Maxwell no existirían los lásers).

El proceso de generación del laser tiene q ver con la cuántica. Una vez generado, no es mas que un haz de luz monocromatica coherente com cualquier otro.

Ahora me desconcertó un poco eso que me contás pod, no se si te entendí. Si una carga está "al lado" del láser, pero no es tocada por este, puede sufrir igual los efectos del campo eléctrico de la onda EM del láser? no llego a visualizarlo por qué...

Yo no he dicho eso. Lee bien.

Lo que estoy tratando de entender, o más bien de aprender, es la interacción de las ondas EM con la materia, pero lo único que encuentro es sobre absorción y transparencia, me interesaba más bien la interacción con cargas sueltas, tal vez sería en estado de plasma.

Y para que quieres saber eso?

La física de los plasmas es extremadamente complicada y poco tiene que ver con la de una carga aislada.

Mi duda surge más o menos al tratar de ver los efectos que tendría una onda electromagnética por ejemplo en el manejo de cargas, o generación de corrientes (es decir, tratar de simular los efectos de un campo eléctrico generado por ejemplo por una fuente de voltaje pero aprovechando el campo E que posee la onda electromagnética).
No se, a lo mejor me pueden orientar en cómo buscar información sobre eso, porque estoy renegando bastante para hallar algo bueno.

Ya te lo hemos dicho, F = q ( E + v x B ), donde E y B son función del tiempo. ¿Que función? depene de la onda. Si es una onda sinosoidal, pues E y B son senos y/o cosenos.

Y ya que estamos en el tema tal vez me pueda sacar una duda vieja que tengo... cuál es la interpretación de la frecuencia del fotón? es decir, por qué se habla de frecuencia? (será una cuerda que vibra a esa frecuencia?) porque imaginarme una partícula con frecuencia se me complica un poco, y si un fotón por ser uno solo, uno solito, nunca se va a comportar como una onda (o si? :?), donde está la interpretación de esa frecuencia que se le asigna?

Un fotón no tiene frecuencia. Tiene energía. Llamemosla E.
Lo que nos dice Planck es que una onda electromagnetica de frecuencia f está compuesta (a nivel cuantico) por una cantidad enorme de fotones de energía E = h f. Es una relación entre una cantidad macroscopica (la frecuencia) con una cantidad microscopica (la energía de cada fotón).

[enridp]

Saludos !
Leyendo bien como me pides dice:

Depende de lo confinada que este la onda. Todo depende del valor de los campos en el lugar exacto donde está la carga.

Entonces supongo que te referís a que en un láser bien se podrían escapar algunas ondas electromagnéticas para todos lados o no? pero si nos remitimos a un láser ideal... no hay forma de que una carga situada cerca del láser sienta el efecto del campo eléctrico de sus ondas no?
Si es así es eso por ahí lo que me llama poderosamente la atención, es como algo bien discontinuo, es decir, "dentro" del láser podemos tener un campo eléctrico tal vez incluso bastante amplio, y a unos micrones de el no queda nada de ese campo?

Con respecto al fotón entonces, si queremos formar una onda senoidal de 1 Hz, entonces TODOS los fotones deben tener Energía = h? Si no no se forma la onda con esa frec.?
Y si por ejemplo queremos formar una onda cuadrada de 1Hz? que energía tienen los fotones? es decir, esa frecuencia se refiere a que "forma" de onda? senoidal? y entonces en una cuadrada habría gran cantidad de fotones con muchas frecuencias diferentes (infinitas según Fourier para formar una onda cuadrada con senos...)?
Perdón ops: , sigo sin ver bien lo de la frecuencia...


enri.
PD: por supuesto que lo de la ciencia ficción era broma

[pod]

Saludos !
Leyendo bien como me pides dice:

Depende de lo confinada que este la onda. Todo depende del valor de los campos en el lugar exacto donde está la carga.

Entonces supongo que te referís a que en un láser bien se podrían escapar algunas ondas electromagnéticas para todos lados o no? pero si nos remitimos a un láser ideal... no hay forma de que una carga situada cerca del láser sienta el efecto del campo eléctrico de sus ondas no?
Si es así es eso por ahí lo que me llama poderosamente la atención, es como algo bien discontinuo, es decir, "dentro" del láser podemos tener un campo eléctrico tal vez incluso bastante amplio, y a unos micrones de el no queda nada de ese campo?

Dejaré que tu mismo juzges que sentido tiene hablar de "laser ideal".

Con respecto al fotón entonces, si queremos formar una onda senoidal de 1 Hz, entonces TODOS los fotones deben tener Energía = h? Si no no se forma la onda con esa frec.?

Por que me preguntas cosas que acabo de explicar?

Y, por favor, no escribas cosas como "E = h", un poco de respeto por las unidades, ya que dejas explicitas las constantes.

Y si por ejemplo queremos formar una onda cuadrada de 1Hz? que energía tienen los fotones? es decir, esa frecuencia se refiere a que "forma" de onda? senoidal? y entonces en una cuadrada habría gran cantidad de fotones con muchas frecuencias diferentes (infinitas según Fourier para formar una onda cuadrada con senos...)?

Una onda cuadrada no tiene una frecuencia, sino infinitas (= armónicos). La diferencia entre las diferentes formas de una onda es la proporción de cada armónico. La cantidad de fotones que componen dicha onda deberá respetar esa proporción.

[deneb]

Me da pena entrometerme en la discusión, os ha quedado muy bonita y sé que mezclar mi comentario puede resultar confuso. De cualquier forma me gustaría decir algo acerca de lo que escribías respecto al láser. Quizá a lo que te estés refiriendo cuando hablas de "empujar" sea a la presión de radiación... no estoy seguro de ello y por eso dejo este comentario en vilo (igualmente me parece que esa presión no da para mover a una persona xD)
De cualquier forma, usando las ecuaciones de Maxwell macroscópicas (que no son sino promedios estadísticos de las ecuaciones de Maxwell usuales) junto con ciertos "nuevos" campos , se pueden explicar muy satisfactoriamente todas las interacciones entre materia y ondas electromagnéticas (revisa cualquier libro de óptica física, por ejemplo). Sin embargo, como creo que dijo pod, determinados fenómenos bastante especiales e importantísimos solo se explican por medio de razonamientos cuánticos (para hacer una teoría realista de, por ejemplo, las resonancias en materiales conductores e incluso dieléctricos es necesario hacer uso de la mecánica cuántica. También para explicar correctamente fenómenos óptios de alta potencia como los del láser).

[enridp]

Dejaré que tu mismo juzges que sentido tiene hablar de "laser ideal".

Me refería a un haz de luz que sea colimado monocromático y coherente, perfectamente colimado, perfectamente monocromático y perfectamente coherente (polarizado también ya que está...).
Así todos los rayos de luz tendrían su vector de Pointing en la misma dirección. Entonces una carga que está al límite del contacto con un láser no sentiría ninguna fuerza ya que no le llega ningún campo E y B? y si por esas casualidades se mueve solo una distancia de planck de modo que ahora sí está en contacto con el láser entonces si experimentaría la fuerza correspondiente a los campos?
Es eso lo que me "marea" un poco, en un punto tendríamos un campo E tal vez bastante amplio y en el inmediatamente siguiente ya no tenemos nada. Por eso creo que está mal mi forma de verlo y simplemente estaba preguntando como debería ver a los campos E y B de las ondas EM, por ejemplo en el caso del láser que comentamos ya.

Con respecto al fotón entonces, si queremos formar una onda senoidal de 1 Hz, entonces TODOS los fotones deben tener Energía = h? Si no no se forma la onda con esa frec.?

Por que me preguntas cosas que acabo de explicar?

Tal vez porque no entendí la explicación no?
Decías:

Lo que nos dice Planck es que una onda electromagnetica de frecuencia f está compuesta (a nivel cuantico) por una cantidad enorme de fotones de energía E = h f. Es una relación entre una cantidad macroscopica (la frecuencia) con una cantidad microscopica (la energía de cada fotón).

Pero no me queda claro lo de "cantidad enorme" de fotones. Significa una proporción de 99%? significa que en realidad todos son de esa frec?
Por otro lado hablamos de frecuencia y no definimos de que forma de onda, todas las ondas tienen frecuencias, supuse que serían senoidales ya que siempre lo reducimos a eso, pero una onda cuadrada también tiene frecuencia. Y si los fotones se refieren a frecuencia senoidal, entonces me pregunto si no es teóricamente imposible formar una onda cuadrada con fotones ya que se necesitarían una cantidad infinita para aproximarla a la perfección.
Simplemente no me sigue quedando claro lo de la "frecuencia del fotón", y en ningún libro de física que tengo o que leí aclara el tema, de hecho en mi facultad Física III (ondas electromagnéticas) y Física IV (mecánica cuántica básica) se da muy por arriba, son cuatrimestrales, y no se profundiza sobre ningún tema, entonces cuando uno calcula la energía de un fotón simplemente mira su tablita de formulitas, encuentra E=hf, y listo, si tiene la f calcula la E, la f obviamente te la da el enunciado... asique nada más creí que tal vez alguien del foro me podría aclarar bien lo de la f...

[pod]

Dejaré que tu mismo juzges que sentido tiene hablar de "laser ideal".

Me refería a un haz de luz que sea colimado monocromático y coherente, perfectamente colimado, perfectamente monocromático y perfectamente coherente (polarizado también ya que está...).
Así todos los rayos de luz tendrían su vector de Pointing en la misma dirección. Entonces una carga que está al límite del contacto con un láser no sentiría ninguna fuerza ya que no le llega ningún campo E y B? y si por esas casualidades se mueve solo una distancia de planck de modo que ahora sí está en contacto con el láser entonces si experimentaría la fuerza correspondiente a los campos?
Es eso lo que me "marea" un poco, en un punto tendríamos un campo E tal vez bastante amplio y en el inmediatamente siguiente ya no tenemos nada. Por eso creo que está mal mi forma de verlo y simplemente estaba preguntando como debería ver a los campos E y B de las ondas EM, por ejemplo en el caso del láser que comentamos ya.

Me reitero en que tu mismo valores la posibilidad de tener tal haz.

Con respecto al fotón entonces, si queremos formar una onda senoidal de 1 Hz, entonces TODOS los fotones deben tener Energía = h? Si no no se forma la onda con esa frec.?

Por que me preguntas cosas que acabo de explicar?

Tal vez porque no entendí la explicación no?
Decías:

Lo que nos dice Planck es que una onda electromagnetica de frecuencia f está compuesta (a nivel cuantico) por una cantidad enorme de fotones de energía E = h f. Es una relación entre una cantidad macroscopica (la frecuencia) con una cantidad microscopica (la energía de cada fotón).

Pero no me queda claro lo de "cantidad enorme" de fotones. Significa una proporción de 99%? significa que en realidad todos son de esa frec?
Por otro lado hablamos de frecuencia y no definimos de que forma de onda, todas las ondas tienen frecuencias, supuse que serían senoidales ya que siempre lo reducimos a eso, pero una onda cuadrada también tiene frecuencia. Y si los fotones se refieren a frecuencia senoidal, entonces me pregunto si no es teóricamente imposible formar una onda cuadrada con fotones ya que se necesitarían una cantidad infinita para aproximarla a la perfección.
Simplemente no me sigue quedando claro lo de la "frecuencia del fotón", y en ningún libro de física que tengo o que leí aclara el tema, de hecho en mi facultad Física III (ondas electromagnéticas) y Física IV (mecánica cuántica básica) se da muy por arriba, son cuatrimestrales, y no se profundiza sobre ningún tema, entonces cuando uno calcula la energía de un fotón simplemente mira su tablita de formulitas, encuentra E=hf, y listo, si tiene la f calcula la E, la f obviamente te la da el enunciado... asique nada más creí que tal vez alguien del foro me podría aclarar bien lo de la f...

Para que las ecuaciones de maxwell sean extrictamente correctas debes tener infinitos fotones. Ese es el significado de "cantidad enorme". Cuanto más "enorme", más aproximadamente ciertas son las ecuaciones de maxwell.

Si es posible avancemos un poco y dejemos de responder cada vez las mismas cuestiones.

[Ulises2357]

Toda teoria fisica creada sirve hasta donde la teoria arriesga, aunqe tendria que decir que servir tambien puede ser "sirve para comprender mejor tal/es fenomeno/s" como alguna que otra teoria.

[Dramey]

Toda teoria fisica creada sirve hasta donde la teoria arriesga, con esto digo que sos un corto de mente

¿Es solo a mi o al resto también le parece que esto es "mear fuera del tiesto"?

[_FoX_]

Hola a todos,

cito:

Toda teoria fisica creada sirve hasta donde la teoria arriesga, con esto digo que sos un corto de mente

mmm.. leí la discusion entera y creo que ya se discutió acerca de los límites de las ecuaciones de Maxwell por si no habrá leido.

¿Es solo a mi o al resto también le parece que esto es "mear fuera del tiesto"?

Probablemente.

[Garubi]

Re: Ondas EM - Interacción con la materia

Bueno,

en primer lugar hola, soy nuevo aquí. Creo que lo de Ulises tiene quizás que ver con la afirmación de POD de que las nuevas teorías físicas contienen a las viejas, en el sentido de que las viejas siguen siendo válidas para el rango de valores empíricos accesibles en el momento de su enunciación.

Yo discrepo en parte de esto, porque pienso que cada nueva teoría viene acompañada generalmente de un cambio, aunque sea parcial, de paradigma; esto es, de la forma en que es interpretada la realidad.

Pienso que hay "una parte de cálculo", en que las teorías buenas tendrán validez siempre -en el rango de validez de la teoría- a efectos de obtener un resultado partiendo de unos parámetros iniciales, pero lo bonito para mí es el valor añadido en el plano heurístico, por ejemplo, la interpretación de una fuerza como una deformación del espacio-tiempo, la asociación de estas dos magnitudes en una nueva entidad física ... no sé, creo que la riqueza de una nueva teoría está más allá de que operacionalmente "funcione".

(Me temo que yo también me he ido un poco del tema )

Ya más dentro de lo hablado, me desconcierta un poco lo dicho también por POD sobre la frecuencia de la luz como fenómeno macroscópico:

Lo que nos dice Planck es que una onda electromagnetica de frecuencia f está compuesta (a nivel cuantico) por una cantidad enorme de fotones de energía E = h f. Es una relación entre una cantidad macroscopica (la frecuencia) con una cantidad microscopica (la energía de cada fotón).

¿No debería portar cada fotón individualmente su frecuencia, independientemente del que el haz se corresponda con esa frecuencia?

Un saludo