Naturaleza de las ondas electromagnéticas

Estás mezclando dos fenómenos (relacionados): ondas EM y corrientes en un conductor, supongo que porque "tienen una frecuencia".

EM waves (es decir, las perturbaciones de los campos EM que pueden viajar en el espacio) pueden generarse mediante corrientes variables en el tiempo que circulan en los conductores, mientras que las ondas EM que golpean a los conductores pueden inducir corrientes en ellos. Esa es la relación entre los dos fenómenos. La frecuencia de la onda EM generada es la misma que la de la corriente y viceversa.

Este es el cuadro general, en términos cualitativos. Independientemente de que, en un caso dado, la generación de ondas EM sea despreciable, depende del problema específico en cuestión, y lo mismo se aplica para determinar si una corriente no despreciable se induce o no en un conductor golpeado por una onda EM.

Como regla general, la emisión radiada por un cable conductor se vuelve relevante cuando su longitud está cerca de la longitud de onda de la onda que se irradiaría, lo que depende de la frecuencia de la señal eléctrica. La relación entre la longitud de onda \ $ \ lambda \ $ y la frecuencia f en el vacío es:

\ begin {align *}   \ lambda = \ dfrac {c} {f} \ end {align *}

donde c es la velocidad de la luz \ $ \ approx 3 \ times 10 ^ 8 m / s \ $.

Por lo tanto, una corriente de \ $ f = 50 \ $ Hz produciría una onda EM que tiene una longitud de onda

\ $ \ lambda = \ dfrac {3 \ times10 ^ 8 \, m / s} {50 \, Hz} = 6 \ times 10 ^ 6 m = 6000 \, km \ $.

Por lo tanto, necesitaría un cable de aproximadamente ese tamaño (¡6000 km!) para hacer que la radiación de las ondas EM a esa frecuencia no sea despreciable.

Las ondas electromagnéticas se generan por corrientes y voltajes oscilantes y pueden inducir corrientes y voltajes oscilantes. La longitud de onda juega un papel muy importante en cómo se comporta una onda electromagnética. La luz es una frecuencia extremadamente alta (muchos THz) y, como resultado, tiene una longitud de onda extremadamente corta (alrededor de 1 um). En general, la luz interactúa más con los electrones en los átomos y las moléculas que con los electrones en los cables debido a la corta longitud de onda. Las ondas de radio son una longitud de onda más razonable de unos pocos metros a unos pocos cm o incluso mm. Las antenas para transmitir y recibir estas frecuencias tienen aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda. Las ondas electromagnéticas oscilantes arrastrarán los electrones y producirán corrientes oscilantes en cualquier conductor que encuentren, y esto es más efectivo cuando el conductor tiene aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda. Las frecuencias muy bajas (sub 100 Hz) tienen longitudes de onda extremadamente largas, del orden de km. Necesitas un cable realmente largo para actuar como una antena en estas frecuencias. Sin embargo, aún es posible utilizar energía electromagnética con una longitud de onda tan larga, que realmente no se puede transmitir de forma inalámbrica. Cuando los cables son mucho más cortos que la longitud de onda, aún obtienes campos eléctricos y magnéticos oscilantes, sin embargo, estos no pueden irradiarse ya que se cancelan entre sí a largo alcance.

Hay un campo EM alrededor de cualquier circuito eléctrico, incluso un circuito de CC. El campo eléctrico apunta desde altos voltajes a bajos voltajes, y el campo magnético gira alrededor de las corrientes. No irradian a bajas frecuencias sin una antena grande, pero transfieren potencia. Esta página web tiene algunas buenas imágenes. Aquí hay uno que muestra los campos eléctricos y magnéticos:

Aquí hay otra explicación con una vista lateral. Las flechas muestran la dirección del flujo de energía. (La dirección viene dada por el producto cruzado de los campos eléctrico y magnético, si eso ayuda).

Entonces,¿porquéestecircuitonoseirradiabienabajasfrecuencias?¡Porqueloscablesestándemasiadojuntos!EchemosunvistazoalcampomagnéticoalrededordeuncircuitodeCC. Aquí hay otra imagen que muestra la dirección del campo alrededor de la corriente cargando alambres Nuestros cables tienen corrientes que fluyen en direcciones opuestas, como el par a la derecha.

Aquí hay una vista desde arriba:

Los cables producen campos magnéticos que giran en direcciones opuestas. Entre los cables, los campos apuntan de la misma manera. Fuera de los cables, los campos apuntan en direcciones opuestas. Por lo tanto, fuera de los cables, los campos (casi) se cancelan! Esto sucede porque la corriente es constante en todo el circuito. A bajas frecuencias (longitudes de onda largas), esto es aproximadamente correcto.

¡A frecuencias más altas (longitudes de onda más cortas), diferentes partes del circuito tienen diferentes corrientes! Esto se debe a que los cambios en el voltaje y la corriente viajan a la velocidad de la luz. Si el circuito es lo suficientemente grande o la longitud de onda es lo suficientemente pequeña, ambos cables pueden hacer que la corriente fluya en la misma dirección, lo que significa que ya no se cancelan.

La longitud de onda de una señal eléctrica viene dada por:

$$ \ lambda = \ frac c f $$

donde \ $ c \ $ es la velocidad de la luz y \ $ f \ $ es la frecuencia de la señal. Para una onda sinusoidal de 60 Hz, la longitud de onda es:

$$ \ lambda_ {60 Hz} = \ frac {3 \ times 10 ^ 8 \ mathrm {\ frac m s}} {60 \ mathrm {Hz}} \ approx 5000 \ mathrm km $$

Entonces, a menos que tenga una muy gran corriente o una muy gran antena, no va a irradiar mucha potencia a 60 Hz.

Una onda EM propagadora tiene el campo magnético (campo H) en la fase "tiempo" con su campo E y la relación de E a H tiene que coincidir ampliamente con la impedancia del espacio libre (aproximadamente 377 ohmios). El campo magnético también está mecánicamente en ángulo recto con el campo eléctrico.

Esta disposición del campo E y H se propaga naturalmente a través del espacio libre y se llama onda de radio.

Una antena crea un campo eléctrico y un campo magnético, y aunque las componentes E y H del campo cercano no se corresponden con la descripción anterior de una onda EM, a cierta distancia (generalmente de aproximadamente 1 longitud de onda), esos campos se combinan para hacer una onda EM adecuada según lo anterior.

Esto no sucede con los cables de transmisión de energía.

La potencia de 50 Hz suministrada a su hogar es una corriente eléctrica (en un cable) y no es una onda electromagnética. Hay ondas electromagnéticas que rodean las líneas eléctricas porque las corrientes eléctricas generan un campo magnético, pero estos son simplemente un artefacto de la transmisión de energía. Estas ondas son bastante débiles y no tienen nada que ver con la transmisión de corrientes eléctricas a través de los cables a su casa.