El Yogur

Ondas Electromagnéticas Las ondas electromagnéticas son transversales, en ellas la dirección de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación. Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse.

Historia y descubrimiento de las Ondas Electromagnéticas James Clerk Maxwell fue el primero en hacer la observación teórica de que un campo electromagnético variable admite una solución cuya ecuación de movimiento se corresponde a la de una onda. Eso sugería que el campo electromagnético era susceptible de propagarse en forma de ondas, tanto en un medio material como en el vacío. Esta última posibilidad de propagación en el vacío suscitó ciertas dudas en su momento, ya que la idea de que una onda se propagara de forma autosostenida en el vacío resultaba extraña. Además las ecuaciones de Maxwell sugerían que la velocidad de propagación en el vacío era constante, para todos los observadores. Eso llevo a interpretar la velocidad de propagación constante de las ondas electromagnéticas como la velocidad a la que se propagaban las ondas respecto a un supuesto éter inmóvil que sería un medio material muy sutil que invadiría todo el universo. Sin embargo, el famoso experimento de Michelson y Morley descartó la existencia del éter y quedó inexplicado hasta que Albert Einstein daría con la solución para la constancia de la velocidad de la luz en su teoría especial de la relatividad. Por otro lado los primeros experimentos para detectar físicamente las ondas electromagnéticas fueron llevados a cabo por Heinrich Hertz

en 1888, gracias a que fue el primero en construir un aparato que emitía y detectaba ondas electromagnéticas VHF y UHF.

Ondas Electromagnéticas Quizá el mayor logro teórico de la física en el siglo XIX fue el descubrimiento de las ondas electromagnéticas. El primer indicio fue la relación imprevista entre los fenómenos eléctricos y la velocidad de la luz. En la naturaleza, las fuerzas eléctricas se originan de dos formas. Primero está la atracción o la repulsión eléctricas entre las cargas eléctricas (+) y (-). Es posible definir una unidad de carga eléctrica como la carga que repele a otra carga similar a la distancia de, podemos decir, 1 metro con la fuerza de la unidad de fuerza utilizada (las fórmulas usuales lo definen con más precisión). Pero en segundo lugar están la atracción y la repulsión entre corrientes eléctricas paralelas. Por lo que podremos definir la unidad de corriente como la corriente que circulando por un hilo recto, atrae a una corriente similar que circule por un hilo paralelo separado 1 metro, con la fuerza de la unidad utilizada, en cada metro de la longitud de los hilos. Pero, ¡las corrientes y las cargas eléctricas están relacionadas!, por lo que así podremos basar la unidad de corriente en la unidad de carga, o sea, definirla como la corriente en la que en cada segundo pasa una unidad de carga por cualquier sección transversal del hilo. Esta segunda definición es muy diferente, y si se usan el metro y el segundo en todas las definiciones, la relación de las dos unidades de corriente será la velocidad de la luz, 300, 000, 000 metros por segundo. En los tiempos de Faraday ya se conocía cual era la velocidad de la luz, aunque sin la precisión actual. Fue deducida por vez primera por Ole (Olaus) Roemer, un astrónomo danés que trabajaba en París. Roemer intentaba predecir los eclipses de Io, la luna de Júpiter (mencionada posteriormente en una sección totalmente diferente) y encontró una diferencia entre los tiempos reales y los previstos, que crecían y disminuían de nuevo cuando la Tierra circunvalaba el Sol. Adivinó la razón correctamente: cuando la Tierra se movía en su órbita, su distancia a Júpiter también aumentaba y disminuía, y así la luz necesitaba un tiempo extra para cubrir esa distancia extra.

¿Cuál era el significado de la relación entre la electricidad y la luz? ¿Recuerda la idea de Faraday, que evolucionó hacia el concepto de "campo magnético -- ese espacio en el que se pueden observar los cambios en las fuerzas magnéticas? Faraday también mostró que un campo magnético que cambia en el tiempo, como el producido por la corriente alterna (CA), podría conducir corrientes eléctricas, si los hilos de cobre estuvieran colocados de la forma adecuada. Esto era la "inducción magnética", el fenómeno en el que se basan los transformadores eléctricos. Por lo tanto, los campos magnéticos podían producir corrientes eléctricas y ya sabemos que las corrientes eléctricas producen campos magnéticos. ¿Sería quizá posible que el espacio sustentara un movimiento ondulatorio alternante entre los dos? Del tipo de:

Esto era un obstáculo. Esta onda no existiría en el espacio vacío, debido a que el espacio vacío no tiene hilos de cobre y no podría conducir la corriente necesaria para completar el ciclo anterior. Un brillante joven escocés, James Clerk Maxwell, solucionó el problema en 1861 proponiendo que las ecuaciones de la electricidad necesitaban un término adicional, que representase a una corriente eléctrica que pudiera viajar a través del espacio vacío, pero solo mediante oscilaciones muy rápidas. Añadiendo ese término (la "corriente de desplazamiento"), las ecuaciones de la electricidad y del magnetismo permitían que existiese una onda que se propagase a la velocidad de la luz. El dibujo inferior ilustra ese tipo de onda, verde en su parte magnética y azul en su parte eléctrica, añadido el término de Maxwell. La onda está dibujada propagándose a lo largo de una línea. Realmente llena el espacio, pero sería muy difícil dibujarla.

Onda Electromagnética

Maxwell propuso que eso era luz. Hubo anteriores indicios --como se citó anteriormente, la velocidad de la luz apareció inesperadamente en las ecuaciones de la electricidad y del magnetismo-- y estudios posteriores lo confirmaron. Por ejemplo, si un haz de luz incide en la cara de un prisma de cristal, solo entra en él una parte, otra parte es reflejada. La teoría de Maxwell predijo correctamente las propiedades del haz reflejado. Después Heinrich Hertz, en Alemania, mostró que una corriente eléctrica saltando adelante y atrás en un hilo (actualmente se le podría llamar "antena") podía ser la fuente de esas ondas. (La corriente, de acuerdo con la ley de Ampere, también produce un campo magnético, pero este campo disminuye rápidamente con la distancia). Las chispas eléctricas producen ese tipo de corrientes cuando saltan entre dos puntos --a eso se debe el crepitar producido por los rayos en la radio AM-- y Hertz, en 1886, usó estas chispas para enviar una señal de radio a través de su laboratorio. Posteriormente el italiano Marconi, con detectores más sensibles, amplió el alcance de la recepción de la radio y en 1903 detectó en Cape Cod, Massachussets, señales procedentes de Europa. Se supone que la luz que produce el hilo caliente de una lámpara se emite debido a que el calor causa que los electrones se muevan rápidamente adelante y atrás, convirtiendo a cada uno en una antena. Sin embargo, cuando los físicos intentaron seguir esa idea, encontraron que las leyes conocidas de la naturaleza debían modificarse a la escala de los tamaños atómicos. Así fue como se originó la teoría cuántica. Poco a poco se descubrieron otras ondas electromagnéticas. La naturaleza de onda de la luz origina que los diferentes colores se reflejen de forma diferente por una superficie, generando finas rayas paralelas -a esto se debe el que un disco compacto láser (para uso musical o para ordenador) brille en todos los colores del arco iris. Las filas ordenadas de

los átomos en un cristal también forman líneas paralelas pero mucho menos espaciadas y resultan tener el mismo efecto sobre los rayos X, mostrando que los rayos X, al igual que la luz, también son ondas electromagnéticas, pero con una longitud de onda mucho más corta. Se encontró posteriormente que los haces de electrones en un campo magnético, dentro de un tubo de vacío, podían hacerse inestables y emitir ondas más largas que la luz: el tubo magnetrón donde ocurría esto fue un dispositivo de radar de alto secreto durante la II Guerra Mundial e hizo posible posteriormente la fabricación del horno microondas. Las ondas electromagnéticas lideran la radio y la televisión y la enorme industria electrónica. Pero también se generan en el espacio -por rayos de electrones inestables en la magnetosfera, así como en el Sol y en el universo remoto, informándonos sobre las partículas magnéticas del distante espacio o también tomándonos el pelo con misterios irresolutos. Sobre esto puede hallar más en la sección sobre las partículas de alta energía

Ecuación de ondas En un medio isótropo, homogéneo y constante; simbolizando la conductividad con σ, el campo eléctrico con

y el magnético con

:

Las ecuaciones anteriores describen una onda con factores de atenuación dependientes de σ que se propaga a una velocidad . Cuando la onda se propaga en el vacío σ = 0 y la ecuación se reduce a la ecuación de ondas común:

Espectro de ondas electromagnéticas Las ondas electromagnéticas, lejos del foco emisor, pueden considerarse ondas transversales planas formadas por un campo magnético y por un campo eléctrico, perpendiculares entre sí y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación. La amplitud de la radiación determina el brillo y la relación entre la amplitud y la fase de los campos eléctrico y magnético condiciona el estado de polarización. La longitud de onda condicionará el color de la radiación. Un cambio de 50 nm o menos nos dará otro color diferente. Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es constante en cada medio específico. Al pasar de un medio a otro la única característica que permanece constante es la frecuencia. La velocidad varía para cada longitud de onda. La frecuencia y la longitud de onda se relacionan según la siguiente expresión matemática: Longitud de onda = C X T = C ÷ f Donde es la longitud de onda, C es la velocidad de la luz en el vacío, T el periodo y "f" la frecuencia. La frecuencia es el número de vibraciones por unidad de tiempo y su unidad es por tanto el ciclo por segundo o el Hz (Hertzio) La longitud de onda ( ) es una distancia y por lo tanto su unidad de medida es el metro. Como la luz es una radiación electromagnética que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas se usan submúltiplos del metro, como son el Ángstron (Å) que es la diezmilmillonésima de metro y el Namómetro (nm) que es la milmillonésima de metro. El espectro electromagnético es el que comprende todas las radiaciones electromagnéticas.

Espectro luminoso / ventana óptica Es la parte del espectro electromagnético comprendido entre 300 y 1500 nm. Aquí englobamos el espectro visible y el espectro luminoso no visible. El espectro visible, llamado también ventana óptica, comprende desde los 380 nm, aproximadamente, hasta los 780 nm. Por encima de los 780 nm tenemos las radiaciones infrarrojas y por debajo de los 380 nm tenemos las ultravioletas.

Movimientos ondulatorios Propagación de una perturbación en un medio elástico Sí en un punto de un medio elástico producimos una perturbación que dé lugar a una deformación local, se observa que esta perturbación se trasmite a todo el medio, propagándose por él a una determinada velocidad. Cuando se produce esta perturbación en un punto, dando lugar a un desplazamiento de la posición de equilibrio de las partículas, éstas empezaran a vibrar, transmitiendo su movimiento a las partículas más próximas y estas a su vez a otras, dando lugar a que la perturbación se propague por todo el medio. Pero esta perturbación se amortigua no solo por la pérdida de energía debida al rozamiento de unas partículas con otras, sino que también esta energía, que en principio correspondía a unas pocas partículas, se extiende a un número mucho mayor. Sírvanos como ejemplo para clarificar este hecho el efecto que produce una piedra cuando se arroja a un estanque de agua, la perturbación provocada por la piedra en el lugar de la caída se transmite a las partículas de agua próximas, propagándose en todas direcciones en forma de ondas circulares que se van amortiguando a medida que se van alejando del centro perturbador. Ondas longitudinales y transversales

Ondas Transversales: Las partículas del medio oscilan en ángulos rectos con respecto a la dirección en la que viaja la onda, es decir, con respecto a su dirección de propagación. Ejemplo. Onda en el agua, radiación electromagnética. Ondas Longitudinales: Las partículas oscilan a lo largo de la línea que representa la dirección en la que la onda está viajando. Ejemplo: sonido. Parámetros de medida de una sinusoide T= Tiempo empleado en completar una vibración completa. f = No. de vibraciones completas realizadas en la unidad de tiempo. Por tanto: f = 1÷ T Así tenemos relacionada la longitud de onda ( ) con las siguientes magnitudes de esta forma: Longitud de onda = V.T; como T= 1÷f entonces longitud de onda = V÷f Las ondas electromagnéticas se dispersan en el espacio al igual que lo hacen los rizos que se forman en un lago cuando se arroja una piedra en sus aguas. En el espacio vacío, las ondas electromagnéticas viajan a una velocidad cercana a los 300.000 km/s. Esta velocidad sería suficiente para dar la vuelta a la tierra en una séptima parte de segundo, o para cubrir los 150 Millones de kilómetros que nos separan del sol en 8 minutos. A través de la materia, tal como el agua o el aire, la radiación electromagnética viaja más lentamente; a mayor densidad de la materia, menor velocidad. En realidad, es el vínculo entre la electricidad y el magnetismo el responsable de la luz y todas las demás radiaciones del espectro electromagnético, incluidos los rayos X, las ondas de radio y las microondas. La radiación electromagnética se produce siempre que en un átomo un electrón salta de una órbita a otra más cercana al núcleo. El vínculo existe porque la radiación electromagnética está formada por energía eléctrica y energía magnética en cantidades casi iguales, y la radiación electromagnética se propaga por el universo como ondas interactivas de campos eléctricos y magnéticos.

Ondas electromagnéticas Además de los sonidos existe otro tipo de oscilaciones que denominamos electromagnéticas, puesto que su origen es esencialmente eléctrico y presentan importantes diferencias respecto de las primeras, tanto en su producción como en la propagación y aplicaciones. La fuente natural más conocida de ondas electromagnéticas es el Sol, aunque a través del espacio nos llegan rayos cósmicos de diferente naturaleza según el origen de los mismos. Sin embargo, es el hombre quien manipula una amplia gama de ondas electromagnéticas, principalmente en el campo de la radiocomunicación. La denominación electromagnética se debe a que esta clase de ondas está formada por un campo eléctrico y un campo magnético asociados y la propagación se hace a frecuencias mucho más elevadas que las del sonido sin que sea necesario un soporte material para las mismas. Las ondas electromagnéticas por su propia naturaleza que lleva asociadas, materia y energía, pueden propasarse a través del aire e incluso del vacío; es más, no necesitan transmitiese como una vibración de las moléculas del aire ya que los propios impulsos de las ondas, "paquetes de ondas", se empujan unos a otros para recorrer los diferentes medios o los espacios vacíos. Tenemos un ejemplo fácil de identificar: las radiaciones luminosas que nos proporciona una bombilla llegan a nosotros desde el filamento en donde se producen, la radiación atraviesa el vacío del interior de la bombilla, el cristal que la protege y el aire que nos separa de la misma. Lo que diferencia unas ondas electromagnéticas de otras es precisamente su frecuencia o su longitud, ya que la velocidad de propagación es la misma en todas ellas: 300.000.000 metros por segundo aproximadamente. Así, las fórmulas anteriores referidas a las características de ondas serían, para las ondas electromagnéticas las siguientes: F= v / l El espectro electromagnético

El conjunto de todas las ondas electromagnéticas constituye el espectro electromagnético. La tabla 1 agrupa las ondas electromagnéticas estableciendo un paralelismo entre su frecuencia y su longitud de onda, acompañándola de la naturaleza de estas ondas. Observando el gráfico desde las frecuencias más bajas hacia las frecuencias más elevadas, nos encontramos con las siguientes clases de ondas: Ondas audibles: Les corresponden las longitudes de onda más largas (muchos kilómetros) y la frecuencia ya la conocemos por ser la propia de las ondas sonoras: desde 20 Hz hasta 20 kHz. Estas ondas cubren el mismo espectro que el sonido aunque no suelen considerarse propiamente como ondas electromagnéticas hasta valores superiores a varios kilohercios, puesto que el campo inicial que cubre el sonido se considera más como vibración mecánica que como vibración electromagnética. Más adelante, cuando se estudie en profundidad la radio trataremos de las condiciones de propagación y empleo de diferentes tipos de ondas.

Tabla del Espectro de las frecuencias y longitudes de onda Radiodifusión: El Comité Consultivo Internacional de las Comunicaciones de Radio (CCIR) dividió en 1953 el espectro de frecuencias dedicado a la propagación de las ondas de radio, en las bandas y utilizaciones más importantes (tabla 2). Las ondas de radio utilizadas en radiodifusión marina son las más largas, entre 2.000 y 1.000 m y su frecuencia está comprendida entre 30 y 300 kHz. La gama de onda media comprende las frecuencias entre 300 kHz y 3 MHz, de uso preferente en radiodifusión OM. La gama de ondas cortas, que alcanzan distancias más elevadas, tiene una longitud entre 100 y 1 0 m y se propagan entre 3 y 30 MHz Finalmente, las ondas ultracortas van desde 10 a 1 m propagándose entre 30 y 300 MHz En estos últimos puntos ya existe un solapamiento entre ondas de radio, televisión y frecuencia modulada. Esto es así porque esta última trabaja en el margen de frecuencia comprendido entre 88 y 108 M Hz en América, entre 66 y 72 MHz en Europa Orienta¡ y entre 88 y 104 MHz en el resto del Mundo.

A partir de 54 MHz comienza la banda de televisión, que se extiende hasta 216 MHz, banda en que se encuentran todas las comunicaciones a media y larga distancia. Desde este punto y hasta 3.000 GHz se hallan todo tipo de enlaces por microondas, televisión, radar, etc., aunque el campo más importante es el de las microondas ya que es el que posee una mayor amplitud del espectro y llega incluso a longitudes de onda de 0,0001 m. La radiodifusión nació en EE.UU. y de allí provienen la mayoría de las publicaciones de orden técnico que llegan a nuestras manos, por ello, aunque hagamos la oportuna traducción a nuestro idioma es conveniente conocer el significado de las abreviaturas más corrientes. Tal como vayan apareciendo en la página las iremos traduciendo, es lo que hacemos ahora con las siglas que aparecen en la siguiente tabla. VLF Very Low Frequency (Muy Baja Frecuencia) LF Low Frequency (Baja Frecuencia) M F Medium Frequency (Frecuencia Media) H F High Frequency (Alta Frecuencia) VHF Very High Frequency (Muy Alta Frecuencia) UHF Ultra High Frequency (Ultra Alta Frecuencia) SHF Super High Frequency (Frecuencia Súper-Alta) EHF Extremely High Frequency (Frecuencia Extremadamente Elevada) Infrarrojos: El calor es también una radiación de tipo electromagnético, su campo se extiende desde 750 GHz hasta 3 THz. Las radiaciones infrarrojas tienen aplicación en calefacción, en dispositivos de control, etc. Espectro visible: El campo visible abarca aproximadamente desde 375x10 12 hasta 750x10 11 Hz, lo que representa longitudes de onda comprendidas entre 0,8 y 0,4 mm. Rayos ultravioleta: Por encima de las radiaciones visibles tenemos los rayos ultravioleta que, aunque no sean visibles, como sucede con los infrarrojos, podemos sentirlos en nuestro cuerpo. El bronceado, tan de moda hoy, se debe a las radiaciones ultravioleta, producidas de forma artificial mediante ciertos tipos de lámparas o por

la exposición a las radiaciones solares que contienen este tipo de radiación, Estos rayos se propagan entre 750x10 12 y 3x10 16 Hz. Rayos X: De aplicación en electro-medicina, los rayos Roéntgen abarcan las frecuencias comprendidas entre 3x10 16 y 6x10 19 Hz. Rayos gamma: Provienen de las radiaciones de los materiales radiactivos y se propagan a frecuencias entre 6x10 19 y 3x10 22 H z. Rayos cósmicos: Los rayos cósmicos, de procedencia espacial, llegan a la Tierra a frecuencias por encima de 3x10 22 Hz.

Producción de ondas electromagnéticas Las ondas electromagnéticas están formadas por la asociación de dos tipos de ondas: unas de tipo eléctrico y otras de tipo magnético. Ambas provienen de los campos eléctrico y magnético dispuestos perpendicularmente entre sí y con la dirección de propagación. En la figura 235 hemos representado con una tonalidad diferente los dos tipos de campos.

O nda electromagnética en la que se destacan los dos campos que la forman. Se dibujan en una sección tridimensional los campos eléctrico y magnético cuando salen de una antena. Con anterioridad vimos que una carga, sea positiva o negativa, crea alrededor un campo eléctrico que se dirige hacia ella o sale de la misma según que la carga sea de signo negativo o positivo.

Esta carga tiene una zona de influencia que será tanto mayor cuanto más elevado sea el valor de esta carga, es decir, el campo eléctrico creado estará relacionado directamente con la magnitud de esta carga. Supongamos que dicha carga se desplaza siguiendo una determinada dirección. El hecho de que la carga esté en movimiento puede asimilarse a una corriente eléctrica ya que, según vimos anteriormente, la corriente eléctrica es la consecuencia de que los electrones (cargas eléctricas) se desplacen a lo largo del conductor. Un conductor recorrido por la corriente eléctrica crea un campo magnético en sus proximidades. Este campo magnético es uniforme e igual en todos los puntos del conductor cuando la corriente se mantiene constante; sin embargo, cuando el desplazamiento de la carga no es uniforme sino que varía con el tiempo, también variará el campo magnético. Dado que la carga tiene de por sí un campo eléctrico y su desplazamiento da lugar a un campo magnético, por la interacción entre ambos tiene lugar un desprendimiento de energía en forma de radiación electromagnética (figura 2).

En la práctica, las ondas electromagnéticas pueden seguir cualquier dirección en el espacio a partir de una antena, o del origen de la radiación, pero siempre seguirán manteniendo las dos componentes, eléctrica y magnética, con un desfase de 90° entre ellas, es decir, los dos campos seguirán siendo perpendiculares. La onda electromagnética representada en la figura 3a se dice que es de polarización vertical puesto que es la disposición adoptada por el

campo eléctrico de la misma. En caso de estar invertidos los campos eléctrico y magnético se dice que la polarización de la onda es horizontal (figura 3b). El factor polarización es muy importante, ésta puede mantenerse o variar de forma continua, lo que supone mantener siempre en el mismo plano o en planos cambiantes los campos eléctrico y magnético. Si la polarización de la señal de antena es de tipo horizontal también debe adecuarse la antena receptora para recoger la máxima señal según sea el tipo de polarización. Esto es muy importante, sobre todo, para tipos de ondas como las de televisión. Obsérvese que sobre las azoteas, todas las antenas presentan un plano dominante horizontal o vertical según la clase de polarización de las ondas electromagnéticas que deban recoger, de no hacerlo así, tiene lugar una pérdida importante de energía en la recepción de la señal.

S ituación de los campos eléctrico y magnético para la polarización vertical (a) y horizontal (b).

Tipos de ondas electromagnéticas

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Rayos Gamma Rayos X Rayos UVA Luz visible Radiación infrarroja Radiación microondas Ondas de radio Rayos gamma

Su longitud de onda (lambda) < 0.1 Ao, donde 1 Ao(Armstrong) es igual a 10 -10m. Se originan en las desintegraciones nucleares que emiten radiación gamma. Son muy penetrantes y muy energéticas. Rayos X Se producen por oscilaciones de los electrones próximos a los núcleos. 0.1Ao < lambda < 30 Ao Son muy energéticos y penetrantes, dañinos para los organismos vivos, pero se utilizan de forma controlada para los diagnósticos médicos. Rayos UVA

Se producen por saltos electrónicos entre átomos y moléculas excitados. 30Ao < lambda < 4000 Ao El Sol es emisor de rayos ultravioleta, que son los responsables del bronceado de la piel. Es absorbida por la capa de ozono, y si se recibe en dosis muy grandes puede ser peligrosa ya que impiden la división celular, destruyen microorganismos y producen quemaduras y pigmentación de la piel. Luz visible Es la pequeña parte del espectro electromagnético a la que es sensible el ojo humano. 400 nm < lambda < 750 nm Se producen por saltos electrónicos entre niveles atómicos y moleculares. Las longitudes de onda uqe corresponden a los colores básicos son:

Rojo

De 6200 a 7500 Ao

Naranja

De 5900 a 6200 Ao

Amarillo

De 5700 a 5900 Ao

Verde

De 4900 a 5700 Ao

Azul

De 4300 a 4900 Ao

Violeta

De 4000 a 4300 Ao

Radiación infrarroja Es emitida por cuerpos calientes y son debidas a vibraciones de los átomos.

10 -3m < lambda < 10-7m La fotografía infrarroja tiene grandes aplicaciones, en la industria textil se utiliza para identificar colorantes, en la detección de falsificaciones de obras de arte, en telemandos, estudios de aislantes térmicos, etc. En la foto se observa la fotografía en infrarrojos de una mano: Radiación de microondas Son moléculas.

producidas

por

vibraciones

de

0.1 mm < lambda < 1 m Se utilizan en radioastronomía y en hornos eléctricos. Esta última aplicación es la más conocida hoy en día y en muchos hogares se usan los "microondas". Estos hornos calientan los alimentos generando ondas microondas que en realidad calientan selectivamente el agua. la mayoría de los alimentos, incluso los "secos" contienen agua. Las microondas hacen que las moléculas de agua se muevan, vibran, este movimiento produce fricción y esta fricción el calentamiento. Así no sólo se calienta la comida, otras cosas, como los recipientes, pueden calentarse al estar en contacto con los alimentos. Ondas de radio Son ondas electromagnéticas producidas por el hombre con un circuito oscilante. 1 cm < lambda < 1 km Se emplean en radiodifusión, las ondas usadas en la televisión son las de longitud de onda menor y las de radio son las de longitud de onda mayor. Las radioondas más largas se reflejan en la ionosfera y se pueden detectar en antenas situadas a grandes distancias del foco emisor. Las ondas medias se reflejan menos en la ionosfera, debido a su gran longitud de onda pueden superar obstáculos, por lo que pueden recorrer grandes distancias. Para superar montañas necesitan repetidores. Las ondas cortas no se reflejan en la ionosfera, requieren repetidores más próximos. Se transmiten a cualquier distancia mediante los satélites artificiales. Este tipo de ondas son las que emiten la TV, teléfonos móviles y los radares.

Radiación electromagnética La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

Ecuaciones de Maxwell Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792 km/s), y su dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí). Dualidad onda-corpúsculo Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

Donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda.

Valor de la constante de Planck

Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank). Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético. El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm). En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del empleo al que están destinadas: Clasificación de las ondas en telecomunicaciones Denominació

Sigla

Rango

Empleo

VLF

10 kHz a 30 kHz

Muy baja frecuencia

Radio alcance

LF

30 kHz a 300 kHz

Baja frecuencia

Radio, navegación

MF

300 kHz a 3 MHz

Frecuencia media

Radio

n

gran

de

onda

media HF

3 MHz a 30 MHz

Alta frecuencia

Radio corta

de

VHF

30 MHz a 300 MHz

Muy alta frecuencia

TV, radio

UHF

300 MHz a 3 GHz

Ultra alta frecuencia

TV, radar

SHF

3 GHz a 30 GHz

Súper alta frecuencia

Radar

EHF

30 GHz a 300 GHz

Extra alta frecuencia

Radar

onda

Fenómenos asociados a la radiación electromagnética Interacción entre radiación electromagnética y conductores Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente. De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética. Estudios mediante análisis del espectro electromagnético Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación del cuerpo o agujeros negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm. Penetración de la radiación electromagnética La radiación electromagnética reacciona de manera desigual en función de su frecuencia y del material con el que entra en contacto. El nivel de penetración de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a su frecuencia. Cuando la radiación electromagnética es de baja frecuencia, atraviesa limpiamente las barreras a su paso. Cuando la radiación electromagnética es de alta frecuencia reacciona más con los materiales que tiene a su paso.

En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía ni se crea ni se destruye, sino que se transforma, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo). Refracción La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que:

Siendo ε0 y μ0 la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente. En un medio material la permitividad eléctrica ε tiene un valor diferente a ε0. Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética ν y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio v será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c. Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refracción, es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular a partir de su permeabilidad magnética y de su permitividad de la siguiente manera:

Dispersión

Dispersión de la luz blanca en un prisma. La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone" en colores al pasar por un prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismáticos o telescopios.