Campo electromagnético

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.

La radiación electromagnética

http://www.surendranath.org/Applets/Electricity/FieldLines/FieldLinesApplet.html

Campo eléctrico

Manifestaciones del campo eléctrico

http://www.falstad.com/vector3de/

Campo magnético

Efecto del campo magnético

Manifestaciones del campo magnético

Interacción del campo eléctrico y magnético

Experiencias de Faraday y Oersted

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/faraday/

Campo electromagnético

“Campo” es un término físico para una región que está bajo la influencia de cierta fuerza que puede actuar en la materia dentro de esa región. Por ejemplo, el Sol produce un campo gravitacional que atrae los planetas en el sistema solar y por tanto influye sus órbitas.

Las cargas eléctricas estáticas producen campos eléctricos, mientras que las cargas eléctricas en movimiento producen tanto campos eléctricos como magnéticos. Los cambios repetidos y regulares en estos campos producen lo que llamamos radiación electromagnética. La radiación electromagnética transporta energía de un punto a otro. Esta radiación se propaga (mueve) a través del espacio a 299,792 km por segundo (la velocidad de la luz). De hecho, la luz es una de las formas de la radiación electromagnética.

Otras formas de la radiación electromagnética son los rayos X, microondas, radiación infrarroja, ondas de radio AM y FM y la radiación ultravioleta. Las propiedades de la radiación electromagnética dependen fuertemente de su frecuencia. Las frecuencias de la radiación electromagnética están dadas en Hertz (Hz), llamadas así por Heinrich Hertz (1857-1894), la primera persona en generar ondas de radio. Un Hertz es un ciclo por segundo.

Ondas electromagnéticas

Ondas electromagnéticas

Las señales de RF se propagan en forma de ondas electromagnéticas, que consisten en un campo eléctrico y magnético mutuamente perpendiculares. Las ondas electromagnéticas presentan una serie de parámetros que las definen y que marcarán diferencias importantes a la horade propagarse por el medio:

- longitud de onda: define el espacio que recorre la onda en cada ciclo al propagarse

- velocidad de propagación: se propagan, en el vacío, a la velocidad de la luz

- frecuencia: cantidad de ciclos de la señal que se completan en un segundo

- potencia: marca la cantidad de energía que transporta la señal. Al alejarse de la fuente que la generó, la potencia disminuye de forma proporcional al cuadrado de la distancia

- polarización: se emplea como referencia el plano de propagación del campo eléctrico.

Magnitudes de las ondas electromagnéticas

Relación entre frecuencia y longitud de onda

Campo eléctrico y magnético perpendiculares

http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/polarizedlight/emwave/index.html

Movimiento de las ondas electromagnéticas

Entre 1886 y 1888, Hertz validó la teoría de Maxwell, demostrando que la radiación generada por el campo electromagnético tenía característica de ondas.

Usando una bobina de inducción (semejante a usada por Röentgen), se generan chispas en dos terminales acoplados a un sistema condensador (que almacena electricidad hasta ocurrir una chispa). La chispa genera ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio (ondas de radio). Esas ondas son detectadas la distancia por uno otro dispositivo chamado resonador. El resonador produce chispas cuja intensidad depende de su distancia de la bobina. Con ese método, Hertz fue capaz de mostrar la “naturaleza ondulatoria” de la radiación electromagnética, demostrando, inclusive la existencia de polarización en las ondas de radio.

Experimento de Hertz

La onda electromagnética: campos E y H perpendiculares

Frecuencia y longitud de onda de la radiación electromagnética

La onda electromagnética consiste en un campo eléctrico y magnético perpendiculares que se desplaza a la velocidad de la luz

Longitud de onda y frecuencia son magnitudes inversamente proporcionales

Polarización

Polarización circular, lineal y elíptica

Polarización vertical, circular y horizontal

Polarización lineal: vertical y horizontal

Polarización circular

http://www.optics.arizona.edu/jcwyant/JoseDiaz/Polarization-Circular.htm

Polarización lineal y circular

Espectro electromagnético

Espectro electromagnéticoLas ondas electromagnéticas se agrupan bajo distintas denominaciones según su frecuencia, aunque no existe un límite muy preciso para cada grupo. Además, una misma fuente de ondas electromagnéticas puede generar al mismo tiempo ondas de varios tipos.

• Ondas de radio: son las utilizadas en telecomunicaciones e incluyen las ondas de radio y televisión. Su frecuencia oscila desde unos pocos hercios hasta mil millones de hercios. Se originan en la oscilación de la carga eléctrica en las antenas emisoras.

• Microondas: Se utilizan en las comunicaciones del radar o la banda UHF (Ultra High Frecuency) y en los hornos de las cocinas. Su frecuencia va desde los GHz hasta casi el THz. Se producen en oscilaciones dentro de un aparato llamado magnetrón. El magnetrón es una cavidad resonante formada por dos imanes de disco en los extremos, donde los electrones emitidos por un cátodo son acelerados originado los campos electromagnéticos oscilantes de la frecuencia de microondas.

• Infrarrojos: Son emitidos por los cuerpos calientes. Los tránsitos energéticos implicados en rotaciones y vibraciones de las moléculas caen dentro de este rango de frecuencias. Los visores nocturnos detectan la radiación emitida por los cuerpos a una temperatura de 37º. Sus frecuencias van desde 1011Hz a 4·1014Hz. Nuestra piel también detecta el calor y por lo tanto las radiaciones infrarrojas.

• Luz visible: Incluye una franja estrecha de frecuencias, los humanos tenemos unos sensores para detectarla ( los ojos, retina, conos y bastones). Se originan en la aceleración de los electrones en los tránsitos energéticos entre órbitas permitidas. Entre 4·1014Hz y 8·1014Hz

• Ultravioleta: Comprende de 8·1014Hz a 1·1017Hz. Son producidas por saltos de electrones en átomos y moléculas excitados. Tiene el rango de energía que interviene en las reacciones químicas. El sol es una fuente poderosa de UVA ( rayos ultravioleta) los cuales al interaccionar con la atmósfera exterior la ionizan creando la ionosfera. Los ultravioleta pueden destruir la vida y se emplean para esterilizar. Nuestra piel detecta la radiación ultravioleta y nuestro organismo se pone a fabricar melanina para protegernos de la radiación. La capa de ozono nos protege de los UVA.

• Rayos X: Son producidos por electrones que saltan de órbitas internas en átomos pesados. Sus frecuencias van de 1'1·1017Hz a 1,1·1019Hz. Son peligrosos para la vida: una exposición prolongada produce cáncer.

• Rayos gamma: comprenden frecuencias mayores de 1·1019Hz. Se origina en los procesos de estabilización en el núcleo del átomo después de emisiones radiactivas. Sus radiación es muy peligrosa para los seres vivos.

El espectro electromagnético

Es el conjunto de ondas electromagnéticas –un campo eléctrico y un campo magnético perpendiculares entre sí y a su vez ortogonales a la dirección de propagación- que se desplazan por el vacío a la velocidad de la luz, la cual es una onda electromagnética más, pero capaz de impresionar el ojo humano.

Parámetro fundamental de las mismas es, por lo tanto, la frecuencia, que va a caracterizar sus condiciones de propagación y su capacidad de penetración en los obstáculos.

Unas son naturales y se generan en procesos muy energéticos como los que tienen lugar en las estrellas y galaxias, y otras son artificiales y las produce el hombre para que sirvan de soporte a la información –sonidos, imágenes y datos- que desea difundir por medios inalámbricos.

Espectro electromagnético, muy simplificado

Abarca desde los rayos gamma, que tienen la frecuencia más elevada y que son generados, por ejemplo, en las reacciones nucleares, hasta las ondas casi estáticas, con oscilaciones de pocos hertz, como la tensión eléctrica de la red.

Espectro electromagnético

Las longitudes de onda del espectro electromagnético

a) espectro radioeléctrico

MARGEN DE

FRECUENCIAS   SEGÚN FRECUENCIA SEGÚN LONGITUD DE ONDA  

3 - 30 KHz VLF Muy baja Frecuencia MIRIAMÉTRICAS

Onda Larga

30 - 300 KHz LF Baja Frecuencia KILOMÉTRICAS

300 - 3000 KHz MF Frecuencia Media HECTOMÉTRICAS Onda Media

3 - 30 MHz HF Alta Frecuencia DECAMÉTRICAS

Onda Corta

30 - 300 MHz VHF Muy Alta Frecuencia MÉTRICAS

300 - 3000 MHz UHF Ultra Alta Frecuencia DECIMÉTRICAS

3 - 30 GHz SHF Super Alta frecuencia CENTIMÉTRICAS

30 - 300 GHz EHF Extremadamente Alta MILIMÉTRICAS

Ondas de radio utilizadas para la radiocomunicación

Asignación del espectro radioeléctrico

Bandas de frecuencia utilizadas en equipos radar

Las bandas utilizadas en los equipos radar (Radio Detecting and Ranging) están en la región de las microondas y responden a las siguientes denominaciones: L (hasta 1,5 GHz), S (3,9 GHz), C(5,75 GHz), X (10,9 GHz) y K (36 GHz). Estas denominaciones están extraídas de la terminología militar, que fueron las que dieron origen al radar.

b) espectro infrarrojo

El cuerpo humano tiene una temperatura normal de 37ºC, por lo que emite radiación en el infrarrojo cercano, que con los instrumentos adecuados puede ser captado con bastante precisión. En este caso tiene fundamentalmente dos tipos de aplicaciones:

-médicas, ya que ciertos tumores producen elevaciones (aunque reducidas y localizadas) del área afectada

-militares, aplicándose a los instrumentos de visión nocturna, lo que se trata de contrarrestar empleando ropa invisible en esta parte del espectro

Permite realizar controles

Se pueden detectar fugas de calor

Huellas faciales

La toma de huellas dactilares es un sistema para la identificación personal que amenaza con quedarse obsoleto. Un grupo de científicos de Virginia (USA), han diseñado unas cámaras de infrarrojos que, basándose en las variaciones de la temperatura que registra la piel a través de los vasos sanguíneos que discurren bajo la superficie facial y que conforman una imagen térmica única (incluso en gemelos, como se ve en la figura) e intransferible en cada individuo, realizan termografías exactas de los rostros, tan reveladoras como sistema identificatorio como las huellas dactilares de la persona.

Ningún sombrero, barba postiza, peluca o disfraz, ni siquiera la más aparatosa cirugía estética de una cara o el anonimato que procura una muchedumbre es capaz de engañar al objetivo infrarrojo de estas nuevas cámaras, que no precisan de luz sino que se sirven del calor corporal que emite nuestra piel.

c) espectro visible

Descomposición de la luz blanca

El prisma de Newton descompone la luz blanca en sus colores simples:

-violeta: 0,4-0,446 μm

-azul: 0,446-0,5 μm

-verde: 0,5 – 0,578 μm

-amarillo: 0,592 – 0,62μm

-naranja: 0,592 – 0,62 μm

-rojo: 0,62 – 0,7 μm

d) espectro ultravioleta

e) radiación nuclear

Rayos X y gamma

Resumen: diferentes ondas electromagnéticas (i)

Radio

Microondas

Visible

infrarrojo

diferentes ondas electromagnéticas (ii)

El sol en ultravioletas

La nebulosa del cangrejo radiando en rayos gamma

Rayos X

(más a la izquierda, la primera placa de la historia, obtenida accidentalmente por Roetgen)

Aspecto de la misma nebulosa observada en diferentes regiones del espectro

En rayos X

En visible

En infrarrojos

En microondas

Poder de penetración de las ondas

Cómo nos afectan las radiaciones electromagnéticas

En función de su frecuencia, las radiaciones electromagnéticas pueden tener o no efectos biológicos. Las radiaciones ionizantes son ondas de frecuencia muy alta, como los rayos gamma, que contienen una energía fotónica suficiente como para romper los enlaces químicos que mantienen unidas las moléculas de la célula. Son, por tanto, capaces de dañar el ADN. Aunque la energía fotónica de la radiación no ionizante –frecuencias de 1 a 1017 Hz- es demasiado débil para romper enlaces químicos, también tiene efectos biológicos, como son el calentamiento y la inducción de corrientes eléctricas en los tejidos y células.

El poder de penetración de las radiaciones

Seguridad de las radiaciones electromagnéticas

Leyes de la radiación

Leyes de la radiación electromagnética

- la fórmula de Planck establece que cualquier objeto por encima del cero absoluto radia energía, y que ésta se incrementa con la temperatura. A la vez, a mayor temperatura, ese cuerpo radiará con más intensidad en longitud de onda más corta.

- la fórmula de Wien, a partir de Planck, calcula la longitud de onda a la que se produce la máxima radiación de un cuerpo conociendo su temperatura.

Esta tiene una gran importancia para seleccionar la banda más conveniente para detectar una determinada cubierta u objeto siempre que se conozca su temperatura. Por ejemplo, en el caso de los incendios forestales, teniendo en cuenta que la temperatura de combustión se sitúa entre 540 y 700 K, la ley de Wien nos permite situar en el infrarrojo medio la banda espectral más adecuada para su detección. Por su parte, el Sol –con una temperatura radiante próxima a los 6.000 K- presenta su máxima radiación en la región del espectro visible.

- la ley de Stefan-Boltzmann, a partir de Planck, calcula la longitud de onda a la que se produce la máxima radiación de un cuerpo conociendo su temperatura.

Ley de Planck

Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. [La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta]. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen esta ley de Planck.

Ley del desplazamiento de Wien

Establece la relación inversa entre la temperatura de un cuerpo y la longitud de onda a la que se produce un máximo de radiación. Por ejemplo, una estrella a 6.000 K tiene el pico de radiación a 483 nm, y otra que radie a 4.000 K lo tiene a 724, ambos aún en el espectro visible. Pero si su temperatura es de 3.000 K, el máximo se produce en 966 nm, que corresponde al infrarrojo. Esto no sólo permite determinar la temperatura de las estrellas, sino de cualquier cuerpo que esté en distintas condiciones térmicas que su entorno, por ejemplo, un incendio es muy fácilmente detectable

Ley de Stefan-Boltzmann

Un cuerpo, cuanto más caliente, no sólo radia a una longitud de onda más corta, sino que lo hace con mayor intensidad (el Sol y un gato, por ejemplo)

Radiación del Sol

Una estrella como el Sol, con una temperatura de 5.270 K radia el máximo a 550 nm, hacia el verde del espectro visible

Luz emitida por un objeto celeste según su temperatura

Tablas del espectro

http://www.spectrumatlas.org/spectrum/