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Espectro electromagnético y espectro radioeléctrico Javier Luque Ordóñez [email protected] AUTORES CIENTÍFICO-TÉCNICOS Y ACADÉMICOS 17 Espectro Electromagnético. Conceptos básicos Ondas Electromagnéticas Se define la propagación como un mecanismo de transporte de energía en el espacio y en el tiempo. Una onda es una propagación de una perturbación de alguna propiedad en un medio determinado. Ejemplos de propiedades son la densidad, la presión, el campo eléc- trico o el campo magnético. Ejemplos de medios de propagación son el aire, el agua, un metal o el vacío. Una onda electromagnética es la propagación simultánea de los campos eléctrico y magnético producidos por una carga eléctrica en movimiento. Las principales características de las ondas electromag- néticas son las siguientes: No necesitan un medio para propagarse: pueden propagarse en el vacío o en cualquier otro medio. Son tridimensionales: se propagan en las tres direcciones del espacio. Son transversales: la perturbación se produce perpendicular- mente a la dirección de propagación. Figura 1. Onda electromagnética.

espectro electromagnetico y radioelectrico - ACTA · Interacción de ondas electromagnéticas y materia Cada segmento del espectro electromagnético en general (y del espectro radioeléctrico

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Espectro electromagnético yespectro radioeléctrico

Javier Luque Ordóñ[email protected]

AUTORES CIENTÍFICO-TÉCNICOS Y ACADÉMICOS

17

➠Espectro Electromagnético.Conceptos básicos

Ondas Electromagnéticas

Se define la propagación como un mecanismo de transporte deenergía en el espacio y en el tiempo. Una onda es una propagaciónde una perturbación de alguna propiedad en un medio determinado.Ejemplos de propiedades son la densidad, la presión, el campo eléc-trico o el campo magnético. Ejemplos de medios de propagación sonel aire, el agua, un metal o el vacío.

Una onda electromagnética es la propagación simultánea de loscampos eléctrico y magnético producidos por una carga eléctrica enmovimiento. Las principales características de las ondas electromag-néticas son las siguientes:

� No necesitan un medio para propagarse: pueden propagarse enel vacío o en cualquier otro medio.

� Son tridimensionales: se propagan en las tres direcciones delespacio.

� Son transversales: la perturbación se produce perpendicular-mente a la dirección de propagación.

Figura 1. Onda electromagnética.

Espectro electromagnético. Definición

Al flujo saliente de energía de una fuente en formade ondas electromagnéticas se le denomina radiaciónelectromagnética. Esta radiación puede ser de origennatural o artificial. El espectro electromagnético es elconjunto de todas las frecuencias (número de ciclosde la onda por unidad de tiempo) posibles a las quese produce radiación electromagnética.

Así, el límite teórico inferior del espectro electro-magnético es 0 (ya que no existen frecuencias negati-vas) y el teórico superior es ∞. Con los medios técnicos actuales, se han detectado frecuencias elec-tromagnéticas inferiores a 30 Hz y superiores a2,9·1027 Hz. Aunque formalmente el espectro es infi-nito y continuo, se cree que la longitud de onda elec-tromagnética (distancia entre dos valores de amplitudmáxima de la onda) más pequeña posible es la longi-tud de Planck (lp≈1,616252·10-35 m), distancia oescala de longitud por debajo de la cual se espera queel espacio deje de tener una geometría clásica (medi-das inferiores no pueden ser tratadas en los modelosde física actuales debido a la aparición de efectos degravedad cuántica). Igualmente, se piensa que el lími-te máximo para la longitud de una onda electromag-nética sería el tamaño del universo.

Espectro electromagnético y telecomunicaciones

Así, las ondas electromagnéticas, conveniente-mente tratadas y moduladas (normalmente, variandode forma controlada la amplitud, fase y/o frecuenciade la onda original), pueden emplearse para la trans-misión de información, dando lugar a una forma detelecomunicación.

Hoy día se utilizan masivamente ondas electro-magnéticas de diferentes frecuencias para la trans-misión de información por medios guiados (partrenzado, cable coaxial, fibra óptica, etc.) y pormedios no guiados (normalmente el aire o el vacío).Las frecuencias utilizadas en cada caso dependendel comportamiento de las mismas en los diferentesmateriales utilizados como medios de transmisión,así como de la velocidad de transmisión deseada.

En el caso particular de que la propagación deondas electromagnéticas se realice por medios noguiados, a esta forma de telecomunicación se le deno-mina radiocomunicación o comunicación inalámbri-ca. Así, se denomina espectro radioeléctrico a la partedel espectro electromagnético utilizada principalmentepara radiocomunicaciones.

División del espectro electromagnético

No todas las ondas electromagnéticas tienen elmismo comportamiento en el medio de propagación,la misma procedencia o la misma forma de interac-ción con la materia. Por ello, el espectro electromag-nético se divide convencionalmente en segmentos obandas de frecuencia.

Esta división se ha realizado en función de diver-sos criterios, y en todo caso no es exacta, producién-dose en ocasiones solapamientos en las bandas,pudiendo una frecuencia quedar por tanto incluidaen dos rangos (por ejemplo, debido a diferentes fenó-menos físicos que originan la radiación, o a diferentesaprovechamientos de la energía radiada a una fre-cuencia concreta).

La clasificación más típica del espectro electro-magnético establece las siguientes categorías deradiación electromagnética:

� Ondas subradio.

� Ondas radioeléctricas.

� Microondas.

� Rayos T.

� Rayos infrarrojos.

� Luz visible.

� Rayos ultravioleta.

� Rayos X.

� Rayos gamma.

� Rayos cósmicos.

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Figura 2. Espectro electromagnético y telecomunicaciones.

Interacción de ondas electromagnéticasy materia

Cada segmento del espectro electromagnético engeneral (y del espectro radioeléctrico en particular) secomporta de forma diferente en su propagación porel medio de transmisión. Existen multitud de aspectosa considerar para establecer diferentes clasificacionesdel espectro electromagnético y para utilizar las dife-rentes frecuencias para distintos propósitos. Entre loselementos a tener en cuenta se encuentran:

� Atenuación con la frecuencia:

• Con carácter general, a menor frecuenciamenor atenuación de la señal y por tantomayor alcance o cobertura.

� Afectación de la climatología:

• Factores como lluvia, nieve, niebla, calor, etc.,no afectan por igual a las diferentes frecuen-cias del espectro.

� Comportamiento frente a obstáculos:

• Importante para cubrir grandes distancias ypara ubicar repetidores. Esta capacidad dis-minuye al aumentar la frecuencia.

� Capacidad de penetración:

• Fundamental para la cobertura en interiores,varía con la frecuencia.

� Coste de los equipos:

• En general, a frecuencias más altas, mayor esel coste de los equipos de emisión, recepcióny tratamiento de la señal.

� Capacidad de transmisión:

• El ancho de banda es fundamental en comu-nicaciones. A frecuencias bajas hay menosespectro disponible para compartir y ademáslas tasas de transmisión son muy bajas.

� Comportamiento frente a las capas atmosféricas:

• Las distintas frecuencias no se comportanigual en la ionosfera o en la troposfera, eincluso hay ondas que se propagan por lasuperficie terrestre. Existen así diversosmodos de propagación de las ondas.

Igualmente, las propiedades de interacción de lasondas electromagnéticas con la materia no son única-mente empleadas para fines de telecomunicaciones.Muchas de estas propiedades (reflexión, refracción,radiación térmica, comportamientos según diversosmateriales, etc.) son utilizadas para aplicacionesindustriales, científicas, médicas o domésticas.

Tipos de onda según propagación

Los modos de propagación de una onda electro-magnética dependen de su frecuencia y de las carac-terísticas eléctricas del terreno subyacente y de laatmósfera.

Pueden distinguirse diferentes modos de propaga-ción o tipos de onda:

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Figura 3. División del espectro electromagnético.

Figura 4. Capas de la atmósfera terrestre.

� Onda de superficie:

• Para frecuencias inferiores a 30 MHz, con lar-gos alcances y gran estabilidad de las señales.Las características del suelo influyen de formanotable en la propagación.

� Onda ionosférica:

• Para frecuencias comprendidas entre 3 y 30 MHz. La propagación se produce por refle-xión de las ondas en la ionosfera (capa ioni-zada de la atmósfera). Grandes alcances, perocierto grado de inestabilidad en las señales.

� Onda espacial:

• Para frecuencias superiores a 30 MHz. La pro-pagación se realiza a través de las capas bajasde la atmósfera terrestre (troposfera) y even-tualmente puede tomar parte el suelo.

• Onda estable, aunque limitada aproximada-mente al campo de visión directa, pudiendoser afectada por desvanecimientos de señal.

• Se distinguen tres submodos:

- Onda directa, que enlaza transmisor conreceptor.

- Onda reflejada, que conecta el transmisory el receptor a través de una reflexión en elterreno subyacente.

- Ondas de multitrayecto, que alcanzan elreceptor tras sufrir reflexiones en capasfrontera de estratos troposféricos.

� Onda de dispersión troposférica:

• La propagación se basa en reflexiones ocasio-nadas por discontinuidades debidas a variacio-nes turbulentas de las constantes físicas de latroposfera (concretamente del índice de refrac-ción, provocando una reflexión dispersiva).

• Pérdidas muy elevadas, sujeto a desvaneci-mientos profundos.

El medio de transmisión influye en la propagaciónde las ondas electromagnéticas mediante fenómenosfísicos como reflexión, refracción, difracción, disper-sión o absorción, entre otros. Sus efectos dependendel medio (tipo de terreno, condiciones y capas de laatmósfera), así como de la frecuencia y de la polari-zación de la onda emitida. Por ejemplo, a partir deciertas altas frecuencias las ondas pueden atravesarlas capas de la atmósfera, dando lugar a comunica-ciones con el espacio exterior empleando satélitesespaciales para comunicaciones.

➠Espectro radioeléctrico

Espectro radioeléctrico. Definición

Como se ha visto, el espectro radioeléctrico es laporción o subconjunto del espectro electromagnéticoque se distingue por sus posibilidades para las radio-comunicaciones, es decir, para la transmisión deinformación por medios no guiados. Este subconjun-to viene determinado por dos factores: las caracterís-ticas de propagación de las ondas electromagnéticasa las diferentes frecuencias, y los avances tecnológi-cos producidos por el ser humano.

Así, en la conferencia de la UIT-R (Sector deRadiocomunicaciones de la Unión Internacional deTelecomunicaciones, entonces denominado CCIR)de 1947, se definía la radiocomunicación comotoda telecomunicación producida por medio deondas electromagnéticas comprendidas entre 10 kHz y 3.000 GHz, si bien únicamente se atribu-ían bandas de frecuencia para su uso en radioco-municaciones entre 10 kHz y 10,5 MHz. De acuer-do al vigente Reglamento de Radiocomunicacionesde la UIT-R, en la actualidad se considera que elespectro radioeléctrico es el conjunto de ondascuya frecuencia se fija convencionalmente pordebajo de 3.000 GHz y se propagan por el espaciosin guía artificial.

En la práctica, en la actualidad no se atribuyenpor UIT-R frecuencias para radiocomunicaciones pordebajo de 9 kHz (por no ser frecuencias aptas paraello y por su baja tasa de transmisión) ni por encimade 275 GHz (por limitaciones tecnológicas y porencontrarse esta parte del espectro aún bastante inex-plorada). No obstante, existen frecuencias fuera deeste rango regulado por UIT-R (por ejemplo, en infra-rrojos y en luz visible, en frecuencias del orden decentenas de THz) que se emplean también pararadiocomunicaciones.

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Figura 5. Tipos de onda según propagación.

Nomenclatura de bandas de frecuenciasegún UIT-R

En la recomendación UIT-R V.431-7 se establecenunas directrices para la nomenclatura de diferentes ban-das de frecuencia en las que divide el espectro electro-magnético, estableciendo las siguientes reglas generales:

� La banda N se extiende desde 0,3·10N hasta3·10N.

� Cada banda excluye el límite inferior, peroincluye el superior.

� Cada banda tiene una nomenclatura en funciónde su frecuencia y una abreviatura en funciónde su longitud de onda (figura 6).

El espectro radioeléctrico comprende convencio-nalmente a 9 de estas bandas: desde la banda 4(VLF) hasta la banda 12. Históricamente, a la bandaLF se le ha denominado “onda larga”, empleándoseigualmente las denominaciones “onda media” paraMF y “onda corta” para HF. Por otro lado, las bandas-1, 0, 1 y 2 han sido añadidas de conformidad con laproposición de la Unión Radiocientífica Internacional(URSI), para cubrir también las frecuencias más bajasdel espectro en la nomenclatura.

Para las bandas 12 a 15 no existe un símboloestandarizado en UIT-R, si bien en algunos casos a labanda 12 se le denomina THF (Tremendous HighFrequency). En la banda 12 la UIT-R aún no ha atri-buido servicios de radiocomunicación. Igualmente,no se ha establecido en UIT-R una nomenclatura parabandas superiores a la 15, ya que estas ondas electro-magnéticas se emplean en otros ámbitos diferentes alas radiocomunicaciones. A la banda 12 es frecuenteencontrarla como “banda submilimétrica”, y las ban-das inferiores a la 3 en ocasiones son referidas como“bandas subradio”.

Otras nomenclaturas para bandas de frecuencia

En la recomendación UIT-R V.431-7 se mencio-na también otra posible nomenclatura destinadaespecíficamente a la radiodifusión. Igualmente,existen nomenclaturas adicionales, no estandariza-das por UIT-R aunque comúnmente aceptadas enla comunidad científica internacional, para loscampos de radar* y comunicaciones espaciales(figura 7).

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Figura 6. Nomenclatura y características de las bandas de frecuencia.

* RADAR: acrónimo de Radio Detection And Ranging, aunque también está reconocida como palabra en el diccionario de RAE.

Figura 7. Nomenclatura debandas para radiodifusión,

radar y comunicacionesespaciales.

División del espectro radioeléctrico

Banda 4. VLF

En esta banda se produce la propagación poronda de superficie con baja atenuación, que permiterealizar radioenlaces a gran distancia. Dado el escasoancho de banda en este rango, únicamente seemplean señales muy simples con muy poca trans-misión de datos, como los servicios de radionavega-ción. La transmisión en esta banda es a velocidadesmuy bajas, por lo que no es posible transmitir seña-les de audio, únicamente mensajes alfanuméricoscon tasas muy bajas de transmisión.

Las ondas VLF pueden penetrar el agua a unaprofundidad de entre 10 y 40 metros, y son usadastambién para la comunicación con submarinos cercade la superficie del mar (mientras que las frecuenciasinferiores ELF son utilizadas para comunicaciones enaguas profundas). VLF también se utiliza para radio-balizas y para señales horarias, además de para estu-dios geofísicos electromagnéticos.

Por debajo de 9 kHz, las frecuencias no están atri-buidas por UIT-R, no estando por tanto reguladasinternacionalmente, por lo que pueden ser utilizadaspor algunos países como frecuencias sin licencia.

Banda 5. LF

Sus características de propagación son similares ala banda LF (poca atenuación, largas distancias,penetración en el agua, propagación por onda desuperficie –y también por onda ionosférica–, etc.).En esta banda operan sistemas de ayuda a la navega-ción marítima y aeronáutica, como radiofaros oradiobalizas, así como señales horarias, serviciosmeteorológicos y sistemas de radiodifusión (parte deesta banda –de 148,5 a 283,5 kHz– se utiliza para elservicio de radiodifusión sonora AM). También seemplea para comunicaciones submarinas, serviciosde radioaficionados y técnicas de etiquetado RFID deidentificación por radiofrecuencia.

Banda 6. MF

En esta banda se produce propagación por ondade superficie o por onda ionosférica (dependiendo eneste último caso de la hora del día y de la frecuencia),obteniéndose grandes distancias. La banda MF se uti-liza en general para servicios marítimos y aeronáuti-cos. Así, se emplea para radiobalizas y sistemas deseguridad ante emergencias marítimas, así como para

radiotelefonía y comunicaciones marítimas cercanasa la costa. También se emplea en servicios de radioa-ficionados en el servicio de radiodifusión sonora enamplitud modulada AM (entre 526,5 y 1606,5 kHz).

Banda 7. HF

Se utiliza principalmente en propagación poronda ionosférica, aunque el alcance de la señaldepende de muchos factores (entre ellos la hora deldía y la estación del año). En condiciones óptimas, esposible la comunicación con cobertura mundial enesta banda. En las peores condiciones, sólo hay pro-pagación por ondas de superficie. En esta banda sedistinguen así diversas subbandas en función de suscaracterísticas de propagación:

� Bandas altas o diurnas: entre 14 y 30 MHz.Bandas diurnas cuya propagación mejora ade-más en los días de verano.

� Bandas bajas o nocturas: entre 3 y 10 MHz.Bandas nocturnas cuya propagación mejoraademás en las noches de invierno.

� Bandas intermedias: entre 10 y 14 MHz. Concaracterísticas de las dos anteriores.

La banda HF es muy utilizada para el servicio deradioaficionados. También en esta banda se encuen-tra el servicio especial de banda ciudadana (27 MHz),también denominado “11 metros” debido al valor desu longitud de onda. Entre otros usos, también seemplea esta banda para etiquetado RFID.

Banda 8. VHF

Las características de propagación en esta bandala hacen adecuada para comunicaciones terrestres decorta distancia (en general, la ionosfera no refleja lasondas VHF). Usos de esta banda incluyen la radiodi-fusión sonora FM (entre 88 y 108 MHz); sistemas deayuda al aterrizaje, radionavegación aérea y controlde tráfico aéreo; comunicación entre buques y controlde tráfico marítimo; servicio de radioaficionados; ytelevisión analógica, entre otros.

Banda 9. UHF

En esta banda se produce la propagación poronda espacial troposférica en línea de visión. El tama-ño de las longitudes de onda en UHF permite ante-nas muy adecuadas para dispositivos portátiles, loque junto con las características de propagaciónhacen a esta banda ideal para servicios móviles. Es

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por tanto una banda muy empleada en serviciosradioeléctricos de voz bidireccionales, denominados“two way radios”.

Entre otros muchos usos, en esta banda se emitenlos servicios de televisión digital terrestre (TDT), losservicios de telefonía móvil terrestre (GSM, UMTS,etc.) y las tecnologías de redes inalámbricas comoWiFi (WLAN) o Bluetooth (WPAN).

Banda 10. SHF

En esta banda se produce la propagación poronda trayectoria óptica directa. SHF se emplea enradares, enlaces ascendentes y descendentes de saté-lite, radioenlaces del servicio fijo y algunas variantesde tecnologías inalámbricas como Wi-Fi 802.11n.

Banda 11. EHF

Esta banda es muy afectada por la atenuaciónatmosférica y las condiciones climatológicas. Por ello,se utiliza principalmente en radioastronomía y comu-nicaciones con satélites (meterología, exploración dela Tierra, etc.). También se emplea en radiocomunica-ciones de corto alcance. Aún por explorar debido alimitaciones tecnológicas, esta banda no se encuentratodavía atribuida en su totalidad por UIT-R, única-mente se regula hasta los 275 GHz.

➠Tipos de radiación electromagnética

Ondas subradio

Actualmente UIT-R atribuye frecuencias por enci-ma de 9 kHz. Dado que esta frecuencia pertenece ala banda 4, en ocasiones se denominan ondas subra-dio o subhertz a aquellas pertenecientes a la banda 3e inferiores; es decir, a las frecuencias por debajo de3 kHz. Siguiendo la nomenclatura de UIT-R compren-de por tanto a las ondas ULF, SLF y ELF. Las ondassubradio apenas son utilizadas en comunicaciones,ya que presentan dos inconvenientes claros:

� Su tasa de transmisión es muy baja, ya que sonanchos de banda muy pequeños.

� Se necesitan antenas inabarcables:

• La potencia óptima de antena para una fre-cuencia se presenta para longitudes de laantena iguales a la mitad de la longitud deonda de la señal a emitir.

• Así, por ejemplo, para una frecuencia de 10 Hzse necesitarían antenas de 15.000 km de lon-gitud para una radiación óptima.

Debido a la conductividad eléctrica del agua delmar, los submarinos se encuentran aislados de la granmayoría de comunicaciones electromagnéticas. Sinembargo, las señales de muy baja frecuencia (ELF ySLF, pocas decenas de Hz) pueden penetrar a muchamás profundidad. Este hecho, junto con la posibilidadde reducir el tamaño de las antenas por fenómenosde alargamiento eléctrico, se ha usado en el ámbitomilitar para comunicaciones con submarinos.

En la práctica, estas comunicaciones han sido uni-direccionales y de mensajes muy cortos, por ejemploindicar al submarino que suba a la superficie o nive-les poco profundos para establecer comunicacionesde alguna otra forma.

La Tierra emite ondas ELF de forma natural debi-do a la cavidad resonante formada entre la ionosferay la superficie. Las ondas ELF de la Tierra se iniciancon los rayos eléctricos que hacen oscilar los electro-nes de la atmósfera.

En otros usos diferentes a las radiocomunicacio-nes para las ondas electromagnéticas en la bandaELF, el más importante es el transporte de energíaeléctrica: las frecuencias de 50 y 60 Hz son utilizadasen todo el mundo para dotar de electricidad a cual-quier punto del planeta.

Las frecuencias de las bandas ULF son habitualesen la magnetosfera terrestre. Esta banda se utilizapara comunicación en minas (sistema TTE –ThroughThe Earth–, limitado a cortos mensajes de texto enun servicio de radiobúsqueda, debido al escaso

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Figura 8. Comunicaciones ELF submarinas.

ancho de banda existente), ya que puede penetrar lacorteza terrestre.

Por este mismo motivo, ha sido utilizada en elámbito militar para comunicaciones seguras a travésdel suelo terrestre. Esta banda ULF también es utiliza-da en ocasiones por radioaficionados para comunica-ciones de rango limitado.

Ondas radioeléctricas

Sus características de propagación en la Tierra, asícomo la posibilidad de atravesar la atmósfera paracomunicaciones espaciales mediante satélites, hacenesta banda idónea para múltiples propósitos de trans-misión de información, dando lugar a las radiocomu-nicaciones (figura 10).

El espectro radioeléctrico es un recurso natural,limitado y escaso, que tiene un alto valor estratégico.Además, a diferencia de los cables, los medios noguiados no conocen de fronteras. Por todo ello esnecesaria una regulación internacional que evite lasinterferencias entre las distintas estaciones radioeléc-tricas. Esta labor es llevada a cabo por la UIT-R, apo-yada por organismos regionales y administracionesnacionales que elaboran los Cuadros Nacionales deAtribución de Frecuencias (CNAF).

Las frecuencias radioeléctricas también tienen otrosusos diferentes a las radiocomunicaciones, denomina-dos genéricamente aplicaciones ICM (Industriales,Científicas y Médicas). Un ejemplo muy conocido es elhorno microondas, que calienta alimentos medianteondas electromagnéticas a 2,45 GHz.

Microondas

Las microondas constituyen el segmento superiordel espectro radioeléctrico. Habitualmente se consi-deran microondas aquellas ondas radioeléctricasentre 1 y 300 GHz. Por razones históricas, se hanempleado en muchas ocasiones nomenclaturas y cla-sificaciones diferentes para las frecuencias y aplicacio-nes de microondas. Aunque en realidad son parteintegrante del espectro radioeléctrico, no constituyenuna banda diferente.

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Figura 9. Comunicaciones ULF en minas.

Figura 10. Opacidad de la atmósfera a la radiación electromagnética.

Rayos T

Los rayos T hacen referencia a la radiación en labanda 12 (ondas decimilimétricas), también denomi-nada banda submilimétrica. Comprende por tanto laslongitudes de onda entre 300 µm y 3 mm (frecuenciasde 300 GHz a 3 THz). La región de los rayos T estásituada por tanto entre la zona de frecuencias másaltas de las ondas radioeléctricas (microondas) y laradiación infrarroja de frecuencias más bajas (infra-rrojo lejano). Representa la frontera entre la denomi-nada zona óptica del espectro (hacia arriba) y la lla-mada zona electrónica del espectro (hacia abajo).

La radiación por rayos T recibe diversos nombresadicionales: ondas de terahertz, radiación THz, T-luzo T-lux. Es una radiación no ionizante que puedepenetrar en una gran variedad de materiales no con-ductores (sin embargo, no puede penetrar ni el metalni el agua), y que se propaga en la línea de visión.

Las radiaciones a esta frecuencia son absorbidaspor la atmósfera terrestre, por lo que podrían teneraplicaciones potenciales en comunicaciones de aero-nave a satélite o entre satélites. Esta banda está aúnen investigación, y las principales aplicaciones apun-tan a usos en imágenes médicas, astronomía, espec-troscopia, procesos químicos y aplicaciones de segu-ridad y defensa, trazabilidad y control de calidad.Presenta una alternativa a los rayos X en frecuenciasno ionizantes y por lo tanto inofensivas para el serhumano.

Radiación infrarroja

La radiación infrarroja es un tipo de radiaciónelectromagnética de mayor longitud de onda que laradiación de luz visible, pero menor que las microon-das. Su rango de longitudes de onda está entre 0,7 y1.000 µm, dependiendo de diversas clasificaciones.La radiación infrarroja es denominada también radia-ción térmica ya que cualquier cuerpo a una tempera-tura mayor a 0 °K (cero absoluto, -273,15 °C) laemite. En general, la radiación infrarroja se asocia

con el calor, ya que es producida por la temperaturade los cuerpos.

Existen diferentes clasificaciones de la radiacióninfrarroja en función de su longitud de onda y delobjeto de estudio en cada caso (astronomía, sensores,comunicaciones, etc.):

En general, la longitud de onda a la que un cuer-po emite el máximo de radiación es inversamenteproporcional a la temperatura de éste. Por ello, lamayoría de los objetos a temperaturas cotidianas(alrededor de 300 °K) tienen su máximo de emisiónen el rango espectral de la radiación infrarroja. La luzinfrarroja es típicamente emitida o absorbida pormoléculas cuando cambian sus movimientos rotacio-nales o vibratorios. Los seres vivos emiten así unagran proporción de radiación en el rango infrarrojo,debido a su calor corporal. El ser humano a tempera-tura normal (37 °C) emite principalmente radiaciónde longitud de onda 12 µm.

La denominada sensación térmica está tambiéndirectamente relacionada con la radiación. Así, esposible sentir frío o calor con independencia de latemperatura ambiental y de la temperatura del cuer-po, cuando se recibe más radiación térmica de la quese emite (sensación de calor) o menos (sensación defrío) (figura 13).

La radiación infrarroja es una radiación no ioni-zante, que se emplea en multitud de disciplinas inclu-yendo las radiocomunicaciones de muy corto alcan-ce. Se muestran a continuación los usos máshabituales:

� Visión nocturna:

• Se recepciona la radiación infrarroja y se pro-yecta en una pantalla, haciendo corresponderlos objetos más calientes a los más luminosos.

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Figura 11. Escáner basado en radiación THz, y espectroscopio THz.

Figura 12. Diferentes clasificaciones de radiación IR.

� Termografía:

• Averiguación a distancia de la temperatura delos cuerpos.

� Mediciones de características espectrales enmineralogía, química y biología.

� Guiado de misiles.

� Calentamiento y secado en procesos industria-les.

� Espectroscopia.

� Meteorología y climatología.

� Astronomía.

� Medicina. Terapias e imágenes médicas.

� Telecomunicaciones por fibra óptica.

� Radiocomunicaciones domésticas de cortoalcance, electrónica de consumo:

• En redes WPAN y en mandos a distancia(IrDA).

La radiación infrarroja no atraviesa la atmósfera,por lo que no es adecuada para comunicaciones consatélites. Tampoco penetra paredes, por lo que lacomunicación en interiores se reduce a cortas distan-cias sin obstáculos y con visión directa. Éste es elmotivo por el que un mando a distancia de un televi-sor no funciona ni desde una habitación contigua nicon un ángulo de incidencia muy grande respecto delsensor.

Luz visible

Se denomina espectro visible a la región delespectro electromagnético que el ojo humano escapaz de percibir. La radiación electromagnética eneste rango es denominada luz visible o luz, y se mani-fiesta al ser humano en un conjunto continuo de colo-res y tonalidades.

El espectro visible se encuentra entre la radiacióninfrarroja y la radiación ultravioleta, que reciben susnombres precisamente por encontrarse sus frecuen-

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Figura 13. Temperatura de radiación más intensa.

Figura 14. Espectro visible por el ser humano.

cias por debajo del rojo o por encima del violeta res-pectivamente. La radiación electromagnética de la luzvisible es empleada en infinidad de disciplinas socia-les y científicas, y se corresponde con la percepciónvisual del mundo. Es además una radiación no ioni-zante, no afectando a las estructuras moleculares.

No existen límites exactos en esta división delespectro, ya que depende en gran medida de la dife-rente sensibilidad de las personas a los colores. El ojohumano dispone de conos, elementos que son sensi-bles a las radiaciones de rojo, verde y azul. La mayorsensibilidad está en torno a 555 nm, en la región verdedel espectro visible. Un ojo humano típico percibecomo luz visible las longitudes de onda comprendidasentre 400 y 700 nm, si bien algunas personas puedenpercibir longitudes de onda de 380 a 780 nm.

El espectro incluye todos aquellos colores quepueden ser producidos por la luz visible de una únicalongitud de onda (luz monocromática). Estos son losdenominados colores espectrales puros. Cada longi-tud de onda de la luz es percibida como un colorespectral puro, en un espectro continuo.

En la práctica, los colores de longitudes de ondamuy cercanas son indistinguibles. El espectro sinembargo no contiene todos los colores que los ojos yel cerebro humano son capaces de distinguir. Colorescomo el rosa, el marrón o el magenta necesitan de lamezcla de múltiples longitudes de onda. Aunque elespectro visible es continuo, a menudo es dividido enfranjas de colores, habitualmente los tres primarios ytres secundarios de acuerdo a diversas teorías delcolor:

Figura 15. Ondas electromagnéticas del espectro visible.

Así, la luz es una radiación electromagnética com-puesta de fotones, con propiedades de onda y de par-tícula. El arcoíris es un ejemplo de refracción naturaldel espectro visible, y es producido al incidir la radia-ción de luz solar en las gotas de lluvia. La descompo-sición en colores es posible porque el índice de refrac-ción de la gota de agua es ligeramente distinto paracada longitud de onda (es un medio dispersivo; suíndice de refracción depende de la frecuencia). Igual-

mente, el cielo se percibe azul porque la radiaciónsolar se dispersa en la atmósfera de forma más abun-dante en la frecuencia correspondiente al color azul.

La luz visible es la radiación que el sol y otrasestrellas similares emiten con más fuerza. Es absorbi-da y reflejada por las moléculas y átomos de la mate-ria, motivo por el que se perciben los colores de losobjetos. Además, la luz visible puede ser generadaartificialmente, como ocurre por ejemplo en las bom-billas incandescentes o los diodos LED (Light Emis-sion Diode, diodos emisores de luz).

En telecomunicaciones, la luz visible se empleapor ejemplo en fibra óptica (junto con las radiacionesinfrarrojas), para comunicaciones cableadas de altavelocidad, mediante reflexiones de las ondas electro-magnéticas luminosas confinadas en el cable de fibra.En radiocomunicaciones, se emplea la espectroscopia(estudio científico de objetos basado en el espectro deluz que emiten) para la astronomía y el estudio de laspropiedades de objetos distantes. Se emplean asimis-mo técnicas de efecto Doppler para verificar propie-dades de los objetos mediante su cambio de colora-ción debido a la variación de la percepción de lafrecuencia con la velocidad del objeto.

VLC (Visible Light Communications, comunica-ciones por luz visible), también denominada FSO(Free Space Optics, óptica en el espacio libre), es laradiocomunicación por ondas electromagnéticas delespectro visible. Aunque VLC y FSO son en realidadsinónimos, generalmente se emplea VLC para radio-comunicación en espacio abierto en interiores, y FSOpara exteriores. Esta tecnología utiliza lámparas fluo-rescentes comunes para transmitir señales a 10 kbps,o bien diodos LED para velocidades de hasta 500 Mbps teóricos (actualmente se llega a más de 10 Mbps). VLC puede ser empleado como medio decomunicación para redes ubicuas, ya que los disposi-tivos productores de luz visible (lámparas deinterior/exterior, televisores, semáforos, etc.) seencuentran en cualquier lugar. Sus posibles usos son,entre otros:

� Complemento o alternativa a comunicaciónLAN en hogares y oficinas.

� Redes de respaldo.

� Intercomunicación entre redes LAN.

� Comunicaciones espaciales entre satélites.

� Comunicaciones en y entre circuitos integrados.

� Comunicaciones inteligentes en respuesta alentorno.

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Entre las ventajas de esta tecnología se encuentran:

� Fácil instalación.� Licencia libre de operación, y no utiliza las fre-

cuencias saturadas de la banda de WiFi.� Altas tasas de bits, con bajo nivel de error.� Inmunidad a las inferferencias electromagnéti-

cas.� Alta direccionalidad.� Modo de transmisión dúplex completo.

Entre sus inconvenientes pueden citarse:

� Dispersión al atravesar materiales (separaciónen distintas frecuencias).

� Necesidad de visión directa, no atraviesa obs-táculos.

� Afectación por climatología: lluvia, nieve, nie-bla, calor.

� Corto alcance, necesidad de potencia para dis-tancias largas.

� Luces de fondo interferentes.

� Polución.

Radiación ultravioleta

La radiación ultravioleta o UV es aquella radia-ción electromagnética cuya longitud de onda estácomprendida entre los 10 y los 400 nm. Su rangoempieza en las longitudes de onda más cortas delcolor violeta del espectro de luz visible. Inicialmentefueron llamados “rayos desoxidantes” junto a los“rayos calóricos” (actuales infrarrojos).

Se distinguen distintos tipos de radiación UVsegún su longitud de onda, existiendo además dosclasificaciones, una dada por CIE (Commission Inter-nationale de l’Eclairage, Comisión Internacional deIluminación) y otra utilizada por los físicos, con ban-das superpuestas:

Figura 17. Denominación de radiación ultravioleta.

La radiación UV dispone de diversas aplicaciones:

� Esterilización (240-280 nm), junto con los rayosinfrarrojos:

• Elimina bacterias y virus sin dejar residuos.

� Lámparas fluorescentes (300-400 nm; la radia-ción UV, al iluminar ciertos materiales, se hacevisible debido al fenómeno de fluorescencia):

• Se ioniza gas de mercurio a baja presión, y unrecubrimiento fosforescente absorbe la radia-ción UV y la convierte en luz visible. Tambiénse utilizan lámparas de xenón y halógenas,entre otras.

� Autenticación por fluorescencia (230-400 nm):

• Método invasivo y no destructivo para detec-tar falsificaciones.

� Detección de defectos por fluorescencia (300-400 nm).

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Figura 16. Posibles usos de VLC.

� Detección de restos en ciencia forense (250-300 nm) por fluorescencia.

� Control de plagas de insectos (350-370 nm),que se sienten atraídos por la radiación.

� Espectrometría (280-300 nm).

� Litografía (13,5 nm) y láser*.

� Sensores ópticos e instrumentación (230-400 nm).

� Identificación de códigos de barras (230-365 nm).

� Análisis proteínico (270-300 nm).

� Visualización de imágenes médicas de células(280-400 nm).

El sol es una fuente importante de radiación UV.Sin embargo, gran parte de ella es absorbida por el oxí-geno y la capa de ozono de la atmósfera, llegando úni-camente la UVA y un porcentaje mínimo de la UVB.La radiación UV procedente del sol puede causar que-maduras en la piel sin necesidad de calentarla, lo queexplica que la piel se queme en un día frío. Los bron-ceadores actuales protegen la piel de los rayos UV eli-minando radiaciones que producen quemaduras.

Por otra parte, el ser humano no es capaz de visua-lizar la radiación ultravioleta, aunque algunos insectospueden visualizarla. Algunos peces e insectos utilizantambién comunicación por radiación UV para locali-zarse unos a otros o para huir de sus depredadores.

La radiación UV no se utiliza en comunicaciones,ya que no se propaga bien por la atmósfera y además

es altamente energética, de manera que a partir de12,4 eV (100 nm, 3 PHz) se considera una radiaciónionizante (altera estructuras atómicas y moleculares),perjudicial para el ser humano.

Rayos X

La energía de los rayos X en general se encuentraentre la radiación ultravioleta y los rayos gamma (γ)producidos de forma natural. Su longitud de ondaestá aproximadamente entre 10-11 y 10-8 m, corres-pondiendo a frecuencias entre el rango aproxima-do de 3·1016 y 3·1019 Hz. Su energía abarca desde120 eV hasta 120 keV.

La diferencia fundamental con los rayos gamma (γ)es su origen: los rayos gamma (γ) son radiaciones de ori-gen nuclear, mientras que los rayos X surgen de fenóme-nos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fun-damentalmente producidos por desaceleración deelectrones. Así, los rayos X se generan cuando un haz deelectrones que viajan a gran velocidad, es frenado brus-camente al chocar con un obstáculo. La pérdida energé-tica de éstos se convierte en la energía de los rayos X.

Los rayos X conforman una radiación ionizante, yaque al interactuar con la materia producen la ionizaciónde los átomos de la misma, originando partículas concarga (iones). Debido a su alta energía y frecuencia, nose utilizan en radiocomunicaciones. Son penetrantes,capaces de atravesar cuerpos opacos y de impresionarlas películas fotográficas. Por ello, se usan para radiogra-fías de huesos y órganos internos. Se producen por ladesaceleración rápida de electrones muy energéticos(del orden de 103 eV) al chocar con un blanco metálico.

La producción de rayos X, en un espectro conti-nuo de frecuencias y en un espectro discreto caracte-rístico, se lleva a cabo en tubos de rayos X, que pue-den variar dependiendo de la fuente de electrones yson de dos tipos: tubos con filamento o tubos con gas.Los sistemas de detección más típicos son las pelícu-las fotográficas y los dispositivos de ionización.

Aunque el uso mayoritario de los rayos X se da enla medicina (radiología, tomografía, radioterapia,fluoroscopia) se emplean también en otros campos:

� Cristalografía:

• Exploración de la estructura de la materiacristalina, mediante experimentos de difrac-ción de rayos X por ser su longitud de onda

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Figura 18. Atenuación de la radiación ultravioleta.

* LASER es un caso similar a RADAR: es un acrónimo (Light Amplification by Stimulated Emission of Reduction), y como ocurre conradar, también se ha convertido en palabra admitida en el diccionario de RAE.

similar a la distancia entre los átomos de lared cristalina.

� Inspección de componentes industriales:

• Comprobando la homogeneidad del patrónde absorción/emisión, para determinar defec-tos (poros, fisuras, etc.) en componentes téc-nicos estructurales (vigas, paredes, turbinas,motores, tuberías, etc.). También se usa paradetectar defectos en pinturas.

� Astronomía:

• Los rayos X procedentes del espacio sonabsorbidos por la atmósfera, por lo que debenestudiarse mediante telescopios espaciales.

� Microscopia:

• Para producir imágenes de objetos muypequeños.

� Escaneado:

• Para interior de maletas en aeropuertos o decamiones.

Los rayos X de energía entre 0,12 y 12 keV sedenominan “rayos X blandos” (soft X-rays) y los deenergía entre 12 y 120 keV, “rayos X duros” (hard X-rays) de acuerdo a sus propiedades de penetración enla materia.

Rayos gamma

La radiación γ es un tipo de radiación electromag-nética (por tanto formada por fotones), producidageneralmente por procesos subatómicos como la ani-quilación de un par positrón-electrón (desexcitaciónde un nucleón de un nivel o estado excitado a otro demenor energía) o por elementos isótopos radiactivos.

Los rayos γ son útiles para los astrónomos para elestudio de objetos o regiones de alta energía, y útilespara los físicos gracias a su capacidad penetrante enla materia y a su producción de radioisótopos, ya queionizan la materia. Las bandas de frecuencia de los

rayos X y los rayos γ se solapan para los rayos γ demenor energía y los rayos X de mayor energía. Estesolapamiento se debe a que son radiaciones electro-magnéticas provocadas por diferentes fenómenos físi-cos en algunas frecuencias coincidentes.

Así, la radiación γ se produce por la generación defotones en la descomposición nuclear u otros proce-sos nucleares y subnucleares, mientras que los rayosX son generados por transiciones electrónicas queimplican a electrones interiores muy energéticos. Ladiferencia entre ambos tipos de radiación no es sulongitud de onda, sino en el origen de la radiación.En general, las transiciones nucleares son normal-mente mucho más energéticas que las transicioneselectrónicas, motivo por el que los rayos γ suelentener mayor energía que los rayos X. La energía de laradiación γ se mide en MeV, con longitudes de ondaincluso inferiores a 10-11 m o frecuencias superiores a1019 Hz.

La elevada energía de los rayos γ puede causargraves daños al núcleo de la célula, por lo que son uti-lizados para la esterilización de equipos médicos y ali-mentos, eliminando por ejemplo las bacterias en losmismos. Los rayos γ se utilizan también en aplicacio-nes médicas, por ejemplo en ciertos tipos de cirugía(minimizando daños en tejidos) o en radiodiagnóstico(usando radioisótopos que emiten rayos gammacomo el tecnecio-99, realizando gammagrafías). Porotra parte, la radiación γ procedente del espacio exte-rior es absorbida por la atmósfera, por lo que debeobservarse mediante satélites o telescopios espaciales.

Rayos cósmicos

Con frecuencias del orden de los YHz y ZHz, esun tipo de radiación del espacio exterior formadapor partículas subatómicas que impactan contra laatmósfera terrestre a una energía muy elevada einteractúan con su campo magnético.

Aún se estudia si es en realidad una radiaciónelectromagnética (ya que se trata de partículas carga-das). Un 90% son protones, un 9% partículas alfa (α)(núcleos de helio) y el 1% restante partículas máspesadas (electrones). Debido a su naturaleza eléctri-ca, son deflectadas por los campos magnéticos(terrestre, solar, galáctico…) y por tanto es difícilreconstruir su origen. Los rayos cósmicos, tambiéndenominados ultraenergéticos, poseen una energíacientos de millones de veces superior a la generadapor los aceleradores de partículas más potentes crea-dos por el ser humano. Su procedencia es así unaincógnita hoy día.

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Figura 19. Tubo de rayos X y escáner de inspección de equipaje.

Se cree que el origen de los rayos cósmicos esvariado. El sol, otras estrellas y explosiones de super-novas y sus remanentes (estrellas de neutrones),núcleos activos de galaxias (agujeros negros queabsorben grandes cantidades de materia y la expul-san en forma de potente energía), son algunos de susposibles orígenes. Según su procedencia, se clasificanen:

� Primarios: proceden del espacio exterior.

� Secundarios: proceden de la colisión de rayosprimarios en la atmósfera terrestre y provocanlluvias de partículas en la superficie terrestre.

• Los rayos cósmicos primarios que golpean lascapas más externas de la atmósfera, sufrencolisiones con los núcleos que allí se encuen-tran. De estas colisiones resultan lluvias denuevas partículas elementales (electrones,positrones, mesones, muones, etc.) que even-tualmente llegan a la superficie, alcanzandoextensiones de varios km2.

El confinamiento de partículas cargadas en deter-minadas regiones da así lugar a la emisión de luz enla atmósfera polar cuando estas partículas chocancon moléculas de aire. La luz así emitida se denomi-na aurora boreal (hemiserio norte) o austral (hemisfe-rio sur) (figura 20).

Con carácter general, los rayos cósmicos se clasi-fican en tres tipos:

� Solares:

• Proceden de las protuberancias solares yeyecciones de masa de la corona solar. Ener-gías superiores a 108 eV.

� Galácticos:

• Producidos muy lejos del sistema solar, suorigen es aún desconocido. Se han llegadoa medir rayos galácticos con energías de1020 eV.

� Anómalos:

• Su composición es diferente, y son originadosen átomos neutros que interaccionan con laheliosfera.

Los rayos cósmicos suponen un 10% de la radia-ción media recibida por un ser humano, y son respon-sables de la continua producción en la atmósferaterrestre de isótopos inestables de diversos elementos,como el conocido carbono-14. Provocan asimismoreacciones químicas en la atmósfera, que afectan porejemplo a la capa de ozono (aunque en muchamenor medida que los CFC).

En el espacio exterior, debido a su alta energía,pueden afectar a la electrónica embarcada en lossatélites de comunicaciones, y presentan un problemapara hipotéticas misiones espaciales tripuladas.

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Figura 20. Rayos cósmicos y aurora boreal.