Tema7.2ºbachillerato.física

Tema 7: Inducción Electromagnética Eric Calvo Lorente1

Tema: Inducción electromagnética .1. Inducción Electromagnética: Leyes de Faraday-Henry y de Lenz .

Los trabajos de Ampère se difundieron rápidamente en todos los centros activos deinvestigación de la época, causando gran sensación. Un joven investigador inglés, MichaelFaraday (1791-1867) se empezó a interesar en los fenómenos eléctricos y repitió en sulaboratorio los experimentos tanto de Oersted como de Ampère. Una vez que entendiócabalmente el fondo físico de estos fenómenos, se planteó la siguiente cuestión: de acuerdocon los descubrimientos de Oersted y Ampère se puede obtener magnetismo de laelectricidad, ¿será posible que se obtenga electricidad del magnetismo? De inmediato inicióuna serie de experimentos para dar respuesta a esta pregunta.

Faraday fue uno de los más ilustres científicos experimentales del siglo XIX. Hijo de unherrero y con estudios de educación elemental, ya que no tuvo oportunidad de enseñanza demayor nivel, empezó a trabajar como aprendiz de librero en 1808, dedicándose a laencuadernación. Como pasatiempo leía los libros que le traían los clientes, en particular los dequímica y electricidad, lo que abrió ante sus ojos un nuevo mundo, despertándose en él ungran interés por aumentar sus conocimientos. Así empezó a estudiar cursos nocturnos queofrecía en la Royal Institution (Institución Real para el Desarrollo de las Ciencias) el científicoHumphry Davy. Esta institución había sido fundada en 1799 y desde 1801 su director eraDavy, uno de los científicos más prestigiados de Inglaterra. Faraday escribió notas del cursoque llevó con Davy.

En 1812 Davy recibió una solicitud de trabajo de Faraday, cuyo empleo de aprendiz comoencuadernador estaba por concluir. Mandó al profesor, como prueba de su capacidad, lasnotas que había escrito en el curso que el mismo Davy había dictado. Faraday fue contratadocomo asistente de laboratorio en 1813, comenzando así una ilustre carrera en la RoyalInstitution, que duró hasta su retiro, en 1861. De asistente pasó a reemplazante temporal deDavy, y finalmente fue su sucesor.

Faraday publicó su primer trabajo científico en 1816 y fue elegido miembro de la RoyalInstitution en 1827. Se dedicó durante mucho tiempo al estudio de los fenómenos químicos.Entre los logros de Faraday se pueden mencionar el reconocimiento de nuevos compuestosquímicos, el trabajo sobre la licuefacción de los gases, el descubrimiento de las leyes de laelectrólisis, la demostración de que sin importar cómo se produjera la electricidad siempre erala misma ya que producía en todos los casos los mismos efectos. Posiblemente sus mayoresdescubrimientos fueron la inducción electromagnética y la idea de campo. En este capítulohablaremos de la primera y dedicaremos otro capítulo al concepto de campo.

Faraday inició en 1825 una serie de experimentos con el fin de comprobar si se podíaobtener electricidad a partir del magnetismo. Pero no fue sino hasta 1831 que pudo presentarsus primeros trabajos con respuestas positivas.

Después de muchos intentos fallidos, debidamente registrados en su diario, Faraday obtuvoun indicio en el otoño de 1831. El experimento fue el siguiente. Enrolló un alambre conductoralrededor de un núcleo cilíndrico de madera y conectó sus extremos a un galvanómetro G;ésta es la bobina A de la figura 5. En seguida enrolló otro alambre conductor encima de labobina anterior. Los extremos de la segunda bobina, B en la figura, los conectó a una batería.La argumentación de Faraday fue la siguiente: al cerrar el contacto C de la batería empieza acircular una corriente eléctrica a lo largo de la bobina B. De los resultados de Oersted yAmpère, se sabe que esta corriente genera un efecto magnético a su alrededor. Este efectomagnético cruza la bobina A, y si el magnetismo produce electricidad, entonces por la bobinaA debería empezar a circular una corriente eléctrica que debería poder detectarse por mediodel galvanómetro.

Sus experimentos demostraron que la aguja del galvanómetro no se movía, lo cual indicabaque por la bobina A no pasaba ninguna corriente eléctrica.

Sin embargo, Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la bateríaocurría una pequeña desviación de la aguja de galvanómetro. También se percató de que enel momento en que desconectaba la batería la aguja del galvanómetro se desviabaligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en un intervalo detiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta la batería, si hay corriente en labobina B. Siguiendo esta idea Faraday descubrió que efectivamente se producen corrientes


eléctricas sólo cuando el efecto magnético cambia, si éste es constante no hay ningunaproducción de electricidad por magnetismo.

Al conectar el interruptor en el circuito de la bobina B de la figura 5 el valor de la corrienteeléctrica que circula por él cambia de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efectomagnético que produce esta corriente a su alrededor también cambia de cero a un valordistinto de cero. De la misma manera, cuando se desconecta la batería la corriente en elcircuito cambia de un valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magnético.

Figura 5. Esquema del experimento de Faraday con que descubrió la inducciónelectromagnética.

Por otro lado, cuanto está circulando una corriente con el mismo valor todo el tiempo, hechoque ocurre cuando la batería está ya conectada, el efecto magnético que produce la bobinatambién es constante y no cambia con el tiempo.

Recordemos que la intensidad del efecto magnético producido por una corriente eléctricadepende del valor de la corriente: mientras mayor sea este valor mayor será la intensidad delefecto magnético producido.

Faraday realizó diferentes experimentos en los cuales el efecto magnético que producía yatravesaba una bobina daba lugar a que se produjera una corriente eléctrica en esta bobina.Otro experimento que realizó fue el siguiente: enrolló una bobina A en un anillo de hierro dulcecircular y sus extremos los conectó a un galvanómetro. Enrolló otra bobina B en el mismoanillo y sus extremos los conectó a una batería. Al conectar el interruptor de la batería empezóa circular una corriente por la bobina B. Esta corriente generó un efecto magnético a sualrededor, en particular dentro del anillo de hierro dulce. Como consecuencia, el anillo semagnetizó y el efecto magnético producido cruzó también a la bobina A. Faraday se diocuenta, nuevamente, que sólo había movimiento de la aguja del galvanómetro cuando seconectaba y desconectaba la batería. Cuando fluía por la bobina B una corriente de valorconstante, la aguja del galvanómetro no se movía, lo que indicaba que por la bobina A nohabía corriente alguna.

Después de muchos experimentos adicionales Faraday llegó a una conclusión muyimportante. Para ello definió el concepto de flujo magnético a través de una superficie de lasiguiente forma: supongamos que un circuito formado por un alambre conductor es un círculo.Sea A el área del círculo. Consideremos en primer lugar el caso en que la dirección del efectomagnético sea perpendicular al plano que forma el círculo (Figura 6) y sea B la intensidad delefecto. El flujo magnético a través de la superficie es el producto de B con el área del círculo, osea, (BA). En segundo lugar consideremos el caso en que la dirección del efecto magnético nosea perpendicular al plano del círculo. Si proyectamos la superficie del círculoperpendicularmente a la dirección del efecto, se obtiene la superficie A'. El flujo magnético esahora igual a (BA'). Llamaremos al área A' el área efectiva. El flujo es, por tanto, igual a lamagnitud del efecto magnético multiplicada por el área efectiva.


Figura 6. A través de la superficie hay un flujo magnético.

Si el efecto magnético que cruza el plano del circuito de la figura 6 cambia con el tiempo,entonces, de acuerdo con el descubrimiento de Faraday se genera, o como se ha convenidoen llamar, se induce una corriente eléctrica a lo largo del alambre que forma el circuito.

Sin embargo, Faraday descubrió otra cosa muy importante. Lo que realmente debe cambiarcon el tiempo para que se induzca una corriente eléctrica es el flujo magnético a través de lasuperficie que forma el circuito eléctrico. Por supuesto que si el efecto magnético cambia conel tiempo, entonces el flujo que produce también cambiará. Pero puede ocurrir que el flujocambie sin que el efecto cambie. En efecto, si el área efectiva de la superficie cambia,manteniéndose el valor del efecto constante, entonces el flujo cambiará. El descubrimiento deFaraday indica que en este caso también se inducirá una corriente eléctrica en el circuito. Unamanera de cambiar el área efectiva del circuito es, por ejemplo, haciendo girar la espiral delcircuito (Figura 7) alrededor del eje LL, perpendicular al efecto magnético. En este caso el flujomagnético cambia con el tiempo y se induce una corriente en el circuito, sin que el efectomagnético hubiese cambiado. Vemos claramente que se puede cambiar el área efectiva demuchas otras maneras. Además, puede ocurrir que cambien simultáneamente tanto el valordel efecto como el área efectiva con el consecuente cambio del flujo magnético.

Figura 7. Se puede lograr que el flujo a través de la superficie cambie con el tiempo,haciéndola girar alrededor del eje LL.

Lo importante es que si el flujo neto cambia entonces se induce una corriente eléctrica. Estedescubrimiento lleva el nombre de ley de inducción de Faraday y es uno de los resultadosmás importantes de la teoría electromagnética.

Cuanto mayor sea el cambio del flujo, mayor será el valor de la corriente eléctrica que seinducirá en el alambre conductor. De esta forma nos damos cuenta de que se pueden lograrvalores muy altos de corriente eléctrica con sólo cambiar el flujo magnético rápidamente. Así,gracias a la ley de inducción de Faraday se puso a disposición de la humanidad la posibilidadde contar con fuentes de corrientes eléctricas intensas. La manera de hacerlo fue por medio de


generadores eléctricos. Recuérdese que hasta el descubrimiento de Faraday, las únicasfuentes de electricidad disponibles eran la fricción entre dos superficies y por medio de bateríao pilas voltaicas. En cualquiera de estos dos casos las cantidades de electricidad que seobtenían eran muy pequeñas.

Como veremos en otros capítulos, la ley de inducción ha tenido aplicaciones prácticas quehan cambiado el curso de la vida de la humanidad.

Antes de morir Humphry Davy dijo: "Mi mayor descubrimiento fue Michael Faraday."El gran descubrimiento de Michael Faraday de la inducción electromagnética en 1831, se

estaba duplicando en forma independiente por el físico Joseph Henry, pero Faraday recibió elcrédito del descubrimiento porque sus resultados se publicaron primero. Henry se hizo famoso,como descubridor de la inductancia de una bobina y como quien desarrollo un electromagnetopotentísimo capaz de levantar pesos de miles de libras. Fue también el físico más eminente delos Estados Unidos de América en el siglo XIX y el primer secretario del Instituto Smithsoniano.

2. Flujo Magnético .Se denomina flujo al producto escalar del vector campo por el vector superficie

cos... SBSB

Si el campo no es constante o la superficie no es plana, el flujo secalcula mediante la integral

El flujo representa el número neto de líneas que atraviesan la superficieen dirección del vector S que la representa. (Al decir número neto seentiende que se cuentan como positivas las líneas que atraviesan la

superficie en el sentido del vector S y negativas las del sentido contrario)

El flujo magnético se calcula como:

S

SdB

.

En el Sistema Internacional, se mide en Weber (Wb)., donde 1 Wb = 1 T .m2

El flujo magnético a través de superficies cerradas es siempre cero:

En una superficie cerrada entran tantas líneas como salen, dentro de la superficie no nacenni mueren las líneas.

Por este motivo las líneas del campo magnético son siempre curvas cerradas: no existenfuentes o sumideros como en el campo eléctrico ni se pueden separar los polos de un imán.


3. Ley de Faraday-Henry .Esta ley puede expresarse bajo dos formas:

a) Consideremos los dos casos anteriores:1º. Trato de determinar el flujo de a través del circuito.

Para ello tomo el criterio de que Nu tiene el sentido de avance del sacacorchos que gira con

el sentido de la corriente inducida i.

B.l.vdt

dxB.l.

dt

dB.l.x.dSu.BS.dB B

S

N

S

B Φ

Φ

Por lo tanto obsérvese que:

dt

d B

2º Caso de la espira. De acuerdo con nuestro criterio, Nu tiene el sentido indicado en

la figura superior.

, vemos por lo tanto que para este caso también se cumple que:

Enunciamos pues la ley de Faraday-Henry como:


En un campo magnético variable con el tiempo, se induce una f.e.m. en cualquier circuitocerrado que es igual a menos la derivada respecto al tiempo del flujo del campo magnético através del circuito:

dt

d B

El flujo del vector inducción a través de una superficie como:cos... SBSB

, y su variación con el tiempo, responsable de la generación de corrientes inducidas, puededeberse a tres factores:

Que varíe la inducción B

(Campos dependientes del tiempo). Que varíe la superficieS

(Deformaciones o aumento/disminución de la superficie

atravesada por el campo magnético). Que varíe el ángulo entre B

yS

.

De acuerdo con lo anterior, la expresión que permite el cálculo de la fuerza electromotrizinducida (f.e.m) , conocida como Ley de Faraday-Henry es:

dt

d B

que se medirá en VOLTIOS(V) si el flujo se expresa en Weber y el tiempo en segundos. Siel circuito en que se produce la f.e.m tiene N espiras la expresión (15) toma la forma:

dt

dN B .

4. Ley de Lenz .La Ley de Faraday-Henry permite sin duda el cálculo del valor numérico de la f.e.m

inducida, pero no indica el sentido de las intensidades que produce. Lenz estableció unprocedimiento que permite determinar dicho sentido. El enunciado, conocido como Ley deLenz, es:« El sentido de la corriente inducida en un circuito es tal que crea un campo magnético cuyoflujo se opone a la variación del flujo inductor »Conviene tener presente todo lo dicho acerca de las caras magnéticas de una espira segúnsea el sentido de circulación de corriente en la misma. Así, si acercamos la cara NORTE de unimán a una espira, el número de líneas de fuerza entrantes en ella tiende a aumentar, luego,según la Ley de Lenz, la corriente inducida debe crear un campo magnético saliente que seoponga al aumento de líneas entrantes. Si el campo magnético es saliente, la espirapresentará una cara NORTE y por tanto, la intensidad inducida circulará en sentido antihorario

Este principio es una manera más elegante de ``adivinar'' cómo será la f.e.m. inducida en uncircuito. Por ejemplo, supongamos que tomamos una espira conductora e introducimos en ellaun imán. En este caso el flujo magnético aumenta, lo cual produce una f.e.m. inducida. ¿Quésentido tendrá? Aquel que se oponga a la causa que lo produce, es decir, como en este caso


es producido por un aumento del flujo magnético el circuito tenderá a disminuir dicho flujomagnético. ¿Y cómo puede lograrse esto? Haciendo que la intensidad de corriente creadagenere a su vez un campo magnético que se oponga al anterior y disminuyendo de estamanera el campo.

De alguna manera este es un mecanismo de “inercia'' que, en general, presentan todos lossistemas físicos.

La justificación de la ley de Lenz puede realizarse a partir del PRINCIPIO DECONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA. La producción de corriente eléctrica requiere unconsumo energético, y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación supone larealización de trabajo. En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo realizadoentre espira e imán el que suministra la energía necesaria para mantener la corriente inducida.Si no hay desplazamiento, el trabajo es nulo, no se transfiere energía al sistema y lascorrientes inducidas no pueden aparecer. Análogamente, si éstas no se opusieran a la acciónmagnética del imán, no habría trabajo exterior, ni por tanto cesión de energía al sistema.

5. Autoinducción .En un circuito existe una corriente que produce un campo magnético ligado al propio circuito

y que varía cuando lo hace la intensidad. Por tanto, cualquier circuito en el que exista unacorriente variable producirá una fem inducida que denominaremos fuerza electromotrizautoinducida.

Supongamos un solenoide de N espiras, de longitud l y de sección S recorrido por unacorriente de intensidad i.

1.- El campo magnético producido por la corriente que recorre el solenoide suponemos quees uniforme y paralelo a su eje, cuyo valor hemos obtenido aplicando la ley de Ampère

2.-Este campo atraviesa las espiras el solenoide, el flujo de dicho campo a través de todaslas espiras del solenoide se denomina flujo propio.

3.-Se denomina coeficiente de autoinducción L al cociente entre el flujo propio F y laintensidad i.

Del mismo modo que la capacidad, el coeficiente de autoinducción solamente depende de lageometría del circuito y de las propiedades magnéticas de la sustancia que se coloque en elinterior del solenoide. La autoinducción de un solenoide de dimensiones dadas es muchomayor si tiene un núcleo de hierro que si se encuentra en el vacío

La unidad de medida de la autoinducción se llama henry, abreviadamente H, en honor aJoseph Henry.

Además, y como sabemos, cuando la intensidad de la corriente i cambia con el tiempo, seinduce una f.e.m. en el propio circuito (flecha de color rojo) que se opone a los cambios deflujo, es decir de intensidad


Derivando respecto al tiempo la expresión del flujo propio

La fem autoinducida VL siempre actúa en el sentido que se opone a la variación decorriente.

6. Alternadores y Dinamos .Un alternador es un generador eléctrico en el que a cada extremo del cuadro se sueldan

unos anillos, llamados colectores, que giran con él. Sobre estos anillos rozan libremente unaspiezas metálicas llamadas escobillas que mandan lacorriente alterna a un circuito externo.

Si el colector es único y además está dividido endos mitades, cada terminal de la espira está encontacto con una mitad del colector. Al girar la espiralsus terminales intercambian de colector cada vez quese invierte el sentido de la corriente. En este caso, lacorriente no cambia de sentido en el circuito exterior.A este aparato se le llama dinamo y la corriente quesuministra es continua (CC) pero de intensidadvariable.

También se pueden obtener corrientes inducidascon la espira fija y el electroimán en movimiento. Encualquier caso, se denomina inductor al electroimán,inducido a la espira, rotor a la parte móvil y estator a lafija. En general, en los alternadores, el inductor esmóvil y el inducido fijo, y en las dinamos es al revés.

La frecuencia de la corriente alterna utilizada enEuropa y Asia es de 50 Hz y en EE UU de 60 Hz. Loscircuitos oscilantes utilizados en comunicación tienenfrecuencias del orden del kHz y MHz.

La representación simbólica de ungenerador de corriente alterna (CA) enun circuito es:


En los alternadores industriales, el inductor es el rotor formado por un electroimánmultipolar, que consta de electroimanes sencillos con lospolos alternados.

El inducido tiene tantas bobinas como polos el inductor ycuyos terminales se conectan al circuito externo. Si losterminales del inducido se conectan en serie se producencorrientes monofásicas.

En las corrientes trifásicas, las espiras del inducido seagrupan en tres circuitos independientes y equidistantes, porlo que se producen tres corrientes de la misma frecuencia ydesfasadas 120°. A cada una de estas corrientes se ledenomina fase.

Si los inducidos son idénticos, los valores máximos yeficaces de las tres corrientes son iguales. Por tanto, la sumade las tres intensidades instantáneas es cero.

Las diferencias de potencial sinusoidal instantáneas queaparecen entre los extremos de cada uno de los inducidostambién están desfasadas 120° entre sí y se les denominatensión de fase:

3

43

2

03

02

01

)cos(.

)cos(.

)cos(.

tVV

tVV

tVV

Estas tensiones pueden aplicarse a circuitos independientes,pero, en general, se conectan agrupadas. Para transportarestas corrientes desde el generador al lugar de consumo seprecisan dos cables por circuito, es decir, seis cables.

Para reducirlos a tres, uno por fase, se conectan los circuitos en estrella o en triángulo.En la conexión en estrella, los tres inducidos tienen un punto en común y el otro libre para

cada una de las fases. Del punto central de esta conexión se puede sacar un cuarto cable,denominado neutro. Si los circuitos están equilibrados, este cable se puede eliminar, ya que lasuma de las intensidades instantáneas es cero y, en este caso, notransporta corriente.

Esta conexión se utiliza en la salida de los transformadores queproporcionan energía a los centros de consumo.

Si tomamos corriente entre cada uno de los hilos y el neutro,tenemos la tensión de fase. Si se toma corriente entre dos hilos delas fases, tenemos la tensión de línea, de forma que:

3.FASELÍNEA VV

En la conexión en triángulo están conectados de forma que cadados inducidos tengan un punto en común. mo aquí

no existe el neutro, la tensión que se obtiene entre cada doshilos es la tensión de línea. Esta conexión se utiliza a la salidade las centrales eléctricas y en las transformaciones intermedias.En España se emplean corrientes trifásicas, de forma que la

tensión de fase tiene un valor eficaz de FASEV , = 220 V y, por tanto,la tensión de línea es:

LÍNEAV = 3220. = 380 V


7. Transformadores y Distribución de Energía Eléctrica .Desde las primeras aplicaciones prácticas de la electricidad se observó que al transportar la

energía a largas distancias se producían pérdidas energéticas en forma de calor por efecto joule.La distancia entre la central eléctrica, en donde está el generador, y el lugar de consumo suele ser

de cientos de km. En este transporte se pierde energía por efecto joule, por lo que la potencia P' quellega al lugar de consumo es menor que la potencia del generador P.

RIIRIPP 22 ´

Para que la pérdida de energía sea mínima hay que disminuir el término RI 2 todo lo que sepueda. Algo que se puede conseguir transportando la corriente a alta tensión, para que la intensidadsea muy pequeña. Este transporte lleva asociado el aumento de la diferencia de potencial en elcentro productor y reducirlo en el lugar de consumo de forma efectiva y sin pérdidas.

Estas dificultades fueron resueltas por Nikola Tesla (1856-1943) al construir el primertransformador capaz de aumentar o disminuir la diferencia de potencial de la corriente.

Un transformador es un dispositivo utilizado para modificar la diferencia de potencial de lacorriente alterna y está fundado en la inducción mutua entre dos bobinas. A la bobina inductora se lellama Primario y a la bobina en la que se induce la corriente se le denomina Secundario.

Las dos bobinas se enrollan al mismo núcleo de hierro y se aíslan entre sí. La variación temporalde corriente en el circuito primario crea un campo magnético variable cuyas líneas de campo sesitúan a través del núcleo ferromagnético atravesando, todas ellas, el circuito secundario.

Una corriente alterna que circule por el primario crea en el núcleo un flujo magnético tambiénalterno:

tN B

pp

.

Como el campo magnético se puede considerar confinado en el núcleo de hierro, todas las líneasde campo que atraviesan el circuito primario pasan a través del secundario. La fem inducida en elsecundario es:

tN B

ss

.

Con Np y NS el número de espiras de los circuitos primario y secundario, respectivamente.Dividiendo miembro a miembro, tenemos:

p

s

p

s

N

N

Eligiendo adecuadamente la relación entre las espiras, se puede obtener la diferencia de potencialque se desee en el secundario para una determinada diferencia de potencial del primario. A larelación entre el número de espiras de ambos devanados se le llama relación de transformación.

Si la diferencia de potencial del primario es mayor que la del secundario, al transformador se lellama reductor o transformador de baja. En caso contrario, se le llama elevador o transformador dealta.

En el supuesto de que no haya pérdidas de energía, la potencia de entrada en el primario es iguala la de salida del secundario.

p

s

p

ssspp I

III

..

Observamos que la intensidad de la corriente es inversamente proporcional a la diferencia depotencial.


Generación y transporte de electricidad esel conjunto de instalaciones que se utilizan para transformar otrostipos de energía en electricidad y transportarla hasta los lugaresdonde se consume. La generación y transporte de energía en formade electricidad tiene importantes ventajas económicas debido alcosto por unidad generada. Las instalaciones eléctricas tambiénpermiten utilizar la energía hidroeléctrica a mucha distancia dellugar donde se genera. Estas instalaciones suelen utilizar corrientealterna, ya que es fácil reducir o elevar el voltaje contransformadores. De esta manera, cada parte del sistema puedefuncionar con el voltaje apropiado. Las instalaciones eléctricastienen seis elementos principales:

La central eléctrica Los transformadores, que elevan el voltaje de la energía eléctrica generada

a las altas tensiones utilizadas en las líneas de transporte Las líneas de transporte Las subestaciones donde la señal baja su voltaje para adecuarse a las

líneas de distribución Las líneas de distribución Los transformadores que bajan el voltaje al valor utilizado por los

consumidores.En una instalación normal, los generadores de la central eléctrica suministran

voltajes de 26.000 voltios; voltajes superiores no son adecuados por las dificultadesque presenta su aislamiento y por el riesgo de cortocircuitos y sus consecuencias.Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y 765.000voltios para la línea de transporte primaria (cuanto más alta es la tensión en la línea,menor es la corriente y menores son las pérdidas, ya que éstas son proporcionales alcuadrado de la intensidad de corriente). En la subestación, el voltaje se transformaen tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea posible transferir laelectricidad al sistema de distribución. La tensión se baja de nuevo contransformadores en cada punto de distribución. La industria pesada suele trabajar a33.000 voltios (33 kilovoltios), y los trenes eléctricos requieren de 15 a 25 kilovoltios.Para su suministro a los consumidores se baja más la tensión: la industria sueletrabajar a tensiones entre 380 y 415 voltios, y las viviendas reciben entre 220 y 240voltios en algunos países y entre 110 y 125 en otros.

Con corriente continua sólo se consiguen diferencias de potencial de algunos miles de voltios,por lo que el transporte se le encarga a la corriente alterna. Esta se genera a baja diferencia depotencial y se transporta mediante líneas de alta tensión, hasta de 500 000 voltios. En el lugar deconsumo se reduce la tensión hasta 220 V En cada variación tensión de la cuerda de tensión secoloca un transformador.

Los núcleos de hierro de los transformadores están formados por láminas de hierro aisladas,en vez de trozos de hierro continuos con el fin de evitar las corrientes inducidas en la masametálica, llamadas corrientes de Foucault, y que consumen energía por efecto joule.

Estas corrientes se forman por circulación de los electrones dentro del material sometido acampos magnéticos variables.

A menudo son de elevada intensidad, debido a la baja resistencia del metal por el que circulan.Las corrientes de Foucault tienen aplicaciones como el calentamiento o fusión de materiales

colocados en recipientes de hierro situados dentro de un campo magnético al que se le somete abruscas oscilaciones.


Red de energía eléctricaEn una central hidroeléctrica, el agua que cae de una presa hace girar turbinas que

impulsan generadores eléctricos. La electricidad se transporta a una estación detransmisión, donde un transformador convierte la corriente de baja tensión en unacorriente de alta tensión. La electricidad se transporta por cables de alta tensión a lasestaciones de distribución, donde se reduce la tensión mediante transformadoreshasta niveles adecuados para los usuarios. Las líneas primarias pueden transmitirelectricidad con tensiones de hasta 500.000 voltios o más. Las líneas secundariasque van a las viviendas tienen tensiones de 220 o 110 voltios.

El desarrollo actual de los rectificadores de estado sólido para alta tensión haceposible una conversión económica de alta tensión de corriente alterna a alta tensiónde corriente continua para la distribución de electricidad. Esto evita las pérdidasinductivas y capacitivas que se producen en la transmisión de corriente alterna.

La estación central de una instalación eléctrica consta de una máquina motriz,como una turbina de combustión, que mueve un generador eléctrico. La mayor partede la energía eléctrica del mundo se genera en centrales térmicas alimentadas concarbón, aceite, energía nuclear o gas; una pequeña parte se genera en centraleshidroeléctricas, diesel o provistas de otros sistemas de combustión interna.

Las líneas de conducción se pueden diferenciar según su función secundaria enlíneas de transporte (altos voltajes) y líneas de distribución (bajos voltajes). Lasprimeras se identifican a primera vista por el tamaño de las torres o apoyos, ladistancia entre conductores, las largas series de platillos de que constan losaisladores y la existencia de una línea superior de cable más fino que es la línea detierra. Las líneas de distribución, también denominadas terciarias, son las últimasexistentes antes de llegar la electricidad al usuario, y reciben aquella denominaciónpor tratarse de las que distribuyen la electricidad al último eslabón de la cadena.

Las líneas de conducción de alta tensión suelen estar formadas por cables decobre, aluminio o acero recubierto de aluminio o cobre. Estos cables estánsuspendidos de postes o pilones, altas torres de acero, mediante una sucesión deaislantes de porcelana. Gracias a la utilización de cables de acero recubierto y altastorres, la distancia entre éstas puede ser mayor, lo que reduce el coste del tendido delas líneas de conducción; las más modernas, con tendido en línea recta, seconstruyen con menos de cuatro torres por kilómetro. En algunas zonas, las líneas dealta tensión se cuelgan de postes de madera; para las líneas de distribución, a menortensión, suelen ser postes de madera, más adecuados que las torres de acero. En lasciudades y otras áreas donde los cables aéreos son peligrosos se utilizan cables


aislados subterráneos. Algunos cables tienen el centro hueco para que circule aceitea baja presión. El aceite proporciona una protección temporal contra el agua, quepodría producir fugas en el cable. Se utilizan con frecuencia tubos rellenos conmuchos cables y aceite a alta presión (unas 15 atmósferas) para la transmisión detensiones de hasta 345 kilovoltios.

Cualquier sistema de distribución de electricidad requiere una serie de equipossuplementarios para proteger los generadores, transformadores y las propias líneasde conducción. Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensión que seproporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.

Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos los elementos de la instalacióncontra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de conmutaciónordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modoautomático cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómalaproduce una subida repentina de la corriente. En el momento en el que estedispositivo interrumpe la corriente se forma un arco eléctrico entre sus terminales.Para evitar este arco, los grandes cortacircuitos, como los utilizados para proteger losgeneradores y las secciones de las líneas de conducción primarias, están sumergidosen un líquido aislante, por lo general aceite. También se utilizan campos magnéticospara romper el arco. En tiendas, fábricas y viviendas se utilizan pequeñoscortacircuitos diferenciales. Los aparatos eléctricos también incorporan unoscortacircuitos llamados fusibles, consistentes en un alambre de una aleación de bajopunto de fusión; el fusible se introduce en el circuito y se funde si la corrienteaumenta por encima de un valor predeterminado.

FALLOS DEL SISTEMAEn muchas zonas del mundo las instalaciones locales o nacionales están

conectadas formando una red. Esta red de conexiones permite que la electricidadgenerada en un área se comparta con otras zonas. Cada empresa aumenta sucapacidad de reserva y comparte el riesgo de apagones.

Estas redes son enormes y complejos sistemas compuestos y operados porgrupos diversos. Representan una ventaja económica pero aumentan el riesgo de unapagón generalizado, ya que si un pequeño cortocircuito se produce en una zona, porsobrecarga en las zonas cercanas se puede transmitir en cadena a todo el país.Muchos hospitales, edificios públicos, centros comerciales y otras instalaciones quedependen de la energía eléctrica tienen sus propios generadores para eliminar elriesgo de apagones.

REGULACIÓN DEL VOLTAJELas largas líneas de conducción presentan inductancia, capacitancia y resistencia

al paso de la corriente eléctrica. El efecto de la inductancia y de la capacitancia de lalínea es la variación de la tensión si varía la corriente, por lo que la tensiónsuministrada varía con la carga acoplada. Se utilizan muchos tipos de dispositivospara regular esta variación no deseada. La regulación de la tensión se consigue conreguladores de la inducción y motores síncronos de tres fases, también llamadoscondensadores síncronos. Ambos varían los valores eficaces de la inductancia y lacapacitancia en el circuito de transmisión. Ya que la inductancia y la capacitanciatienden a anularse entre sí, cuando la carga del circuito tiene mayor reactanciainductiva que capacitiva (lo que suele ocurrir en las grandes instalaciones) la potenciasuministrada para una tensión y corriente determinadas es menor que si las dos soniguales. La relación entre esas dos cantidades de potencia se llama factor depotencia. Como las pérdidas en las líneas de conducción son proporcionales a laintensidad de corriente, se aumenta la capacitancia para que el factor de potenciatenga un valor lo más cercano posible a 1. Por esta razón se suelen instalar grandescondensadores en los sistemas de transmisión de electricidad.


8. Unificación de Electricidad, Magnetismo y Óptica: Campo Electromagnético .Está claro que a mediados del siglo pasado ya se tenía conocimiento que había alguna

relación fundamental entre la electricidad y el magnetismo: Una carga eléctrica en movimientopuede producir una fuerza magnética que desviará la aguja de una brújula cercana, y un imán enmovimiento puede producir una corriente eléctrica en un cable cercano. Pero, aunque electricidady magnetismo eran evidentemente dos caras de la misma moneda, nadie sabía exactamente cuálera esa moneda.

PERDIDA DURANTE EL TRANSPORTELa energía se va perdiendo desde la central eléctrica hasta cada hogar de la ciudadpor RESISTENCIA, que provoca que la corriente eléctrica no llegue con la mismaintensidad debido a la oposición que presenta el conductor al paso de la corriente. Laresistencia que ofrece el cable depende de su:

Diámetro o área de la sección transversal. La conductividad disminuye aldisminuir el grosor del cable (a mayor diámetro, menor número del cable)

Material con que está hecho Longitud. La conductividad de un cable es inversamente proporcional a la

longitud y la resistencia es directamente proporcional a la longitud. Cambios de temperatura que sufre. Al paso de la corriente, la resistividad se

ve incrementada ligeramente al aumentar su temperatura.Si la potencia transportada es P (P=I.V), y la intensidad es I, la energía disipada por efectoJoule es:

RIPDISIPADA2

Por lo que, en función de la potencia transportada:

2

2

V

RPPDISIPADA

, con lo que, para un valor determinado de potencia P y con una línea de resistencia fija, unaumento en la tensión (potencial) de la línea supondrá una disminución de la energía disipada.Ocurriría lo mismo si se disminuyese R, pero ello implicaría aumentar la sección del conductor,y por tanto su peso y precio, por lo que se llega a un compromiso que optimice las pérdidasenergéticas frente al coste de la línea.


La formulación final del electromagnetismo fue realizada por James Maxwell en 1873, en sufamoso Tratado sobre electricidad y magnetismo. Su principal contribución fue notar que asícomo un campo magnético variable crea una corriente eléctrica, algo similar ocurre con un campoeléctrico que cambia en el tiempo, actuando como una fuente extra de campo magnético(corriente de desplazamiento). Maxwell unificó todo el conocimiento adquirido sobre losfenómenos eléctricos y magnéticos, por lo cual el conjunto de las cuatro ecuacionesfundamentales de la teoría lleva su nombre. Si bien Maxwell era muy humilde e insistía en quesólo había formulado matemáticamente las ideas de Faraday, producir las ecuacionesfundamentales no era sólo un trabajo matemático rutinario, ya que requería clarificar y modificarlos conceptos básicos del electromagnetismo. La tarea de Maxwell fue ampliamente reconocidapor los científicos que lo siguieron, el mismo Einstein lo caracterizaba como la figura másrelevante desde la época de Newton.

Es obvio que aquellos resultados alcanzados por los trabajos de Maxwell fueron relevantespara la física, pero comportaron además consecuencia, quizás, más significativas aún. Siagitamos una carga eléctrica hacia arriba y abajo, produciremos debido a los cambios que hemosgenerado en la carga, un campo magnético. Ahora, si estos cambios de la carga son regulares,de hecho produciremos un campo magnético cambiante. Este campo magnético cambiante

producirá a su vez un campoeléctrico cambiante, que a su vezproducirá un campo magnéticocambiante, y así sucesivamente.Una alteración«electromagnética», u onda, semoverá hacia fuera. Para losfísicos, ello es estar frente a lapresencia de un notable resultado.Pero lo que sí resulta serexcepcionalmente más importanteaún, especialmente para eldesarrollo posterior de la física

teórica, es la contribución matemática de Maxwell que permite calcular, basándose solamente enla medición de la potencia de las fuerzas eléctricas y magnéticas entre las cargas estáticas ydinámicas, con qué velocidad se movería esa alteración. Las ecuaciones predicen que lavelocidad de esas ondas alterativas es de 300.000 kilómetros por segundo, exactamente lavelocidad de la luz tal como se había determinado ya por diversos experimentos. Maxwell llegó ala conclusión de que estas ondas electromagnéticas eran similares a la luz, que se sabía quetenía una naturaleza ondulatoria. De hecho, decidió, la luz visible era simplemente una demuchas formas de energía electromagnética, que se distinguía de las otras sólo por su diferentelongitud de onda.

Uno de los grandes triunfos del trabajo de unificación realizado por Maxwell consiste en lapredicción de que, en el espacio vacío, los campos eléctricos y magnéticos se propagan comoondas transversales oscilantes. La velocidad de estas ondas podía ser calculada a partir de unpar de constantes fundamentales, la permeabilidad eléctrica y magnética del vacío, que eranobtenidas en sencillos experimentos eléctricos y magnéticos. Utilizando los valores de la época,Maxwell halló que la velocidad de estas ondas era de 310.740 km/s, casi idéntica a la velocidadde la luz, lo que lo llevó a proponer que “la velocidad es tan cercana a la de la luz, que parecetenemos fuertes razones para concluir que la luz misma, independientemente de su origen, esuna perturbación electromagnética en la forma de ondas del campo electromagnético que sepropagan de acuerdo a las leyes del electromagnetismo”. La óptica también se rendía y podía serexplicada en términos electromagnéticos.

No es sorprendente, de hecho, que la luz sólo resulte ser una onda electromagnética, cuyavelocidad se determina en términos de dos constantes fundamentales de la naturaleza: lapotencia de la fuerza eléctrica entre partículas cargadas y la potencia de la fuerza magnéticaentre imanes. Sin embargo, esto en aquella época exacerbó un dilema. Los físicos de la épocacreían que todas las ondas requerían algún medio que las transportara, del mismo modo que elagua transporta las olas en el océano. Pero el espacio a través del cual viaja la luz de las


estrellas se consideraba en general como vacío. La solución adoptada fue postular la existenciade un medio transportador de las ondas llamado éter, una materia insustancial e invisible que noimpedía el movimiento de los cuerpos celestes.

La comprobación experimental de la existencia de las ondas electromagnéticas fue realizadaen 1888 por Heinrich Hertz y dio lugar a una fabulosa revolución tecnológica en todos los ámbitosde la vida humana, desde aplicaciones hogareñas hasta el desarrollo de los medios decomunicación modernos. La teoría mostró que la radiación electromagnética existía en un ampliorango de frecuencias, más allá de las conocidas en la época.

HEINRICH HERTZ (1857-1894), profesor de la Escuela Politécnica deKarlsruhe, en Alemania, se interesó en la teoría electromagnética propuesta porMaxwell. La reformuló matemáticamente logrando que las ecuaciones fueran mássencillas, y simétricas. Desde 1884 Hertz pensó en la manera de generar y detectaren un laboratorio las ondas electromagnéticas que Maxwell había predicho. Despuésde mucho trabajo y de experiencias sin éxito, en 1887 construyó un dispositivo conel que logró su fin. El experimento que realizó fue a la vez genial y sencillo.Utilizó un carrete o bobina de Ruhmkorff; que es un transformador que produce un

voltaje muy alto. En seguida conectó el carrete a un dispositivo formado por dos varillas decobre (Figura 29); en uno de los extremos de cada varilla añadió una esfera grande y en elotro una pequeña. Cada una de las esferas grandes servía como condensador paraalmacenar carga eléctrica. Una vez hecha la conexión, en cierto instante el voltaje entre lasesferas chicas era lo suficientemente grande para que saltara una chispa entre ellas. Hertzrazonó que al saltar estas chispas se produciría un campo eléctrico variable en la regiónvecina a las esferas chicas, que según Maxwell debería inducir un campo magnético,también variable. Estos campos serían una perturbación que se debería propagar, es decir,debería producirse una onda electromagnética. De esta forma, Hertz construyó un radiadorde ondas electromagnéticas. Efectivamente, al conectar el carrete de Ruhmkorff a sudispositivo, Hertz observó que saltaban chispas entre las esferas chicas de maneraintermitente. Así logró construir un generador de ondas electromagnéticas.

Figura 29. Esquema del aparato generador de ondas electromagnéticas construido por Hertz.

El siguiente paso fue construir un detector de las ondas electromagnéticas que supuso eranemitidas por su dispositivo. Para este fin construyó varios detectores. Uno de ellos era simplementeotro dispositivo similar al radiador; otro tipo fue una espira metálica en forma circular que tenía ensus extremos dos esferas, también conductoras, separadas una pequeña distancia. El argumento deHertz fue el siguiente: si en efecto existen ondas electromagnéticas, al ser emitidas por el circuito sepropagarán en todo el espacio circundante. Al llegar las ondas al detector, se inducirá en él uncampo eléctrico (además del magnético) y por tanto, en las varillas conductoras o en la espira seinducirá una corriente eléctrica. Esto hará que a través de sus extremos se induzca un voltaje, que sillega a tener un valor suficientemente grande, dará lugar a que salte una chispa entre las esferas.Mientras mayor sea el valor de la amplitud de la corriente eléctrica en el circuito emisor, mayor serála magnitud del campo eléctrico inducido y por lo tanto, mayor será la diferencia de potencial entrelos extremos de la espira del receptor. Esto es precisamente lo que encontró Hertz en suexperimento. Con su detector situado a una distancia de alrededor de 30 m del radiador, observóque saltaba una chispa entre las esferas del detector, con lo que demostró que las ondaselectromagnéticas ¡efectivamente existen! Más tarde, el mismo Hertz pudo demostrar que estasondas se reflejan, se refractan y se comportan como las ondas de luz (véase el capítulo XIV), hechoconsiderado por la teoría de Maxwell. Así lo reportó Hertz en 1888: "Es fascinante que los procesosque investigué representan, en una escala un millón de veces más amplia, los mismos fenómenosque se producen en la vecindad de un espejo de Fresnel, o entre las delgadas láminas para exhibirlos anillos de Newton." Con esto, Hertz se refería a que la longitud de onda de las ondas que suaparato produjo eran un millón de veces la longitud de onda de la luz visible.


9. Espectro Electromagnético .La luz es una forma que nos es muy familiar de

radiación electromagnética. Sin embargo, hayotras formas de radiación electromagnética (EM),tales como los rayos X, ondas de radio y "luz"ultravioleta e infrarroja. Todos juntos, estosdiferentes tipos de radiación electromagnéticaforman el espectro electromagnético.

Cada sección del espectro electromagnético(EM) tiene valores característicos de los nivelesde energía, longitudes de ondas y frecuenciasasociadas con sus fotones. Los rayos gammatienen los mayores niveles de energía, laslongitudes de ondas más cortas y las frecuenciasmás altas. En contraste, las ondas de radio tienenla energía más baja, las longitudes de ondas máslargas y las frecuencias más bajas que cualquiertipo de radiación (EM). En orden de energía, demayor a menor, las secciones del espectroelectromagnético (EM) se llaman: rayos gamma,rayos X, radiación ultravioleta , luz visible ,radiación infrarroja , y ondas de radio . Lasmicroondas (como las que se usan en los hornosmicroondas) son una subsección, de la secciónde ondas de radio del espectro electromagnético(EM).

Los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética (EM, por sus siglasen Inglés) con energía extremadamente elevada. La radiación de rayos gamma tienelongitud de onda mucho más corta que la luz visible, por lo que los fotones de rayogamma tienen muchísima más energía que los fotones de luz.

Los rayos gamma se encuentran en el extremo más elevado de energía delcampo electromagnético Los rayos X, que tienen energía un poco menor a la de losrayos gamma, son vecinos de los rayos gamma en el espectro de radiación electromagnética (EM). De hecho, los rangos espectrales de los rayos X y los rayos gammase sobreponen. Los rayos gamma tienen longitud de ondas de aproximadamente 100picometros (100 x 10-12 metros) o menores, o energías por fotón de por lo menos 10keV. Este tipo de onda electromagnética oscila en una frecuencia de 3 exahertz (EHzó 1018 hertz) o mayor.

No existe una marcada diferencia entre la energía más elevada de los rayos-X yla energía más baja de los rayos gamma. De hecho, la diferencia entre los rayos-X ylos rayos gamma se basa en el orígen de radiación, no en la frecuencia o longitud deonda electromagnética. Los rayos gamma se producen a causa de transicionesnucleares, mientras que los rayos-X son resultado de la aceleración de electrones.

De los valores que utilizó para los elementos del circuito, Hertz estimó que la frecuencia f de la onda erade alrededor de 3 x 107 Hz. Además Hertz determinó que la longitud de la onda l era de 10 m. Con estosvalores determinó que la velocidad v de la onda es (véase la ecuación en la página 50):

v = f = (3 X 107 Hz) X (10 m) = 3 X 108 m/s = 300 000 km/s, igual que el valor predicho por Maxwell, o sea, la velocidad de la luz.De esta manera se realizó en forma brillante la primera demostración experimental de la existencia deondas electromagnéticas, generadas para una frecuencia (y por tanto, longitud de onda) particular.Recordemos que como hay una relación entre la frecuencia y la longitud de onda dada por la ecuaciónantes mencionada, si se conoce una se puede obtener la otra.


Los fotones con energías aproximadas entre 10 keV y unos cuantos cientos de keV,pueden ser tanto rayos X duros como rayos gamma.

Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética (EM) de alta energía. Laradiación de rayos X tiene longitudes de ondas mucho más cortas que la luz visible,por lo que los fotones de rayos X tienen mucha mayor energía que los fotones de luz.

Los rayos X se encuentran entre la "luz" ultravioleta y los rayos gamma delespectro electromagnético. Los rayos X tienen longitudes de ondas entre 10nanómetros (10 x 10-9 metros) y 10 picometros (10 x 10-12 metros). La radiación derayos X oscila de 30 petahertz (PHz ó 1015 hertz) hasta 30 exahertz (EHz ó 1018hertz).

Los rayos X se encuentran subdivididos en rayos X duros y rayos X blandos. Labaja energía de los rayos X blandos tienen longitud de onda más larga, mientras quelos rayos X duros de elevada energía tienen longitud de onda más corta. La divisiónentre los dos tipos de rayos X se encuentra a una longitud de onda aproximada de100 picómetros, o a un nivel de energía aproximado de 10 keV por fotón. Los rayos Xcon energías entre 10 keV y unos cuantos cientos de keV se consideran rayos Xduros.

No hay una distinción precisa entre los rayos X de mayor energía y los rayosgamma de menor energía. De hecho, la distinción entre los rayos X y los rayosgamma se basa en el orígen de la radiación y no en la frecuencia o longitud de ondade las ondas electromagnéticas. Los rayos gamma se producen a causa detransiciones nucleares, mientras que los rayos-X son resultado de la aceleración deelectrones.

Desde hace tiempo los rayos-X son utilizados para poder "ver" a través de la piely tejido muscular, a fin de realizar imágenes de rayos X con fines médicos durante laexaminación en busca de fractura de huesos. Los rayos X que llegan a la Tierradesde el espacio son absorbidos por nuestra atmósfera antes de que puedan llegar ala superficie.

La "luz" ultravioleta es un tipo de radiación electromagnética. La luz ultravioleta (UV)tiene una longitud de onda más corta que la de la luz visible. Los colores morado yvioleta tienen longitudes de onda más cortas que otros colores de luz, y la luzultravioleta tiene longitudes de ondas aún más cortas que la ultravioleta, de maneraque es una especie de luz "más morada que el morado" o una luz que va "más alládel violeta".

La radiación ultravioleta se encuentra entre la luz visible y los rayos X delespectro electromagnético. La "luz" ultravioleta (UV) tiene longitudes de onda entre380 y 10 nanómetros. La longitud de onda de la luz ultravioleta tieneaproximadamente 400 nanómetros (4 000 Å). La radiación ultravioleta oscila entrevalores de 800 terahertz (THz ó 1012 hertz) y 30 000 THz.

Algunas veces, el espectro ultravioleta se subdividide en los rayos UV cercanos(longitudes de onda de 380 a 200 nanómetros) y un rayo UV extremo (longitudes deonda de 200 a 10 nm). El aire normal es generalmente opaco para los rayos UVmenores a 200 nm (el extremo del rayo de los rayos UV); el oxígeno absorbe la "luz"en esa parte del espectro de rayos UV.

En términos de impactos sobre el medio ambiente y la salud de los sereshumanos (¡y en su elección de anteojos de sol!), podría ser de utilidad subdividir elespectro de luz UV de diferente manera, por ejemplo, en UV-A ("luz negra" u ondalarga de rayos UV con longitud de onda de 380 a 315 nm), UV-B (onda medianadesde 315 hasta 280 nm), y UV-C (el "germicida" u onda corta de rayos UV, queoscila entre 280 y 10 nm).

La atmósfera de la Tierra previene que la mayoría de los rayos UV provenientesdel espacio lleguen al suelo. La radiación UV-C es completamente bloqueada a unos35 km. de altitud, por el ozono estratosférico. La mayoría de los rayos UV-A lleganhasta la superficie, pero los rayos UV-A hacen poco daño genético a los tejidos. Losrayos UV-B son responsables de las quemaduras de Sol y el cáncer de piel, aúncuando la mayoría es absorbida por el ozono justo antes de llegar a la superficie. Los


niveles de radiación UV-B existentes en la superfice son particularmente sensibles alos niveles de ozono en la estratosfera.

La radiación ultravioleta causa quemaduras de la piel. También se usa paraesterilizar envases de vídrio usados en investigaciones médicas y biológicas.

La luz visible es una de las formas como se desplaza la energía. Las ondas de luzson el resultado de vibraciones de campos eléctricos y magnéticos, y es por esto queson una forma de radiación electromagnética (EM). La luz visible es tan sólo uno delos muchos tipos de radiación EM, y ocupa un pequeño rango de la totalidad delespectro electromagnético. Sin embargo, podemos percibir la luz directamente connuestros ojos, y por la gran importancia que tiene para nosotros, elevamos laimportancia de esta pequeña ventana en el espectro de rayos EM.

Las ondas de luz tienen longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros (4 000 y7 000 Å). A medida que el arco iris se llena de matices, nuestros ojos percibendiferentes longitudes de ondas de luz. La luz roja tiene longitudes de ondarelativamente largas, aproximadamente 700 nm (10-9 metros) de largo. La luz azul yla luz morada tienen ondas cortas, aproximadamente 400 nm. Las ondas más cortasvibran a mayores frecuencias, y tienen energías más elevadas. Las luz roja tiene unafrecuencia aproximada de 430 terahertz, mientras que la frecuencia de la luz azul esde aproximadamente 750 terahertz. Los fotones rojos tienen aproximadamente 1.8electrón-Volt (eV) de energía, mientras que cada fotón azul transmiteaproximadamente 3.1 eV.

Los vecinos de la luz visible en el espectro EM son la radiación infrarroja de unlado, y luz ultravioleta del otro lado. La radiación infrarroja tiene longitudes de ondasmás largas que la luz roja, es por esto que oscila a una frecuencia menor y llevaconsigo menor energía. La radiación ultravioleta tiene longitudes de ondas máscortas que la luz azul o violeta, por lo que oscila más rápidamente, y porta mayorcantidad de energía por protón que la luz visible.

La luz viaja a la increíble velocidad de 299 792 458 kilómetros por segundo(aproximadamente 186 282.4 millas por segundo). A esta increíble velocidad, ¡la luzpodría girar más de siete veces alrededor de la Tierra en cada segundo!. La letra "c"minúscula se usa en las ecuaciones para representar la velocidad de la luz, como esel caso de la famosa relación entre energía y materia de Einstein: "E = mc2". Todaslas formas de ondas electromagnéticas, incluyendo los rayos X y las ondas de radio,y todas las demás frecuencias a lo largo del espectro EM, también viajan a lavelocidad de la luz. La luz viaja más rápidamente en el vacío, y se mueve máslentamente en materiales como agua o vídrio.

La radiación infrarroja (IR) es un tipo de radiación electromagnética. La "luz" infrarrojatiene una longitud de onda más larga que la luz visible. La luz roja tiene una longitudde onda más larga que la de los demás colores de la luz; la luz infrarroja tiene unalongitud de onda aún mayor que la roja, de manera que la luz infrarroja es unaespecie de luz "más roja que roja" o luz "más allá del color rojo". La radiacióninfrarroja no se puede ver pero algunas veces la podemos sentir en forma de calor.

La radiación infrarroja se encuentra entre la luz visible y las ondas de radio delespectro electromagnético. La radiación infrarroja (IR) tiene longitudes de ondasentre 1 milímetro y 750 nanómetros. La longitud de onda de la luz roja tiene 700nanómetros (o 7 000 Å). La radiación infrarroja oscila con frecuencias entre 300gigahertz (GHz ó 109 hertz) y 400 terahertz (THz ó 1012 hertz).

El espectro infrarrojo se puede subdividir en infrarrojo lejano (1 mm a 10 µmlongitud de onda), infrarrojo medio (10 a 2.5 µm longitud de onda), y casi infrarrojo (2500 a 750 nm longitud de onda). La porción del IR lejano que incluye la longitudes deonda entre 100 y 1 000 µm, es algunas veces conocida como infrarrojo extremo. Lasfronteras no siempre son obvias, y las diferencias entre la IR extrema y lasfrecuencias de radio de microondas son poco obvias.

Podemos sentir el calor de la radiación infrarroja. El calor que sienten nuestrasmanos cuando las colocamos cerca de la hornilla de una cocina, una vez que se haapagado la hornilla (y ya no está al rojo vivo) y que aún no está completamente fríaes, radiación infrarroja.


La atmósfera de la Tierra es opaca en gran parte debido a la parte infrarroja delespectro. El vapor de agua, dióxido de carbono, metano y otros gases invernaderostienden a absorber la radiación infrarroja (IR), atrapando calor adicional en laatmósfera inferior de la Tierra.

Los lentes de visión nocturna, así como el control remoto de una TV usan "luz"infrarroja para poder funcionar.

Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética. Una onda de radiotiene una longitud de onda mayor que la luz visible. Las ondas de radio se usanextensamente en las comunicaciones.

Las ondas de radio tienen longitudes que van de tan sólo unos cuantosmilímetros (décimas de pulgadas), y pueden llegar a ser tan extensas que alcanzancientos de kilómetros (cientos de millas). En comparación, la luz visible tienelongitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros, aproximadamente 5 000menos que la longitud de onda de las ondas de radio. Las ondas de radio oscilan enfrecuencias entre unos cuantos kilohertz (kHz o miles de hertz) y unos cuantosterahertz (THz or 1012 hertz). La radiación "infrarroja lejana", sigue las ondas deradio en el espectro electromagnético, los IR lejanos tienen un poco más de energía ymenor longitud de onda que las de radio.

Las microondas, que usamos para cocinar y en las comunicaciones, sonlongitudes de onda de radio cortas, desde unos cuantos milímetros a cientos demilímetros (décimas a decenas de pulgadas).

Varias frecuencias de ondas de radio se usan para la televisión y emisiones deradio FM y AM, comunicaciones militares, teléfonos celulares, radioaficionados, redesinalámbricas de computadoras, y otras numerosas aplicaciones de comunicaciones.

La mayoría de las ondas de radio pasan libremente a través de la atmósfera de laTierra. Sin embargo, algunas frecuencias pueden ser reflejadas o absorbidas por laspartículas cargadas de la ionosfera.

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Tema7.2ºbachillerato.física