Capítulo

16

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Una onda electromagnética es la perturbación simultánea de los campos eléctricos y magnéticos existentes en una misma región (James C. Maxwell fue quien descubrió las ondas electromagnéticas). Las ondas originadas por los campos eléctricos y magnéticos son de carácter transversal, encontrándose en fase, pero estando las vibraciones accionadas en planos perpendiculares entre sí. En el siglo pasado, Maxwell, demostró que en el vacío, la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas es: v =

1 µo εo

µ o : permeabilidad magnética = 4π×10−7 εo : permeabilidad eléctrica = 8,85×10−12 Luego:

v ≅ 3×108 m/s

Ahora, Ud. Recordará, éste es el valor de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, y es que no es coincidencia; la luz es una onda electromagnética. Ilustración

Jorge Mendoza Dueñas

398

ESPECTROELECTROMAGNÉTICO Es el conjunto de ondas electromagnéticas que se encuentran ordenados de acuerdo a su frecuencia (f ) y longitud de onda (λ) si bien todas las ondas electromagnéticas son iguales por su naturaleza, los efectos que ocasionan no son siempre iguales, razón por la cual a cada grupo de ondas electromag-

néticas que dan lugar a efectos similares se les ha asignado un nombre. La luz visible forma parte del espectro electromagnético, teniendo como límites el violeta de 4 100 A° y el rayo de 7 000 A°.

A continuación se dará una explicación y aplicaciones de los diversos rayos electromagnéticos

Ondas Electromagnéticas

Ondas de Radio AM Reciben este nombre por ser las que emplean las estaciones de radiocomunicación para realizar sus transmisiones. Son emitidas por circuitos oscilantes de radio por intermedio de una antena emisora. Tienen longitudes de onda entre 200 y 600 m.

Ondas de TV. y Radio de FM Estas ondas tienen las mismas características que las de radio AM, pero sus frecuencias son más altas (longitud de onda corta) que las que normalmente usan las emisoras de radio. Las ondas de T.V. son más cortas aún que las de radio FM. Las ondas de radio FM (10 y 50 m de longitud de onda), se les llama ondas cortas y tienen un alcance mayor que las de radio comercial y que las de TV; esto se debe a que en la atmósfera hay una capa llamada ionosfera situada a 100 km de altura que actúa como un espejo tan sólo para las ondas de radio FM, pero son prácticamente transparente para las ondas largas así como también para las de TV. Es así que las ondas de TV tienen solo un alcance de 150 km, a no ser que se recurra a retransmisoras.

399 en la obtención de tomas fotográficas con efectos nocturnos en pleno día; así también se pueden tomar fotografías en plena oscuridad sin necesidad de emplear el “FLASH”, para ello se requiere material infrarrojo; esto generalmente lo usan los fotógrafos o técnicos profesionales para casos especiales. La copiadora ozalid es otra de sus imnumerables aplicaciones.

Rayos Visibles (luz visible) Son ondas luminosas capaces de estimular el ojo humano; los demás rayos no pueden ser percibidos por la visión humana. Estos rayos visibles toman colores definidos, su descomposición se realiza generalmente con ayuda de cuerpos cristalinos.

Microondas Son ondas electromagnéticas de frecuencias más 8 12 altas que las de radio y TV (10 – 10 Hz). Se producen mediante un generador (G) de pulsos eléctricos de duración muy corta que en combinación con una antena parabólica se transforma en onda electromagnética. En la actualidad el uso de estas ondas se hace imprescindibles en las señales de televisión y transmisiones telefónicas. − −

Los sistemas radiotelefónicos enlazan todo el mundo mediante microondas. Las transmisiones de televisión se realizan por la vía satélite gracias a las microondas.

Rayos Infrarrojos Se les conocen también como rayos caloríficos debido a que son emitidos por cuerpos calientes o en estado de incandescencia (temperatura mayor de 500 °C). Estos rayos producen una sensación de calor en la piel. Tienen múltiples usos, así por ejemplo; se utilizan

Rayos Ultravioletas Su nombre deriva de su posición en el espectro electromagnético respecto al color violeta de la luz visible (frecuencia inmediatamente superior a la radiación violeta). Su fuente natural es la proveniente del Sol, sin embargo los técnicos lo producen por medio de lámparas de vapor de mercurio. Su uso debe ser controlada, pues, esa radiación disminuye la formación de la vitamina D, produciendo el raquitismo. Así también los rayos ultravioletas pueden producir bronceamiento en la piel y provocar posibles quemaduras hasta generar cáncer en el tejido humano. Se usan en algunos microscopios para estudios de biología celular. Es aplicable así mismo en algunos exámenes de diagnóstico por ejemplo, los rayos ultravioletas (controlados) al incidir en el cuero cabelludo, los pelos infectados con tiña exhiben fluorescencia, mientras que los sanos no.

Jorge Mendoza Dueñas

400 Las personas que trabajan con instrumentos ópticos para visualizar el Sol, deben tener mucho cuidado ya que los ojos son muy sensibles a estos rayos.

Rayos X Se puede considerar como el fenómeno inverso al efecto fotoeléctrico. Cuando se dirige una corriente de electrones emitida de un cátodo, acelerado por una diferencia de potencial muy alta hacia el ánodo, se producen los rayos X.

ESTUDIO EXPERIMENT AL DEL EXPERIMENTAL ESPECTRO VISIBLE (LUZ) DISPERSIÓN DE LA LUZ

rayos X

Los rayos X, tienen múltiples usos: −

− − −

Se usan en las radiografías de los huesos para mostrar la estructura de los mismos, estos no pueden verse normalmente (los objetos sólidos más densos absorben más rayos X que los menos densos) de allí que se pueden fotografiar fácilmente los huesos y no así los músculos. Los rayos X se usan también en la radioterapia, ya que estos destruyen con mayor rapidez los tejidos cancerosos que los sanos. En la industria es fácil fotografiar las piezas metálicas con los rayos X. Se usa también en el fotocopiado xerox.

Es un fenómeno físico que consiste en la descomposición de un haz de luz en sus colores componentes. Esta visto en el espectro electromagnético que la luz visible está ubicado en un intervalo de frecuencia. Ahora el fenómeno de refracción se hace más acentuado para radiaciones de frecuencias elevadas que para las de frecuencias bajas. Este fenómeno se deja notar fácilmente haciendo pasar la luz blanca a través de un prisma. Pues ahí se producen dos refracciones consecutivas. Se observa que las radiaciones de menor frecuencia (color rojo) se desvían mucho menos que las de frecuencia más elevada (color violeta).

Rayos Gamma (γγ) Son radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia y por lo tanto de gran energía y poderosamente penetrante. Proviene de un cambio de energía de un protón a un neutrón. Así por ejemplo, la explosión de una bomba atómica produce una emisión formidable de estos rayos, que pueden producir daños irreversibles en los seres vivos. Generalmente los rayos gamma van acompañados de los rayos α y β.

DIFRACCIÓN DE LA LUZ Es aquel fenómeno ondulatorio que consiste en la flexión (curva) que experimenta una onda al pasar por los bordes de un obstáculo, rodeando prácticamente esta barrera.

Ondas Electromagnéticas

401

Algunas Ventajas de la Difracción: − −

Nuestra intuición diría que cada pulso que llega al obstáculo, se refleja, mientras que los pulsos que no lo tocan siguen su dirección inicial (línea recta).

Gracias a la difracción de los ondas sonoras es posible hablar con alguien que está detrás de un muro (ver fig. 1). Gracias a la difracción las ondas de radio y televisión se difractan con respecto a los carros y llegan a la antena del receptor (aunque las ondas de radio llegan con mayor facilidad que las de televisión) (ver fig. 2)

fig. 1

fig. 2

INTERFERENCIA Experimentalmente se observa: los pulsos que no tocan el obstáculo se curvean rodeando dicha barrera, a este fenómeno se le llama difracción.

NOTA Para explicar con mayor exactitud el presente fenómeno, recurriremos a un pequeño orificio originado por dos barreras.

Es aquel fenómeno ondulatorio que consiste en el reposamiento o destrucción de las ondas de una misma naturaleza al encontrarse en una misma región del espacio.

Interferencia en una Dimensión Supongamos la presencia de una tensa cuerda, a la cual aplicamos un pulso.

Pasado cierto tiempo, la onda se encontrará en el punto B, supongamos ahora que en ese instante aplicamos un pulso idéntico al primero.

Cuando el orificio es relativamente grande, la difracción es leve.

Es evidente que ahora existirían dos ondas que viajan en un mismo sentido; notará el lector que la onda delantera llegará a la pared y se reflejará cambiando entonces de sentido.

Cuando el orificio es pequeño, la difracción se hace más pronunciada.

Jorge Mendoza Dueñas

402 Ahora, como quiera que dichas ondas viajan en sentidos contrarios, llegará un momento en que se encontrarán. Asumamos “C” el punto de encuentro.

Este punto “C” permanecerá inmóvil en todo momento y tomará el nombre de NODO. Así tenemos entonces que en el caso de formarse una onda periódica, esta ocasionaría onda reflejada y se obtendrían así varios nodos; c1, c2, c3, .....cn.

− Se mide por primera vez la longitud de onda (λ) de luz, no obstante su diminuta dimensión para ser medida. − Ratifica la naturaleza ondulatoria de la luz ya que siendo la difracción un fenómeno ondulatorio y cumpliendo la luz sus características: se deduce que la luz es una onda electromagnética; fue así que demostró experimentalmente que a cada color le corresponde una longitud de onda (λ) diferente.

Este fenómeno toma el nombre de interferencia, y la configuración mostrada toma el nombre de onda estacionaria.

Para el experimento se necesita dos fuentes que produzcan ondas en fase, es decir, que el valle de una se forme simultáneamente con la otra, así como la cresta; esto no es fácil. (La superposición de los movimientos ondulatorios procedentes de las dos fuentes recibe el nombre de interferencia). El aspecto más interesante del fenómeno de las interferencias luminosas es el mayor o menor brillo (u oscuridad).

Interferencia en Dos Dimensiones

La experiencia consiste en:

La superposición de dos ondas como las del agua producen interferencia como resultado; produciéndose el llamado: − Interferencia constructiva − Interferencia destructiva Sin embargo, no solo con el agua se puede producir interferencia, sino también con la luz, el primero en descubrir ello fue Thomas Young en el año 1 800.

INTERFERENCIAS DE LA LUZ: EXPERIMENTO DE YOUNG Con este experimento, Young realiza dos grandes descubrimientos. Ilustración

La luz proveniente del foco ingresa al orificio F y se difracta. Ahora, los orificios F1 y F2 equidistan de F, de modo que una cresta de la onda luminosa F llega simultáneamente a F1 y F2, los valles llegan también al mismo tiempo, atravesando estos orificios; las ondas de luz experimentan así, una nueva difracción (en fase) dirigiéndose hacia la pantalla. Cuando se observa dicha pantalla se aprecian nítidamente bandas claras y oscuras denominadas franjas de interferencia. De la ilustración:

λ =

b∆yga d

Como se verá, para calcular “λ”, habrá que medir cuidadosamente ∆y, a y d .

Ondas Electromagnéticas

403

OBSERVACIONES − El experimento de Young se puede realizar con luz monocromática (luz de un solo color). − La longitud de onda de la luz (λ)depende del material de propagación. − La frecuencia correspondiente a cada color de luz es independiente del material de propagación. COLOR

λ (en el aire)

Rojo

6,5×10−7 m

4,6×1014 Hertz

Amarillo

5,7×10−7

m

5,3×1014 Hertz

Verde

5,4×10−7 m

5,6×1014 Hertz

Azul

4,8×10−7 m

6,3×1014 Hertz

Violeta

4,5×10−7 m

6,7×1014 Hertz

frecuencia

Aclaración importante Basándonos en el experimento de Young: tomemos dos fuentes luminosas F1 y F2 separados a una distancia “d” y una pantalla bastante alejada de dichas fuentes en comparación a la distancia “d”. fig (A)

POLARIZACIÓN DE LUZ Es aquel fenómeno que consiste en seleccionar de todo un conjunto de ondas, únicamente aquellas que dan lugar a vibraciones en una determinada dirección. La polarización es un fenómeno que únicamente puede ser experimentado por las ondas de tipo transversal, entonces debemos esperar que sea posible la polarización de la luz. Se puede polarizar la luz, haciendo que ésta atraviese una placa de un material polarizador. Estas placas denominadas Polaroides, absorben todas las vibraciones luminosas, excepto aquellas que se realizan en una determinada dirección, la luz que emerge del polaroide será pues polarizada. Esquema

Cuando la distancia “D” es muy grande en comparación a “d”, las líneas que van de las dos fuentes a un cierto punto “P” de la pantalla son aproximadamente paralelas. Se puede entonces representar así:

C

B

fig (B) A

El polaroide absorbe los rayos en la dirección BC y deja pasar (polariza los rayos en la dirección AB).

Ilustración Claro está que entre la figura A y B existe una pequeña diferencia. Esto es; en la fig (A) existe una diferencia de trayectos que aproximadamente es: dsen θ Se demuestra: dsen θ = mλ

La luz que llega del Sol se refleja en el pavimento y el polaroide sólo deja pasar los rayos perpendiculares a la luz reflejada, eliminando así el deslumbramiento.

Jorge Mendoza Dueñas

404

TEST

1.-

El ojo está capacitado para ver todos los siguientes colores del espectro de luz blanca, excepto el: a) b) c) d) e)

2.-

7.-

Las ondas de radio. Los rayos x. Los rayos infrarrojos. Las ondas sonoras. Las ondas de TV. 8.-

3.-

Si dos ondas luminosas se neutralizan entre si, el fenómeno se llama. a) b) c) d) e)

4.-

a) b) c) d) e) 5.-

a) b) c) d) e)

9.-

Todo el espectro. La mayor parte de él. Al menos una cuarta parte de él. Una pequeña fracción de él. La décima parte de él.

La banda de colores producida al pasar luz blanca a través de un prisma se llama: Espectro visible. Arco iris. Espectro electromagnético. Efecto fotoeléctrico. Espejismo.

a) b)

Absorción. Interferencia.

c) d)

Difracción. Convergencia.

e)

N.A.

Todas las ondas electromagnéticas: a) b)

Son invisibles. Pueden atravesar una pared.

c) d)

Son inofensivas. Viajan a la misma velocidad.

e)

Todas son ciertas.

De las siguientes, las ondas electromagnéticas que tienen mayores longitudes de onda y las más bajas frecuencias son:

Refuerzo. Interferencia. Radiación. Mezcla. Adición.

La parte del espectro electromagnético visible al ojo humano es:

Si dos ondas luminosas viajan de tal manera que se debilitan o cancelan, entre si, el efecto se llama.

Infrarrojo. Rojo. Azul. Violeta. Puede ver todas las anteriores.

Se sabe que las siguientes viajan a la velocidad de la luz, excepto: a) b) c) d) e)

6.-

10.-

a) b)

Los rayos infrarrojos. Ondas de radio.

c) d)

Fotones. Rayos x.

e)

N.A.

¿Qué color posee mayor longitud de onda? a) b)

Azul. Violeta.

c) d)

Rojo. Verde.

e)

Amarillo.

Al fenómeno en que la luz se le puede observar en distintos colores, se le llama ................. a)

Refracción.

b) c)

Reflexión. Difracción.

d) e)

Dispersión. Convección.

Ondas Electromagnéticas Ciencia y Tecnología

405

RayosX

Elcontrolremoto

Se usan los rayos X en las radiografías de los huesos para mostrar la estructura de los mismos, éstos no pueden verse normalmente (los objetos sólidos más densos absorben más rayos X que los menos densos), de allí que se pueden fotografiar fácilmente los huesos y no así los músculos.

El control remoto, consiste en operar un aparato eléctrico a distancia. Para su manejo se dirige el control hacia el aparato (televisor en este caso) y se presiona la tecla conveniente, en ese momento se emitirá un rayo infrarrojo codificado el cual al llegar al receptor (el cual es sensible a los infrarrojos) se descodificará ejecutándose la orden, tal como el cambio de canal, modificación de volumen, variación del brillo, etc. Antes de usar el control remoto hay que asegurarse que entre ésta y el receptor no exista ningún obstáculo que impida la libre circulación del rayo infrarrojo.

Elradar Sirve para detectar la presencia de objetos fijos y móviles situados a gran distancia; consta de un emisorreceptor que emite ondas electromagnéticas de baja o medianafrecuencia.

Estas ondas al chocar con un objeto, se reflejan, regresando al radar, para luego ser apreciado en una pantalla gracias al cálculo interno de un procesador el cual recibe como datos la intensidad de la onda y el tiempo transcurrido en el doble recorrido de la misma. De este modo el radar detecta los objetos de día o de noche sin necesidad de verlos directamente.