ONDAS ELECTROMAGNETICAS

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ONDAS

ELECTROMAGNÉTICAS

Capítulo

16

Una onda electromagnética es la perturbación simultánea de los cam-pos 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 vibra-ciones 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:

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 electro-magnética.

µo : permeabilidad magnética = 4π×10−7

εo: permeabilidad eléctrica = 8,85×10−12

v

o o

= 1

µ ε

Luego: v ≅ 3×108 m/s

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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

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, ra-zón 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 electromag-nético, teniendo como límites el violeta de 4 100 A° y el rayo de 7 000 A°.

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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 normalmen-te usan las emisoras de radio.

Las ondas de T.V. son más cortas aún que las de ra-dio FM.

Las ondas de radio FM (10 y 50 m de longitud de onda), se les llama ondas cortas y tienen un alcan-ce 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.

Microondas

Son ondas electromagnéticas de frecuencias más altas que las de radio y TV (108 – 1012 Hz).

Se producen mediante un generador (G) de pulsos eléctricos de duración muy corta que en combina-ción con una antena parabólica se transforma en onda electromagnética.

En la actualidad el uso de estas ondas se hace im-prescindibles en las señales de televisión y trans-misiones 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 de-bido 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 em-bargo los técnicos lo producen por medio de lám-paras de vapor de mercurio.

Su uso debe ser controlada, pues, esa radiación dis-minuye la formación de la vitamina D, producien-do el raquitismo.

Así también los rayos ultravioletas pueden produ-cir bronceamiento en la piel y provocar posibles quemaduras hasta generar cáncer en el tejido hu-mano.

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.

en la obtención de tomas fotográficas con efec-tos nocturnos en pleno día; así también se pue-den tomar fotografías en plena oscuridad sin ne-cesidad de emplear el “FLASH”, para ello se requiere material infrarrojo; esto generalmente lo usan los fotógrafos o técnicos profesionales para casos es-peciales.

La copiadora ozalid es otra de sus imnumerables aplicaciones.

Rayos Visibles (luz visible)

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Las personas que trabajan con instrumentos ópti-cos para visualizar el Sol, deben tener mucho cui-dado 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 emi-tida de un cátodo, acelerado por una diferencia de potencial muy alta hacia el ánodo, se produ-cen los 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 me-tálicas con los rayos X.

− Se usa también en el fotocopiado xerox.

Rayos Gamma (

γγγγγ

)

Son radiaciones electromagnéticas de muy alta fre-cuencia y por lo tanto de gran energía y poderosa-mente penetrante.

Proviene de un cambio de energía de un protón a un neutrón.

Así por ejemplo, la explosión de una bomba ató-mica produce una emisión formidable de estos ra-yos, que pueden producir daños irreversibles en los seres vivos.

Generalmente los rayos gamma van acompañados de los rayos α y β.

ESTUDIO EXPERIMENT

ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL

AL DEL

ESPECTRO VISIBLE (LUZ)

DISPERSIÓN DE LA LUZ

Es un fenómeno físico que consiste en la descompo-sición 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 acen-tuado 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 fre-cuencia más elevada (color violeta).

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 prácti-camente esta barrera.

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Algunas Ventajas de la Difracción:

− 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

te-levisión 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)

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

NOTA

Para explicar con mayor exactitud el presente fe-nómeno, recurriremos a un pequeño orificio origi-nado por dos barreras.

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

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

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

INTERFERENCIA

Es aquel fenómeno ondulatorio que consiste en el reposamiento o destrucción de las ondas de una misma naturaleza al encontrarse en una misma re-gión 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.

Es evidente que ahora existirían dos ondas que via-jan en un mismo sentido; notará el lector que la onda delantera llegará a la pared y se reflejará cam-biando entonces de sentido.

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

Este punto “C” permanecerá inmóvil en todo mo-mento y tomará el nombre de NODO. Así tenemos entonces que en el caso de formarse una onda pe-riódica, esta ocasionaría onda reflejada y se obten-drían así varios nodos; c₁, c₂, c₃, ...c_n.

INTERFERENCIAS DE LA LUZ:

EXPERIMENTO DE YOUNG

Con este experimento, Young realiza dos grandes descubrimientos.

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 bri-llo (u oscuridad).

La experiencia consiste en:

La luz proveniente del foco ingresa al orificio F y se difracta. Ahora, los orificios F

1 y F2 equidistan de F,

de modo que una cresta de la onda luminosa F lle-ga simultáneamente a F

1 y F2, los valles llegan

tam-bién 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 níti-damente bandas claras y oscuras denominadas franjas de interferencia.

− 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 ondu-latorio y cumpliendo la luz sus característi-cas: se deduce que la luz es una onda elec-tromagnética; fue así que demostró experi-mentalmente que a cada color le correspon-de una longitud correspon-de onda (λ) diferente.

λ = ∆y a

d

b g

De la ilustración:

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

Ilustración

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

onda estacionaria.

Interferencia en Dos Dimensiones

La superposición de dos ondas como las del agua producen interferencia como resultado; producién-dose el llamado:

− Interferencia constructiva

− Interferencia destructiva

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Aclaración importante

Basándonos en el experimento de Young: tomemos dos fuentes luminosas F₁ y F₂ separados a una dis-tancia “d” y una pantalla bastante alejada de dichas fuentes en comparación a la distancia “d”.

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 pro-pagación.

COLOR λ (en el aire) frecuencia

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

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

Claro está que entre la figura A y B existe una pe-queña diferencia. Esto es; en la fig (A) existe una di-ferencia de trayectos que

aproximadamente es: dsen θ

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 úni-camente puede ser experimentado por las ondas de tipo transversal, entonces debemos esperar que sea posible la polarización de la luz. Se puede pola-rizar la luz, haciendo que ésta atraviese una placa de un material polarizador. Estas placas denomina-das Polaroides, absorben todenomina-das las vibraciones lu-minosas, excepto aquellas que se realizan en una determinada dirección, la luz que emerge del polaroide será pues polarizada.

dsenθ = mλ

Se demuestra:

Esquema

Ilustración

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

A B C

La luz que llega del Sol se refleja en el pavimento y el polaroide sólo deja pasar los ra-yos perpendicula-res a la luz refleja-da, eliminando así el deslumbra-miento.

fig (A)

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TEST

1.- El ojo está capacitado para ver todos los siguientes colores del espectro de luz blanca, excepto el:

a) Infrarrojo. b) Rojo. c) Azul. d) Violeta.

e) Puede ver todas las anteriores.

2.- Se sabe que las siguientes viajan a la velocidad de la luz, excepto:

a) Las ondas de radio. b) Los rayos x.

c) Los rayos infrarrojos. d) Las ondas sonoras. e) Las ondas de TV.

3.- Si dos ondas luminosas se neutralizan entre si, el fe-nómeno se llama.

a) Refuerzo. b) Interferencia. c) Radiación. d) Mezcla. e) Adición.

4.- La parte del espectro electromagnético visible al ojo humano es:

a) Todo el espectro. b) La mayor parte de él.

c) Al menos una cuarta parte de él. d) Una pequeña fracción de él. e) La décima parte de él.

5.- La banda de colores producida al pasar luz blanca a través de un prisma se llama:

a) Espectro visible. b) Arco iris.

c) Espectro electromagnético. d) Efecto fotoeléctrico. e) Espejismo.

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

a) Absorción. b) Interferencia. c) Difracción.

d) Convergencia. e) N.A.

7.- Todas las ondas electromagnéticas:

a) Son invisibles.

b) Pueden atravesar una pared. c) Son inofensivas.

d) Viajan a la misma velocidad. e) Todas son ciertas.

8.- De las siguientes, las ondas electromagnéticas que tie-nen mayores longitudes de onda y las más bajas fre-cuencias son:

a) Los rayos infrarrojos.

b) Ondas de radio. c) Fotones. d) Rayos x. e) N.A.

9.- ¿Qué color posee mayor longitud de onda?

a) Azul.

b) Violeta. c) Rojo. d) Verde. e) Amarillo.

10.- Al fenómeno en que la luz se le puede observar en distintos colores, se le llama ...

a) Refracción. b) Reflexión. c) Difracción. d) Dispersión.

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El radar

Sirve para detectar la presencia de objetos fijos y mó-viles situados a gran distancia; consta de un emisor-receptor que emite ondas electromagnéticas de baja o mediana frecuencia.

El control remoto

Rayos X

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. 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 den-sos), 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.