• • • • • • • • Existen diferentes sistemas de comunicaciones tales como : Radio AM Radio FM Televisión Telefonía Celular Radio Taxis Comunicaciones con Barcos en alta mar y Aviones en vuelo Comunicaciones “Via Satélite” Radioenlaces de “Internet “, etc., etc. Habitualmente se explica su funcionamiento por “ondas radioeléctricas” o simplemente “ Ondas de Radio “ Ondas Electromagnéticas las llamadas 2
• Es común que utilicemos en la cocina de nuestra casa un: Horno de “ Microondas” • Desde el Sol recibimos “luz visible”, pero además “rayos térmicos” y “ rayos químicos “ (enrojecimiento de nuestra piel). • También percibimos el calor de una “estufa de cuarzo” a cierta distancia. • ¿Quién no ha tenido que hacerse tomar una “radiografía” ? • Con seguridad hemos oído hablar de los tratamientos médicos con “radiaciones” y asimismo de las “peligrosas radiaciones nucleares”. Ondas Electromagnéticas 3
las • El propósito de esta presentación es mostrar como, todos los fenómenos y aplicaciones nombradas, aunque diferentes en apariencia, son manifestaciones de un único agente físico: “Ondas Electromagnéticas” ( “OEM” ) • El tratamiento matemático profundo de este tema, es muy elevado y está por encima del nivel teórico de este trabajo. • Solo se hará una necesaria referencia física mínima, que si bien es incompleta, solo pretende que aporte cierta claridad en algunos conceptos e ideas básicas. Ondas Electromagnéticas 4
Haga click sobre lo que desee ver: • OEM Completo (con introducción teórica e histórica). • OEM (sin introducción). • Espectro electromagnético. • Detalles y aplicaciones de cada tipo de OEM. • Relación frecuencia-longitud de onda – Tabla. • Ondas de Radio. • Microondas. • Rayos Infrarrojos. • Luz visible. • Rayos Ultravioletas. • Rayos X. • Rayos Gamma. Esc. para salir Ondas Electromagnéticas 5
• Los antiguos Griegos, alrededor de 500 años a.C, observaron que al frotar un trozo de “ambar” (elektron en griego), contra la piel de un animal, aquel adquiría la propiedad de atraer a pequeños cuerpos livianos. • Hacia el año 1560, Gilbert (1540-1603), comprobó que el fenómeno señalado, se producía siempre, luego de frotar diferentes materiales (vidrio, lacre, porcelana, etc.) • A esta propiedad se la llamó “electricidad por frotamiento” y lo que ocurría en el cuerpo frotado era que adquiría una “carga eléctrica”. • Franklin en 1747 comprobó que las cargas eléctricas eran de dos tipos y propuso nombrarlas en forma arbitraria, como “vítrea o positiva” y “resinosa o negativa”. Ondas Electromagnéticas 6
• Coulomb ( 1736-1806),observó que entre cargas de igual nombre aparecen fuerzas de rechazo, mientras que entre cargas diferentes, las fuerzas son de atracción, dependiendo la magnitud de las fuerzas no solo de los valores de las cargas, sino también de la distancia de separación entre las mismas. • En particular, alrededor de una carga eléctrica aparece una zona del espacio en la cual se manifiestan fuerzas eléctricas. Esta zona constituye un concepto sumamente importante que se conoce como: “Campo Eléctrico” ( E ) Ondas Electromagnéticas 7
• También a los Griegos, para la misma época citada, se les atribuye haber descubierto que, una roca natural proveniente del Asia menor (magnesia), tenía la propiedad de atraer fuertemente trozos de hierro. Hoy sabemos que los “imanes naturales” son un óxido de hierro al que llamamos ”magnetita”. Las propiedades “magnéticas” se pueden lograr actualmente con “imanes artificiales”. • Todos los imanes, ya sean naturales o artificiales, poseen dos polos que se nombran, en forma arbitraria, como “norte” y “sur”. Entre ellos también aparece la propiedad de fuerzas de atracción o repulsión, según se enfrenten polos distintos o iguales. Recordemos que nuestro planeta Tierra es un enorme imán natural, con sus dos polos Norte y Sur. • Se puede también, alrededor de un imán, definir una zona del espacio, donde se manifiestan fuerzas magnéticas, llamándola en este caso: “Campo Magnético” ( B ) Ondas Electromagnéticas 8
• Si un flujo de cargas eléctricas circula por un conductor, se tiene lo que se conoce como : “Corriente Eléctrica”. • Una corriente eléctrica produce en forma espontánea al circular, dos efectos físicos inseparables: “calor” y “campo magnético”. • Ampere, Biot y Savart, investigaron entre 1820 y 1830, las relaciones teóricas entre la corriente eléctrica que circula y el magnetismo producido. • Por otra parte Faraday entre 1830 y 1832 descubrió que, inversamente, un campo magnético variable, induce electricidad en un conductor. • Es necesario destacar con énfasis, que “la electricidad” y “el magnetismo” son dos agentes físicos absolutamente diferentes, aunque estén relacionados. Estas relaciones se hicieron mas íntimas, cuanto mas se extendieron las investigaciones. Ondas Electromagnéticas 9
• En 1864, James C. Maxwell (1831-1879), concibió teóricamente cuatro expresiones matemáticas que describían con sorprendente exactitud, todas las relaciones entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. • Las “Ecuaciones de Maxwell” demostraban que un campo eléctrico de intensidad variable o cambiante, podía producir un campo magnético también variable, que a su vez produciría un campo eléctrico cambiante y así sucesivamente. (Este proceso aparece así como “el huevo y la gallina”) • La solución de su planteo matemático, llevó a la siguiente noción: al producirse en un punto del espacio una perturbación eléctrica y magnética, se origina un campo electromagnético, que se irradia hacia afuera, en todas direcciones, en forma de una onda transversal. Había nacido así, en forma teórica, el concepto de: “Onda Electromagnética” (OEM) Ondas Electromagnéticas 10
• Otro hallazgo, dentro de la misma teoría, fue que se pudo calcular con gran exactitud, la velocidad de propagación de las todavía hipotéticas ondas electromagnéticas, basándose solamente en constantes naturales de los campos eléctrico y magnético, conocidos con anterioridad. • El valor numérico obtenido, era asombrosamente coincidente con la velocidad de propagación de la luz, que para ese entonces era bastante bien conocido. • En efecto la velocidad de la luz se había medido por diferentes métodos, desde Galileo (1600 ?), Roemer (1675), Bradley (1729), Fizeau (1849) y Foucault ( 1862). Todos obtuvieron valores algo diferentes, pero siempre alrededor de: Ondas Electromagnéticas c = 3 . 108 m/s ( 300 000 km/s ) 11
• El valor numérico para la velocidad de las OEM que preveía la teoría de Maxwell y la coincidencia con la velocidad de la luz obtenida en forma experimental, hizo sospechar que esto no era fruto de la casualidad. • En 1888, Heinrich R. Hertz (1857-1894), obtuvo por primera vez una OEM en forma experimental, mediante un ensayo eléctrico de laboratorio. Confirmó así la teoría de Maxwell, sobre la base firme de la observación rigurosa. (Maxwell había fallecido 9 años antes), • La OEM de Hertz no solo cumplía con todo lo previsto teóricamente por Maxwell, sino que también la velocidad de propagación experimental coincidía con el valor calculado. • Además la OEM, pudo ser reflejada y refractada y mostró también fenómenos de interferencia. Estos comportamientos eran similares al de la Luz Visible, aunque la OEM fuera producida en forma eléctrica. Ondas Electromagnéticas 12
Representación de una onda electromagnética, con los campos eléctrico (E) y magnético (H) asociados, avanzando a la velocidad de la luz. Ondas Electromagnéticas 13
• En 1895, (6 meses después de la muerte de Hertz), Guglielmo Marconi (1874 – 1937), utilizando la OEM de Hertz, transmitió una señal eléctrica entre dos puntos situados a varios metros de distancia, luego a 1 km y después a 14 km. • En 1897 la transmisión con una OEM, se efectuó desde tierra a un barco, alejado alrededor de 20 km (obtuvo la primera patente de “telegrafía sin hilos”). • Como dato ilustrativo señalamos que el 12 de diciembre de 1901 se consiguió hacer una comunicación desde Inglaterra hasta Terranova a través del Océano Atlántico. (“telegrafía sin hilos” o “radiotelegrafía”). • A partir de entonces las comunicaciones por OEM, “ondas hertzianas” o simplemente “ondas de radio”, son utilizadas en forma universal, para innumerables aplicaciones. Ondas Electromagnéticas 14
• Como se ha señalado, existen semejanzas entre los comportamientos físicos de las ondas de radio y la luz visible. • El hombre ha estudiado otros tipos de radiaciones y la conclusión es que, dejando de lado los diferentes comportamientos externos, que señalaremos, todas tienen la misma naturaleza esencial: son Ondas Electromagnéticas. • Se las clasifica para su estudio, en forma convencional , en siete clases, con los siguientes nombres: Ondas de Radio (OR) Microondas (MO) Rayos Infrarrojos (IR) Luz Visible (Luz) Rayos Ultravioletas (UV) Rayos X (RX) Rayos Gamma (R?) Ondas Electromagnéticas 15
• Los nombres tienen solo una justificación histórica. Las diferencias entre las distintas OEM, están en algunas propiedades que hacen a su origen, forma de generación y uso. • Todas las OEM tienen la misma velocidad de propagación, cuyo valor aproximado se señaló como de: 3 x 108 m/s = 300 000 km/s • Si en un fenómeno físico, una magnitud cualquiera, adopta valores sucesivos diferentes con el transcurso del tiempo y la variación completa se repite una y otra vez, en forma indefinida, se trata de un “fenomeno periódico” (fenómeno repetitivo). • La variación completa repetitiva se llama “ciclo” y su duracion se conoce como “periodo”. Ondas Electromagnéticas 16
• Se define como “frecuencia (f)” al número de ciclos que efectúa un fenómeno periódico en la unidad de tiempo . La unidad en que se mide la frecuencia es el Hertz (Hz) = 1 ciclo / 1 segundo. • La OEM es un fenómeno periódico eléctrico y magnético que se propaga con la velocidad “c” . Si en 1 segundo se produce un número de ciclos dado por la frecuencia (f), entonces cada ciclo ocupará una longitud expresada por : ? (m) = c (m/s) / f (c/s) • El valor de ? (lambda) se conoce como “longitud de onda”. • De otra forma : ? (m) * f (Hz) = 3 . 108 m/s • Señalamos que ? y f son magnitudes recíprocas, es decir que si una aumenta, la otra disminuye y viceversa ( ? = c / f ). Ondas Electromagnéticas 17
Tablas de conversión “frecuencias – longitudes de onda” frecuencias long.de onda frecuencias long.de onda frecuencias long.de onda Hz 3.1022 1022 3.1021 1021 3.1020 1020 3.1019 1019 3.1018 1018 3.1017 1017 3.1016 múltiplos 30 ZHz 10 ZHz 3 ZHz 1 ZHz 300 EHz 100 EHz 30 EHz 10 EHz 3 EHz 1 EHz 300 PHz 100 PHz 30 PHz m 10-14 10 -13 10 -12 10-11 10 -10 10 -9 10-8 submúl. 10 fm 30 fm 100 fm 300 fm 1 pm 3 pm 10 pm 30 pm 100 pm 300 pm 1 nm 3 nm 10 nm Hz 1016 3.1015 10 15 3.1014 1014 3.1013 1013 3.1012 1012 3.1011 1011 3.1010 1010 múltiplos 10 PHz 3 PHz 1 PHz 300 THz 100 THz 30 THz 10 Thz 3 THz 1 THz 300 GHz 100 GHz 30 GHz 10 GHz m 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 submúl. 30 nm 100 nm 300 nm 1 µm 3 µm 10 µm 30 µm 100 µm 300 µm 1 mm 3 mm 10 mm 30 mm Hz 3.109 109 3.103 108 3.107 107 3.106 106 3.105 105 3.104 104 3.103 múltiplos 3 GHz 1 GHz 300 MHz 100 MHz 30 MHz 10 MHz 3 MHz 1 MHz 300 kHz 100 kHz 30 kHz 10 kHz 3 kHz m 10-1 100 101 102 103 104 105 submúl. 100 mm 300 mm 1m 3m 10 m 30 m 100 m 300 m 1 km 3 km 10 km 30 km 100 km Ondas Electromagnéticas 18
•Todas las OEM tienen la misma naturaleza esencial. Solo se diferencian por el valor de la frecuencia f ó por la correspondiente longitud de onda ?. • Si sobre un eje se dibuja una escala logarítmica para representar las frecuencias, las OEM cubren 18 décadas, es decir 18 órdenes decimales de esa magnitud. • Consideramos 104 Hz la mas baja frecuencia y 1022 Hz la mas elevada. • En esas 18 décadas están todas las OEM actualmente conocidas y al conjunto se lo denomina: “Espectro de las Ondas Electromagnéticas” Ondas Electromagnéticas 19
104 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 20 Espectro de las Ondas Electromagnéticas 1022 1021 1020 1019 10 18 10 17 1016 1015 1014 1013 10 12 10 11 1010 109 108 107 106 105 Ondas Electromagnéticas Frecuencias Hz múltiplos 10 ZHz 3.10 1 ZHz 3.10 100 EHz 3.10 10 EHz 3.10 1 EHz 3.10 100 PHz 3.10 10 PHz 3.10 1 PHz 3.10 100 THz 3.10 10 THz 3.10 1 THz 3.10 100 GHz 3.10 10 GHz 3.10 1 GHz 3.10 100 MHz 3.10 10 MHz 3.10 1 MHz 3.10 100 kHz 3.10 10 kHz Formas y tipos de la radiación Rayos Gamma (?) Rayos X Rayos X (Rx) Rayos Ultravioletas (UV) Luz Visible Rayos Infrarrojos (IR) Microondas Ondas de Radio Longitudes de onda metro Submúltip. y Múltiplos. 30 fm 10 300 fm 10 3 pm 10 30 pm 10 300 pm 10 3 nm 10 30 nm 10 300 nm 10 3 µm 10 30 µm 10 300 µm 10 3 mm 10 30 mm 10 300 mm 10 3m 10 30 m 10 300 m 10 3 km 10 30 km Energías (eV) ˜ 108 ˜ 107 ˜ 106 = 1MeV ˜ 105 ˜ 104 ˜ 103 = 1 keV ˜ 102 ˜ 101 ˜ 100 = 1 eV ˜ 10-1 ˜ 10-2 ˜ 10-3 ˜ 10-4 ˜ 10-5 ˜ 10-6 ˜ 10-7 ˜ 10-8 ˜ 10-9 ˜ 10-10
f (Hertz) ? (m) 106 OR 3.102 109 3.10-1 MO 1012 3.10-4 IR 1015 UV 3.10-7 1018 RX 3.10-10 1021 R? 3.10-13 Espectro Electromagnético Para cada una de las siete clases de Ondas Electromagnéticas, se especificará: el intervalo de frecuencias o de longitudes de onda, la forma de generación y las principales aplicaciones. Los intervalos de cada grupo o clase se superponen en los extremos ya que solo difieren en la forma de generación u orígen. Ondas Electromagnéticas 21
Ondas Electromagnéticas 22
Valores numéricos aproximados en frecuencias y longitudes de onda para las distintas clases de Ondas Electromagnéticas Clase de OEM – Intervalo de frecuencias – Intervalo de longitudes de onda Ondas de Radio Microondas Rayos Infrarrojos Luz Visible 10 kHz —— 1 GHz 0,8 GHz —— 1 THz 0,3 THz —— 385 THz 385 THz —— 789 THz 30 km —— 300 mm 375 mm —— 0,3 mm 1 mm —— 800 nm 780 nm —— 380 nm Rayos Ultravioleta 750 THz —— 30 PHz 400 nm —— 100 nm Rayos X Rayos Gamma Ondas Electromagnéticas 20 PHz —— 30 EHz > 30 EHz —— ? 90 nm ——10 pm < 10 pm —— ? 23
f (Hertz) ? (m) 106 3.102 109 3.10-1 1012 3.10-4 1015 3.10-7 1018 3.10-10 1021 3.10-13 Ondas de Radio u Ondas Radioeléctricas (OR) • Se destacan los usos principales, ya que las extensas necesidades actuales de comunicaciones, hacen que el espectro radioeléctrico esté totalmente cubierto. • f < 500 kHz – ondas largas – comunicaciones a distancias cortas (puertos, aeropuertos). • 550 a 1600 kHz – ondas medias – Emisoras de Radio AM comerciales. • 3 a 50 MHz – ondas cortas – comunicaciones a largas distancias (intercontinentales). • 50 a 85 MHz – VHF – canales bajos de TV ( 2 al 6 ). • 87 a 107 MHz – VHF – Emisoras de Radio FM comerciales. • 110 a 170 MHz – VHF – Servicios varios (aviones, radiotaxis, ambulancias, etc). • 175 a 300 MHZ – VHF – canales altos de TV ( 7 al 13 ) y servicios varios. • 300 MHz a 1 GHz – UHF – comunicaciones por ultra alta frecuencia – servicios varios. • Las OEM para comunicaciones, son generadas exclusivamente por métodos electrónicos. Ondas Electromagnéticas 24
f (Hertz) ? (m) 106 3.102 109 3.10-1 1012 3.10-4 1015 3.10-7 1018 3.10-10 1021 3.10-13 Microondas (MO) • La generación de las “MO” también es por sistemas electrónicos y sus usos principales, al igual que las “OR”, son en los servicios de comunicaciones. • Se emplean en general para comunicaciones seguras de punto a punto. • Se canalizan por microondas todas las comunicaciones “vía satélite”. • Gran parte de la “telefonía celular”, también emplea microondas. • Asimismo los “RADARES”, tanto los terrestres, como los aéreos y los meteorológicos, funcionan en frecuencias de “microondas”. • Los hornos domésticos de “microondas” trabajan con frecuencias del orden de 2,5 Ghz . Ondas Electromagnéticas 25
f (Hertz) ? (m) 106 3.102 109 3.10-1 1012 3.10-4 1015 3.10-7 1018 3.10-10 1021 3.10-13 Rayos Infrarrojos (IR) • Todos los cuerpos, sin ninguna excepción, irradian “calor” en forma de Rayos Infrarrojos. • El Sol nos envía “calor” mediante este tipo de OEM, que viaja a través del espacio vacío, atraviesa las nubes y el efecto se percibe aunque sea un día nublado. • La energía irradiada es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo emisor. • El hecho de que esta OEM sea irradiada espontáneamente por un cuerpo caliente, permitió realizar los sistemas de “visión nocturna”. • Otra aplicación interesante, es el tan familiar “control remoto” con que operamos algunos electrodomésticos. Una sucesión de pulsos de “rayos infrarrojos codificados” son enviados cuando accionamos una tecla. • Una estufa de “IR”, simplemente eleva la temperatura del elemento de cuarzo, en forma eléctrica y la radiación resultante nos produce la sensación térmica deseada. Ondas Electromagnéticas 26
f (Hertz) ? (m) 106 3.102 109 3.10-1 1012 3.10-4 1015 3.10-7 1018 3.10-10 1021 3.10-13 Luz Visible (Luz) • La sumamente angosta porción del espectro EM correspondiente a la “Luz Visible, es el conjunto de OEM que produce la sensación de “visión” en nuestro cerebro a traves de los ojos. (en el diagrama, los límites para cada color son netos, pero en la realidad son bastante “difusos”) 385 THz frecuencias 789 THz 3,85 .10 14 Hz 7,89 . 1014 Hz Rayos Infrarrojos Espectro de la Luz Visible Rayos Ultravioletas Rojo NaranjaA Verde Azul Violeta 780 nm 595 nm 650 nm 580 nm 490 nm 435 nm 380 nm Ondas ? Longitudes de Onda en nm (10 -9 m ) 27 Electromagnéticas
Espectro visible dentro del espectro electromagnético total. Ondas Electromagnéticas 28
Descomposición de la luz solar (blanca) en los seis colores del espectro visible, mediante un prisma de vidrio. Ondas Electromagnéticas 29
f (Hertz) ? (m) 106 3.102 109 3.10-1 1012 3.10-4 1015 3.10-7 1018 3.10-10 1021 3.10-13 Rayos Ultravioleta (UV) • Los “UV”, juntos con los “IR” y la “Luz visible”, provienen del Sol, aunque el hombre ha creado algunas lámparas eléctricas que los generan. • Una clasificación usual divide a los rayos UV en tres bandas: los “UV-A” (380 – 315 nm), utilizados en desinsectación. los “UV-B” (315 – 280 nm), empleados en cosmética ( bronceado de piel, dermatología) y los “UV-C” (280 -. 100 nm), fuertes germicidas (desinfección en gral.). • En dosis adecuadas, los “UV” son capaces de destruir microorganismos causantes de enfermedades, incluyendo bacterias y virus encontrados en aguas servidas. • Actualmente se estima que la energía irradiada por las OEM “UV”, es la base de la vida y de la reproducción, (pensemos en la “fotosíntesis”, causada por la radiación solar). • Son también UV algunos rayos empleados en procesos de fotocopias y reprografía en general. Ondas Electromagnéticas 30
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f (Hertz) ? (m) 106 3.102 109 3.10-1 1012 3.10-4 1015 3.10-7 1018 3.10-10 1021 3.10-13 Rayos X (Rx) • En el año 1895 W. C. Roentgen (1845-1923), realizando experimentos físicos con tubos de rayos catódicos (electrones materiales), descubrió algunas luminiscencias que se desprendían de sus ensayos y rayos desconocidos que velaban placas fotográficas protegidas. • La radiación, que por no ser comprendida la llamó “rayos x”, demostró tener bastante poder de penetración en algunos materiales. En efecto, atravesaban con facilidad nuestros tejidos musculares blandos y en oposición se presentaban como opacos los tejidos óseos. • Esto fue prontamente utilizado por la medicina y la técnica de “radiografías” se hizo de uso universal. La penetración depende entre otras cosas de la frecuencia de los “Rx”. • Aunque hoy sabemos que los “rayos x” son en realidad una clase de OEM, el nombre original se sigue empleando. • Modernamente los “Rx” son usados no solo en radiografías, sino en técnicas mucho mas avanzadas como son la “tomografía computada” y en general en “diagnóstico por imágenes”. Ondas Electromagnéticas 32
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f (Hertz) ? (m) 106 3.102 109 3.10-1 1012 3.10-4 1015 3.10-7 1018 3.10-10 1021 3.10-13 Rayos Gamma (R?) • Alguno s elementos químicos naturales tales como el uranio, el torio y el radio, tienen la propiedad de emitir en forma espontánea y permanente tres tipos de radiaciones que se conocen como rayos a (alfa), rayos ß (beta) y rayos ? (gamma). Esto constituye lo que se conoce como “radiactividad natural”. El hombre ha creado también “materiales radiactivos artificiales”. • Los dos primeros, a y ß, son partículas materiales subatómicas, pero los “rayos ?” son en realidad OEM de frecuencias muy elevadas (mayores que 3. 10 19 Hz y sin límite superior conocido). • Tienen en general un gran poder de penetración (3 m de agua, 2 m de hormigón, 300 mm de hierro, etc). Esto los hace útiles como “trazadores”. En efecto, si un elemento radiactivo, se incorpora a un proceso ( desde una simple cañería industrial hasta un organismo humano, animal o vegetal), los R? pueden ser detectados desde el exterior de aquel y así “trazar” el recorrido del mismo . • También los R? son útiles en “gammagrafía industrial”, para comprobar el interior de piezas mecánicas críticas (ejes de máquinas) ó soldaduras en cañerías (gasoductos). Ondas Electromagnéticas 34
Cañería oculta (idea básica del trazador radiactivo) obstrucción Detector de Radiación Modelos Atómicos 35
• Cabe mencionar especialmente, la utilización de los “Radiotelescopios”, los que mediante la recepción de “ondas de radio” y “microondas”, permiten “observar” (en forma NO óptica), galaxias y estrellas que emiten OEM. • Desde 1930, en que se hicieron los primeros descubrimientos de las “radioestrellas” y en especial a partir de 1945, la “Radioastronomía” ya es una ciencia que complementa y agrega capacidad a la Astronomía óptica. Ondas Electromagnéticas 36