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¿Qué es la radiación electromagnética? – Longitud de onda, espectro y energía

Publicado el 7 septiembre, 2020

Introducción a la radiación EM

Era sábado y estaba preparando mi segunda taza de café por la mañana. Metí la taza de café en el microondas durante unos 30 segundos solo para calentarla. A continuación, agarré el control remoto y encendí la televisión para ver las noticias por cable de la mañana; no pasaba mucho. A menudo voy al supermercado los sábados por la mañana, así que me vestí, me subí al auto y comencé a conducir. Mi estación de FM favorita tenía un programa de entrevistas aburrido, así que cambié a una estación de música por satélite. Entonces el GPS portátil empezó a sonarme; Supongo que lo dejé puesto en un viaje anterior.

El sol brillaba, pero vi nubes de tormenta en la distancia e incluso un relámpago. Reduje un poco la velocidad cuando vi a un policía aparcado junto a la carretera apuntando con su pistola de velocidad. Más adelante en el camino, mis pensamientos comenzaron a divagar hacia una semana antes, cuando había estado en el médico. Mi corazón estaba haciendo un tic inusual, así que quería que fuera a radiología para que me tomaran algunas ‘fotografías’. Al final resultó que, todo estaba bien. Volví a la realidad de golpe con el timbre de mi teléfono celular. Era mi esposa, así que me detuve a un lado de la carretera y tuve una breve conversación. Ah … compra algunas pilas AA adicionales en la tienda para su mouse inalámbrico. Y así pasa el día …

Este podría haber sido un sábado típico para muchos de ustedes. Vivimos en un mundo en el que nos beneficiamos tanto de los fenómenos naturales como de las tecnologías creadas por el hombre que tienen una cosa en común: la radiación electromagnética (EM) . En mi historia del sábado por la mañana, había al menos una docena de ejemplos de radiación EM. Definamos EM y luego analicemos mi historia.

Definición de radiación EM

La radiación electromagnética (EM) es el movimiento de energía, a través del espacio o un medio, compuesto por ondas eléctricas y magnéticas. Estas ondas oscilan a frecuencias que pueden variar desde unos pocos ciclos por segundo (hercios) hasta más de 10 ^ 20 hercios. Las ondas eléctricas y magnéticas tienen oscilaciones que están orientadas a 90 grados entre sí y a 90 grados desde la dirección de viaje de la onda. Aquí hay una imagen que se usa comúnmente para visualizar la radiación EM:


Onda electromagnética en el espacio
Diagrama de ondas EM

La longitud de onda se define como la diferencia física, medida en metros, entre dos picos de onda sucesivos positivos (o negativos). La onda viaja a través del espacio libre a la velocidad de la luz, por lo que la longitud de onda está relacionada con la frecuencia mediante la siguiente ecuación:

Ecuación de longitud de onda

Como ejemplo, suponga que está conduciendo un camión por la carretera y charlando en una radio CB, canal 19, a una frecuencia de 27,185 MHz. ¿Aproximadamente qué longitud de onda son sus señales?

Solución de ejemplo de longitud de onda

He aquí otro ejemplo. Suponga que un enlace de comunicaciones por satélite para el control de drones comerciales está diseñado para una longitud de onda de 37,5 mm. ¿Cuál es la frecuencia operativa?

Solución de ejemplo de frecuencia

Regresar al primer ejemplo

Volvamos a mis aventuras el sábado por la mañana. Si tiene buena memoria, probablemente debería recordar que hice referencia a varios ejemplos de radiación EM. Aquí hay una tabla de las cosas que describí en orden creciente de sus frecuencias típicas (orden decreciente de longitud de onda):


Ejemplos de radiación EM
Tabla de ejemplo EM

Por cierto, si desea ‘sintonizar’ la onda de radio que crean los rayos, coloque una radio AM en un lugar del dial que esté entre las estaciones de radio comerciales y suba el volumen. Ahora busque el rayo. Exactamente en el mismo momento en que vea el rayo, escuchará un ‘grito’ de estática en la radio. Lo que estás escuchando es un múltiplo o armónico de la señal EM del rayo. Esto no debe confundirse con el trueno, que es una onda sonora, mucho más lenta, y se considera una onda mecánica. ¡La radiación EM del rayo viajó a su radio a la velocidad de la luz!

Espectro electromagnético

En mi aventura del sábado, describí la radiación EM tanto natural como artificial que abarcaba todo el rango de frecuencias, desde tan solo 3 Hz (el rayo) hasta tan alto como 30 mil millones de billones de Hz (rayos X). Este rango continuo de frecuencias (o longitudes de onda) se llama espectro electromagnético . El siguiente diagrama le ofrece una instantánea de este espectro, incluidas sus longitudes de onda y frecuencias.


El espectro electromagnético
Diagrama de espectro EM

Radiación y energía EM

La combinación de ondas eléctricas y magnéticas que operan en armonía en una onda EM contienen energía. En los primeros días de la radio AM, los oyentes solían comprar o construir ‘sets de cristal’. Aquí hay una imagen de un conjunto temprano típico menos los auriculares (que estaban conectados a los postes visibles en el frente) y la antena (generalmente un cable muy largo tendido afuera):


Radio de cristal – principios del siglo XX
Radio de cristal

Una radio de cristal era un asunto simple, que consistía en una antena, una bobina, un condensador, auriculares y un cristal de galena, germanio u otro material semiconductor.

¡La belleza de los conjuntos de cristal era que funcionaban sin ningún poder propio! Toda la potencia necesaria para crear una señal de audio en los auriculares (para que pueda escuchar la estación de radio) se deriva únicamente de la energía de la señal EM entrante. Una vez que la señal de transmisión AM golpeó la antena, la energía EM se convirtió en energía eléctrica pura, y la energía eléctrica se sintonizó y se convirtió en sonido.

Para pensar en la energía de las ondas electromagnéticas, imagine atar una cuerda a un árbol u otro objeto. Ahora comienza a mover el extremo de la cuerda hacia arriba y hacia abajo hasta que crees una ola. Cuanto más rápido vaya, más rápido oscilará la onda.

Las oscilaciones más rápidas requieren más energía para crear que las más lentas. Así es exactamente con la radiación EM. La energía de la onda depende solo de la frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la energía. Hay una ecuación muy simple para esto:

Ecuación energética

Puede resultar un poco desconcertante pensar que la energía no depende de la altura (amplitud) de la ola. Eso es porque con la radiación EM, ahora estamos trabajando con fotones en lugar de energía mecánica clásica (ondas sonoras) o voltajes y corrientes alternas en un circuito. La energía calculada aquí es la energía de un solo fotón. Por lo general, la onda consiste en un conjunto de fotones, todos oscilando con la misma energía, y ahí es donde obtenemos la fuerza del campo.

Como ejemplo, suponga que una onda EM se propaga a través de la atmósfera con una longitud de onda de 125 mm. ¿Qué es la energía de los fotones?

Solución de ejemplo de energía

Resumen de la lección

La radiación electromagnética (EM) se produce tanto de forma natural (p. Ej., Luz solar) como de fuentes artificiales (p. Ej., Dispositivos inalámbricos). Se define como el movimiento de energía a través del espacio o un medio, que comprende tanto una onda eléctrica como una magnética que oscilan en ángulo recto entre sí y con la dirección del viaje de la onda. Cada onda EM tiene frecuencia y longitud de onda , esta última se define como la distancia entre picos de onda positivos o negativos en las ondas eléctricas o magnéticas. La longitud de onda se calcula fácilmente como la velocidad de la luz dividida por la frecuencia, como en esta ecuación proporcionada aquí:

Ecuación de longitud de onda

El espectro electromagnético es el continuo de frecuencias (o longitudes de onda) desde el extremo inferior de unos pocos hercios (ciclos por segundo) hasta más de 10 ^ 20 hercios. Los rayos, la luz solar y los rayos gamma son ejemplos de radiación EM que se producen de forma natural. Las señales de radio, los hornos microondas, los teléfonos móviles, los rayos X y las comunicaciones por satélite son solo algunos ejemplos de radiación electromagnética provocada por el hombre.

Todas las ondas EM contienen energía, que se mide en términos de un solo fotón. La energía (en julios) se calcula como la constante de Planck multiplicada por la frecuencia, o el producto de la constante de Planck y la velocidad de la luz dividida por la longitud de onda, como en esta ecuación proporcionada aquí:

Ecuación energética

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