ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
EL Espectro Electromagntico
SignificadoEl concepto del espectro fue desarrollado para
categorizar los diferentes tipos de radiacin electromagntica que
existen. La radiacin electromagntica se clasifica en trminos de
longitud de onda y frecuencia.Las ondas electromagnticas se
utilizan para facilitar muchas cosas tiles para la vida cotidiana.
Una parte del espectro electromagntico es microondas. Las
microondas varan en longitud de onda de un micrmetro a un milmetro.
El uso moderno ms comn y omnipresente de las microondas son las
comunicaciones celulares. Las microondas no son visibles. La nica
diferencia fsica entre las microondas y la luz visible es su
longitud de onda y frecuencia. Ambas son ondas electromagnticas as
que, en ese sentido, son fsicamente idnticas.
Por qu la luz es parte del espectro electromagntico?
A Tener en CuentaLa luz visible representa una parte muy pequea
de todo el espectro electromagntico e incluye longitudes de onda
que oscilan entre 100 y 700 nanmetros. Los colores representados
por ese rango comienzan con violeta y terminan con el rojo. Un arco
iris es una representacin perfecta de la parte visible del espectro
electromagntico.
Luz Blanca
Luz blancaLa luz blanca no es realmente blanca. Es una mezcla de
todos los colores de la parte visible del espectro electromagntico.
Si se pasa la luz blanca a travs de un prisma de cristal, los
colores visibles individuales que lo componen se separan y se ve un
pequeo arco iris, como en esta imagen.
Luz Blanca
IdentificacinCuando la gente dice "luz" por lo general hacen
referencia a la luz visible, que vara en longitud de onda entre 100
y 700 nanmetros. Esa es la razn por la que la luz es parte del
espectro electromagntico. Los seres humanos tienen clulas en la
retina que son sensibles a la exactitud de esta gama de longitudes
de onda, y es por eso que se conoce como la parte visible del
espectro electromagntico
Para las ondas electromagnticas:ln= longitud de onda=
frecuenciac = velocidad de la luz
ESPECTRO ELECTROMAGNETICOConjunto de ondas electromagnticas que
se propagan de manera ondulatorias y con velocidad constante, que
es la de la luz, aproximadamente de 300.000 km/s. Las ondas
electromagnticas se dividen en luz visible, infrarroja,
ultravioleta, rayos X, rayos gama, radiofrecuencia y microondas.
Cada onda se diferencia en la frecuencia (nmero de vibraciones en
la unidad de tiempo) y la longitud (distancia entre dos ondas
sucesivas). Frecuencia y longitud de onda son inversamente
proporcionales, por esto su producto siempre es constante e igual a
la velocidad de la luz.Cada funcin de onda lleva asociada
unaenerga, por lo tanto a mayor frecuencia mayor es la energa
transportada
RADIACIN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNTICAS (I)
Por qu la luz es parte del espectro electromagntico?El espectro
electromagntico representa el rango de cada posible frecuencia de
radiacin electromagntica. Incluye longitudes de onda de varios
miles de kilmetros de largo a otros ms pequeos que el tamao de un
tomo individual. La longitud de onda ms larga posible sera
equivalente a la duracin de todo el universo.
Caractersticas del espectro electromagnticoLa energa
electromagntica es la radiacin emitida desde una fuente particular,
como el sol. Esta energa se emite en forma de ondas que viajan a la
velocidad de la luz. Cada onda tiene un nivel de energa y longitud
de onda diferente, y estos diversos tipos de ondas comprenden el
espectro electromagntico. Los tipos de ondas pueden ser organizados
de menor energa y longitud de onda ms larga, a energa ms alta y
longitud de onda ms corta.
RADIACIN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNTICASLa oscilacin o la
aceleracin de una carga elctrica cualquiera genera un fenmeno fsico
integrado por componentes elctricos y magnticos, conocido como
espectro de radiacin de ondas electromagnticas.Ese espectro se
puede ordenar a partir de ondas que poseen frecuencias muy bajas de
pocos hertz (Hz) o ciclos por segundo con longitudes muy largas,
como las de la frecuencia de la corriente alterna que empleamos en
nuestras casas, hasta llegar a ondas de frecuencias muy altas, de
miles de millones de hertz o ciclos por segundo con longitudes
extremadamente cortas, como las que poseen las radiaciones
csmicas.La nica diferencia existente entre un grupo de ondas y
otras dentro del espectro electromagntico es su frecuencia en hertz
(Hz), su longitud en metros (m) y el nivel de energa que transmiten
en joule (J).
Caractersticas principales de las ondas electromagnticasLas tres
caractersticas principales de las ondas que constituyen el espectro
electromagntico son:Frecuencia ( f )Longitud (lambda)Amplitud ( A )
FrecuenciaLa frecuencia de una onda responde a un fenmeno fsico que
se repite cclicamente un nmero determinado de veces durante un
segundo de tiempo, tal como se puede observar en la siguiente
ilustracin
Caractersticas principales de las ondas electromagnticas
A.- Onda senoidal de un ciclo o hertz (Hz) por segundo. B.- Onda
senoidal de 10 ciclos o hertz por. Segundo
La frecuencia de esas ondas del espectro electromagntico se
representan con la letra ( f ) y su unidad de medida es el ciclo o
hertz (Hz) por segundo.
Ondas de radioLas ondas de radio son entre 10.000 kilmetros y
menos de un metro de longitud. Los seres humanos crean ondas de
radio mediante el uso de antenas que manipulan electrones. La
ionosfera de la Tierra (parte de la atmsfera) refleja las ondas de
radio de vuelta a la tierra, lo que permite seales de radio
artificiales para ser recibidas a distancias muy largas.
MicroondasLas microondas son de entre 30 centmetros a 1 milmetro
de longitud. Las microondas son ideales para su uso en la
comunicacin porque no hay objetos naturales conocidos que emitan
este tipo de energa. La comunicacin del telfono celular usa
microondas. Tambin la usan los astrnomos para aprender acerca de la
estructura de la galaxia. Cuando se usan para cocinar, las molculas
de agua en el alimento son excitadas por la radiacin.
InfrarrojoEstas ondas son de hasta unos pocos micrmetros de
largo, y tambin se conocen como calor radiante. La radiacin
infrarroja es el resultado del movimiento trmico de las molculas.
Algunas gafas de visin nocturna y equipo de visionado estn diseadas
para detectar este espectro. Dado que el cuerpo humano produce
calor, este equipo puede detectar seres humanos en oscuras
condiciones.
Luz visibleLas ondas de luz visible miden aproximadamente 0,35
micrmetros a 0,9 micrmetros. Se incluyen todos los colores que el
ojo humano es capaz de ver. Muchos objetos emiten luz visible,
tales como estrellas, bombillas y fogatas.
UltravioletaLas estrellas son una poderosa fuente de radiacin
UV. La capa de ozono protege a los humanos de la mayora de los
rayos UV del sol. Los rayos restantes que no se bloquean pueden
causar quemaduras de sol. La radiacin UV puede matar bacterias y
virus, y se utiliza para la esterilizacin de productos sensibles y
las zonas.
Rayos XLos rayos X tienen poder incluso superior a los rayos UV,
y causan graves daos biolgicos a dosis altas. Las explosiones de
estrellas y agujeros negros emiten rayos-X. Los rayos X controlados
por mquinas se utilizan para las estructuras de la imagen en el
cuerpo humano para fines mdicos. Los rayos X del Sol son bloqueados
por la atmsfera, protegiendo la vida de sus efectos nocivos.
Rayos gammaLa mayora de las ondas energticas del espectro
electromagntico son los rayos gamma. Los cientficos han detectado
radiacin gamma de las explosiones estelares. Alguna desintegracin
radiactiva de elementos de la Tierra produce rayos gamma, y son
creados artificialmente por aceleradores de partculas. Los mdicos
tambin pueden usar dosis limitadas de esta radiacin para destruir
clulas cancerosas.
Espectro Electromagntico
Qu es el espectro radioelctrico?
El espectro radioelctrico es un concepto fundamental en materia
de telecomunicaciones, que se encuentra asociado a las
comunicaciones inalmbricas y puede ser entendido como el medio en
el que se propagan las ondas electromagnticas que son empleadas en
dicho tipo de comunicaciones para transmitir informacin (datos,
imgenes, voz, sonido, etc.). Lo primero que debe sealarse en
relacin con el espectro radioelctrico es que se trata de un bien
intangible, por lo que su descripcin resulta un tanto compleja; sin
embargo, para tener mayor claridad de lo que implica el concepto,
es necesario entender previamente algunos trminos relacionados:
La Radiacin Electromagntica.Es un fenmeno producido por la
combinacin de campos elctricos y magnticos oscilantes y que se
propaga a travs del espacio en todas direcciones, en forma de ondas
electromagnticas, llevando energa de un lugar a otro.
Campos Electromagnticos
Las Ondas ElectromagnticasSon las ondas que se generan por el
proceso de radiacin electromagntica, descrito anteriormente, y que
se encargan de llevar energa de un lugar a otro. A diferencia de
otro tipo de ondas, las electromagnticas se propagan por el espacio
sin necesidad de una gua artificial, como podran ser cables, hilos,
fibra, por lo que pueden propagarse en el vaco o espacio.
Campos Electromagnticos
Las Ondas ElectromagnticasEstas se caracterizan por dos
variables: 1) frecuencia de sus oscilaciones; y 2) longitud de las
mismas. A su vez, la frecuencia se refiere al nmero de oscilaciones
que ocurren en un periodo de tiempo determinado y la unidad de
medida de esa frecuencia es el Hertzio (Hz), que equivale a la
cantidad de ciclos u oscilaciones que tiene una onda
electromagntica durante un segundo, expresndose las frecuencias
en:
El espectro electromagntico y el espectro radioelctricoAhora
bien, no todas las ondas electromagnticas son propicias para usarse
como medios de transmisin de los servicios de telecomunicaciones y
radiodifusin, de forma que slo las que se encuentran en determinado
rango sern susceptibles de ser empleadas para la prestacin de este
tipo de servicios.
En ese orden de ideas, es en el espectro radioelctrico el mbito
en el que se desarrollan una buena parte de los servicios de
telecomunicaciones, el cual a su vez, est contenido en el espectro
electromagntico
El espectro electromagntico y el espectro radioelctrico
Dicho de otra forma,el espectro radioelctrico es una porcin del
espectro electromagntico y es precisamente en esa porcin en donde
operan las emisoras de radio (AM y FM), las de televisin abierta
(por aire) y microondas, de telefona celular, los sistemas
satelitales, los radioaficionados, las comunicaciones va Internet,
los radiomensajes, las comunicaciones de aeronaves, buques,
transporte terrestre, entre otros servicios de
telecomunicaciones
El espectro electromagntico y el espectro radioelctricoLas ondas
electromagnticas no ocupan un lugar (ya que son intangibles e
inmateriales). Pero si no se les canaliza adecuadamente, si no se
ordena su trfico, es posible (en sentido figurado) que choquen
entre s, superponindose y generando interferencias que afecten la
calidad de las emisiones. Por este motivo el espectro radioelctrico
ha sido dividido en franjas (bandas de frecuencia), las que a su
vez se subdividen en frecuencias o carriles adjudicados para uso de
un determinado del proveedor de servicio.
Ecuaciones de MaxwellEstas describen los fenmenos
electromagnticos. Reciben su nombre de James Clerk Maxwell quin
recopil la ley de Gauss para electricidad, la ley de Gauss para
magnetismo, la ley de Faraday y la ley de Ampre. La gran
contribucin de Maxwell fue reunir en estas ecuaciones largos aos de
resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampre, Faraday
y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de
desplazamiento, y unificando los campos elctricos y magnticos en un
solo concepto: el campo electromagntico. De las ecuaciones de
Maxwell se desprende la existencia de ondas electromagnticas
propagndose con velocidad c:
Ecuaciones de Maxwell
(ley de Gauss para electricidad)(ley de Gauss para
magnetismo)(ley de induccin de Faraday)(ley de Ampre)
Ecuaciones de MaxwellLa primera describe cmo es el campo
elctrico debido a cargas en reposo; (Ley de Gauss, explica la
relacin entre el flujo del campo elctrico y una superficie
cerrada).La ley dice que el flujo elctrico a travs de una
superficie cerrada es proporcional a la densidad carga que hay en
el interior de la superficie. Esta ley puede interpretarse, en
electrosttica, entendiendo el flujo como una medida del nmero de
lneas de campo que atraviesan la superficie en cuestin
LEY DE GAUSS PARA CAMPOS ELCTRICOS En otras palabras establece
que el flujo del campo elctrico E que atraviesa una superficie
cerrada S (por ejemplo una esfera), es proporcional a la carga
elctrica Q que hay en el interior del volumen V encerrado por la
superficie. Toda carga elctrica viene con su propio campo elctrico
E. Por convencin, el campo E se representa como vectores que salen
de la carga positiva en todas direcciones, y van hacia ella si es
negativa
Ecuaciones de MaxwellLa segunda traduce en forma matemtica la
imposibilidad de separar los polos magnticos de un imn; (Ley de
Gauss para el campo magntico, es equivalente a afirmar que el
monopolo magntico no existe. ).Esta ley primordialmente indica que
las lneas de los campos magnticos deben ser cerradas. Los campos
magnticos, a diferencia de los elctricos, no comienzan y terminan
en cargas diferentes, esto expresa la no existencia del monopolo
magntico (un imn con un solo polo magntico).
LEY DE GAUSS PARA CAMPOS MAGNTICOS Se establece que el flujo del
campo magntico H que sale de una superficie cerrada S (por ej. una
esfera) es igual al flujo que entra, por tanto, la carga magntica
que hay en el interior de dicha superficie es nula, es decir que no
existen cargas magnticas. Los campos magnticos H, a diferencia de
los elctricos, no comienzan ni terminan en cargas diferentes. Las
lneas de los campos H son cerradas y pasan por dos puntos
diametralmente opuestos, los polos norte y sur. No existen
monopolos magnticos, slo dipolos. Ley de Gauss para campos
magnticos los polos magnticos no puede aislarse; existen en pares.
En un imn, las lneas de los campos H rodean al imn y salen del polo
norte y entran por el sur.
LEY DE AMPERE - MAXWELLLa tercera expresa en trminos de campos
magnticos y corrientes elctricas el descubrimiento de Oersted (Ley
de Ampre generalizada).En el caso especfico estacionario esta
relacin se corresponde a la ley de Ampre (xH = J). Para campos no
estacionarios (los que varan a travs del tiempo), Maxwel reformul
esta ley aadindole el ltimo trmino, confirmando que un campo
elctrico que vara con el tiempo produce un campo magntico.
LEY DE AMPERE - MAXWELLUn campo magntico H circular puede ser
generado de 2 maneras: Por la corriente elctrica IC (corriente de
conduccin) que fluye por un alambre conductor, segn lo establece la
ley de Ampere original. La direccin del campo H se determina por la
regla de la mano derecha, y la direccin en cada punto es la
tangente a la lneaPor la variacin temporal del campo E, segn se
establece con la Correccin de Maxwell. Utiliz un capacitor para
mostrar que un campo E variable en el tiempo genera un campo H
circular a su alrededor, tambin variable en el tiempo. Esta
variacin se la conoce como corriente de desplazamiento. Es una ley
sobre induccin elctrica
LEY DE FARADAYLa cuarta ley establece que el voltaje inducido en
un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con
que cambia en el tiempo el flujo magntico que atraviesa una
superficie cualquiera con el circuito como borde. Adems demuestra
que un voltaje puede ser generado variando el flujo magntico que
atraviesa una superficie dada, esto es la base del funcionamiento
de los motores elctricos y los generadores elctricos.
LEY DE FARADAYLa variacin de un campo magntico H induce una
fuerza elctrica que mueve cargas en un circuito cerrado, es decir
induce un campo elctrico E. Este campo no es un campo electrosttico
causado por cargas elctricas, no va de las cargas positivas a las
negativas. Se trata de un campo E que tiene lneas de campo cerradas
alrededor del campo H. El sentido de la corriente inducida compensa
la variacin del flujo magntico. Ley de Faraday dice que un cambio
en el campo magntico induce un campo elctrico. Es una ley sobre
induccin magntica
La longitud de una onda
La longitud de una ondaEs el perodo espacial o la distancia que
hay de pulso a pulso. Normalmente se consideran 2 puntos
consecutivos que poseen la misma fase: 2 mximos, 2 mnimos, 2 cruces
por cero. Por ejemplo, la distancia recorrida por la luz azul (que
viaja a 299.792.458 m/s) durante el tiempo transcurrido entre 2
mximos consecutivos de su campo elctrico o magntico, es la longitud
de onda de esa luz azul. La luz roja viaja a la misma velocidad,
pero su campo elctrico aumenta y disminuye ms lentamente que el de
la luz azul. Por tanto, la luz roja tendr una frecuencia menor, lo
que hace que su longitud de onda (distancia entre puntos anlogos de
la onda) sea mayor.
La longitud de una ondaPor eso la longitud de onda de la luz
roja es mayor que la longitud de onda de la luz azul. Hay
diferentes tipos de ondas como las ondas transversales y la ondas
longitudinales. Las ondas transversales son aquellas en las que las
partculas del medio vibran perpendicularmente a la direccin de
propagacin de la onda. Las ondas longitudinales las podemos
observar con mayor y mejor facilidad en un resorte, pues cuando ste
se deforma y es liberado, se produce una vibracin y las partculas
del medio se mueven en la misma direccin de propagacin (resorte).La
letra griega (lambda) se utiliza para representar la longitud de
onda en ecuaciones
Relacin con la frecuenciaSi la velocidad de propagacin es
constante, la longitud de onda es inversamente proporcional a la
frecuencia f. Una longitud de onda ms larga corresponde a una
frecuencia ms baja, mientras que una longitud de onda ms corta
corresponde a una frecuencia ms alta:donde es la longitud de onda,
v es su velocidad de propagacin, y f es la frecuencia. Para la luz
y otras ondas electromagnticas que viajan en el vaco, la velocidad
v vale 299.792.458 m/s y es la velocidad de la luz c, constante.
Para las ondas de sonido que se desplazan por el aire, v es
aproximadamente 343 m/s y depende de las condiciones
ambientales.Por ejemplo, la luz roja, de frecuencia aproximada 440
THz, tiene ondas de unos 682 nm de longitud:
Ondas Electromagnticas
Guas de OndasLa gua de onda es un medio de comunicacin muy
usado, el cual opera en el rango de las frecuencias comnmente
llamadas como microondas (en el orden de GHz). Su construccin es de
material metlico por lo que no se puede decir que sea un cable. El
ancho de banda es extremadamente grande y es usada principalmente
cuando se requiere bajas perdidas en la seal bajo condiciones de
muy alta potencia como el caso desde una antena de microondas al
receptor/transmisor de radio frecuencia.Las aplicaciones tpicas de
este medio es en las centrales telefnicas para bajar/subir seales
provenientes de antenas de satlite o estaciones terrenas de
microondas.
Gua de OndaEnelectromagnetismoy entelecomunicacin, unagua de
ondaes cualquier estructura fsica que guaondas electromagnticas.La
primera gua de onda fue propuesta porJoseph John Thomsonen1893. El
anlisis matemtico de los modos de propagacin de un cilindro metlico
hueco fue realizado por primera vez porLord Rayleighen1897.Algunos
sistemas detelecomunicacionesutilizan lapropagacin de ondas
electromagnticasen el espacio libre, sin embargo tambin se puede
transmitir informacinmediante el confinamiento de estas ondas en
cables o guas.
Gua de OndaLa transmisin de seales porguas de ondareduce la
disipacin de energa, es por ello que se utilizan en
lasfrecuenciasdenominadas demicroondascon el mismo propsito que
laslneas de transmisinenfrecuenciasms bajas, ya que se presentan
pocaatenuacinpara el manejo de seales de alta frecuencia.Este
nombre, se utiliza para designar los tubos de un material de
seccinrectangular,circularoelptica( Ej. Radares y microondas, se
trabaja con ondas polarizadas vertical y horizontalmente), en los
cuales laenerga electromagnticaha de ser conducida principalmente a
lo largo de la gua y limitada en sus fronteras. Las paredes
conductoras del tubo confinan la onda al interior por reflexin,
debido a la ley de Snellen la superficie, donde el tubo puede estar
vaco o relleno con undielctrico.
Guias de Ondas
Gua de OndaEldielctricole da soporte mecnico al tubo (las
paredes pueden ser delgadas), pero reduce lavelocidad de
propagacin.En las guas, loscampos elctricosy loscampos
magnticosestn confinados en el espacio que se encuentra en su
interior, de este modo no hay prdidas de potencia por radiacin y
las prdidas en eldielctricoson muy bajas debido a que suele ser
aire. Este sistema evita que existaninterferenciasen el campo por
otros objetos, al contrario de lo que ocurra en lossistemas de
transmisinabiertos.
MODOS TE , TM Y TEMLas guas de onda electromagnticas se analizan
resolviendo las ecuaciones de Maxwell. Estas ecuaciones tienen
soluciones mltiples, o modos, que son los autofunciones del sistema
de ecuaciones. Cada modo es pues caracterizado por un autovalor,
que corresponde a la velocidad de propagacin axial de la onda en la
gua.Los modos de propagacin dependen de la longitud de onda, de la
polarizacin y de las dimensiones de la gua. El modo longitudinal de
una gua de onda es un tipo particular de onda estacionaria formado
por ondas confinadas en la cavidad. Los modos transversales se
clasifican en tipos distintos:
MODOS TE , TM Y TEMModo TE (Transversal elctrico), la componente
del campo elctrico en la direccin de propagacin es nula.Modo TM
(Transversal magntico), la componente del campo magntico en la
direccin de propagacin es nula.Modo TEM (Transversal
electromagntico), la componente tanto del campo elctrico como del
magntico en la direccin de propagacin es nula.Modo hbrido, son los
que s tienen componente en la direccin de propagacin tanto en el
campo elctrico como en el magntico.En guas de onda rectangulares el
modo fundamental es el TE1,0 y en guas de onda circulares es el
TE1,1.El ancho de banda de una gua de onda viene limitado por la
aparicin de modos superiores. En una gua rectangular, sera el
TE0,1. Para aumentar dicho ancho de banda se utilizan otros tipos
de gua, como la llamada "Double Ridge", con seccin en forma de
"H".
MODOS TE , TM Y TEMEl ancho de banda de una gua de onda viene
limitado por la aparicin de modos superiores. En una gua
rectangular, sera el TE, para aumentar dicho ancho de banda se
utilizan otros tipos de gua, como la llamada "Double Ridge", con
seccin en forma de "H".
