G24_ ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

5/10/2018 G24_ ESPECTRO ELECTROMAGNETICO - slidepdf.com

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ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

RADIACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (I)La oscilación o la aceleración de una carga eléctrica cualquiera genera un fenómeno físico integrado por componenteseléctricos y magnéticos, conocido como espectro de radiación de ondas electromagnéticas.

Espectro completo de las r adiaciones de ondas electromagnéticas

.

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 nuestrascasas, hasta llegar a ondas de frecuencias muy altas, de miles de millones de hertz o ciclos por segundo conlongitudes extremadamente cortas, como las que poseen las radiaciones cósmicas.

La única diferencia existente entre un grupo de ondas y otras dentro del espectro electromagnético es su frecuencia enhertz (Hz), su longitud en metros (m) y el nivel de energía que transmiten en joule (J).

Características principales de las ondas electromagnéticas

Las tres características principales de las ondas que constituyen el espectro electromagnético son:

Frecuencia ( f )

Longitud ( )

Amplitud ( A )

Frecuencia

La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de vecesdurante un segundo de tiempo, tal como se puede observar en la siguiente ilustración:

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 electromagnético se representan con la letra ( f ) y su unidadde medida es el ciclo o hertz (Hz) por segundo.

RADIACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (II)

Longitud de ondaLas ondas del espectro electromagnético se propagan por el espacio de forma similar a como lo hace el agua cuandotiramos una piedra a un estanque, es decir, generando ondas a partir del punto donde cae la piedra y extendiéndose



hasta la orilla

Cuando tiramos una piedra en un estanque de agua, se generan ondas similares a lasradiaciones. propias del espectro electromagnético

Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del espectro electromagnéticoposeen picos o crestas, así como valles o vientres. La distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos,dos valles consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de la ondaelectromagnética, medida en múltiplos o submúltiplos del metro (m), constituye lo que se denomina “longitud deonda”.

P.- Pico o cresta: valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal del espectro. Electromagnético,cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor aumenta o disminuye a medida que. la amplitud “A” de la propia

onda crece o decrece positivamente por encima del valor "0".

V.- Valle o vientre: valor máximo de signo negativo ( –) que toma la onda senoidal del espectro. Electromagnético,cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el punto “0”. . El valor de los valles. aumenta o disminuye a medidaque la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece negativamente por . debajo del valor "0"

T.- Período: tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos valles por un mismo. punto.

N.- Nodo: Valor "0" de la onda senoidal

La longitud de una onda del espectro electromagnético se representa por medio de la letra griega lambda . ( ) y suvalor se puede hallar empleando la siguiente fórmula matemática:

De donde:

= Longitud de onda en metros

c = Velocidad de la luz en el vacío (300 000 km/seg)

f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz).

Por ejemplo, si deseamos conocer en qué banda en metros de la onda corta (OC) transmite una emisora de radioque se capta en los 7.1 MHz de frecuencia en el dial, procedemos de la siguiente forma:

1. La velocidad de la luz (300 000 km/seg) la convertimos en m/seg, para poder obtener el resultado final en

metros. Esa operación la realizamos de la siguiente forma, teniendo en cuenta que 1 km es igual a 1 000metros:

300 000 km/seg x 1 000 m = 300 000 000 metros/seg



2. A continuación los 7,1 megahertz los convertimos en hertz (Hz), que es la unidad de medida

correspondiente a la frecuencia, teniendo en cuenta que 1 MHz es igual a 106 Hz, o sea, 1 000 000 Hz:

7,1 MHz x 106 = 7,1 x 1 000 000 = 7 100 000 Hz (ó 7 100 000 ciclos por segundo)

3. Con el resultado de esas dos conversiones sustituimos sus correspondientes valores en la fórmula

aanteriormente expuesta y tendremos:

Por tanto, la longitud de onda de la señal de 7,1 MHz será de 42,2 metros por ciclo o hertz de frecuencia. Esalongitud se corresponde con la gama de ondas cortas de radio (OC) o (MW) que responden al rangocorrespondiente de la banda de más de 41 metros en el dial de un radiorreceptor.

Amplitud de ondaLa amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como “nodo” o“cero”

Propiedades de las ondas electromagnéticasPara su propagación, las ondas electromagnéticas no requieren de un medio material específico, pues pueden viajar incluso por el espacio extraterrestre.

Las ondas electromagnéticas, como se mencionó anteriormente, se propagan por el vacío a la velocidad de la luz(300 000 km/seg aproximadamente), hasta que su energía se agota. A medida que la frecuencia se incrementa, laenergía de la onda también aumenta.

Este tipo de ondas presenta las mismas propiedades físicas inherentes al movimiento ondulatorio.

COMO SE ORGANIZA EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICOEl espectro electromagnético se puede organizar de acuerdo con la frecuencia correspondiente de lasondas que lo integran, o de acuerdo con sus longitudes. Hacia un extremo del espectro se agrupan lasondas más largas, como las correspondientes a frecuencias de sonidos que puede percibir el oídohumano, mientras que en el otro extremo se agrupan las ondas extremadamente más cortas, pero conmayor energía y mayor frecuencia en hertz, como las pertenecientes a las radiaciones gamma y losrayos cósmicos.

En la siguiente ilustración se puede observar la distribución de las ondas dentro del espectroelectromagnético.

A.- Frecuencia de la corriente eléctrica alterna industrial y doméstica. B.- Frecuencias audibles por el .

oído humano. C.- Espectro radioeléctrico (incluye las microondas). D.- Rayos infrarrojos. E.- Espectrode. luz visible por el ojo humano. F.- Rayos ultravioletas. G.- Rayos-X. H.- Rayos Gamma. I.- Rayos.cósmicos.

CORRIENTE ALTERNA, SONIDOS AUDIBLES Y ONDAS DE RADIO

Frecuencia de la corriente eléctrica alterna para uso industrial y doméstico

Lo que conocemos como corriente alterna (CA) corresponde a la frecuencia que normalmente generanlos alternadores o generadores de las centrales termoeléctricas, hidroeléctricas y atomoeléctricas quesuministran la corriente para uso industrial, general y doméstico. Generalmente la frecuencia de esa

corriente es de 50 Hz o ciclos por segundo en Europa y de 60 en América.



Sección del espectro de frecuencias y longitudes de ondas correspondientes, en primer lugar, a lacorriente alterna que empleamos en la industria y en nuestros hogares correspondiente al grupo ELF (Extremely Low Frequency – Frecuencia extremadamente baja), como las de 50 ó 60 ciclos por segundo o hertz (Hz) , según el país de que se trate. Dentro de esta sección del espectro tambiénaparecen las frecuencias audibles por el oído humano (entre 20 ciclos y 20 mil ciclos por segundo ohertz ), incluyendo también las audibles por algunos animales, como el perro, que superan los 20 mil ciclos por segundo, y que se encuentran comprendidas dentro del grupo VLF (Very Low Frequency –Frecuencia muy baja)

Frecuencias audibles por el oído humano

Son frecuencias inherentes a los sonidos que pueden detectar nuestro sentido del oído. Su espectroabarca desde los 20 Hz para los sonidos más graves, hasta los 20 kHz de frecuencia para los sonidosmás agudos.

Espectro radioeléctrico

Sección de frecuencias y longitudes de ondas del espectro.radioeléctrico, correspondientes a radio, televisión,telefonía. inalámbrica, microondas, radar, etc.

El espectro radioeléctrico abarca una amplia gama de frecuencias de radio que cubren desde los.1,53 · 103 Hz (153 kHz) a los 3,0 · 1011 Hz (300 GHz) aproximadamente. Dentro de ese espectro seincluyen las ondas que permiten la transmisión de señales de radio de amplitud modulada (AM) y

frecuencia modulada (FM), incluyendo televisión, teléfono inalámbrico, teléfono móvil o celular, GPS (Global Positioning System – Sistema de Posicionamiento Global), controles para gobierno de equiposremotos, hornos microondas, radar, etc.

RAYOS INFRARROJOS (IR), LUZ VISIBLE Y RAYOS ULTRAVILETAS (UV)

Sección del espectro electromagnético correspondiente a los rayos infrarrojos (IR), los rayos deluz . visible por el ojo humano y los rayos ultravioleta (UV)

Rayos infrarrojos (IR)

Los rayos infrarrojos abarcan aproximadamente desde los 3,0 x 1011 Hz (300 GHz) hasta los 3,8 x1014Hz (380 THz). Cualquier molécula, cuya temperatura sea superior a 0º Kelvin ( cero absoluto,equivalente a – 273º C ), emite rayos infrarrojos. Esa emisión se incrementa a medida que las

moléculas que integran un cuerpo cualquiera adquieren mayor temperatura.

En una foto de la Tierra tomada desde un satélite empleando para ello tecnología de rayos infrarrojos,se pueden diferenciar zonas de diferentes colores. Por medio de esos colores los metereólogos puedenconocer la temperatura ambiente existente en esos momentos en cada zona específica de la zona

http://www.asifunciona.com/electronica/af_gps/af_gps_1.htm

http://www.asifunciona.com/electronica/af_gps/af_gps_1.htm



geográfica fotografiada.

Los rayos infrarrojos de baja potencia se utilizan para accionar diferentesdispositivos de control remoto como, por ejemplo, el mando de los televisores,intercomunicación entre equipos y dispositivos informáticos (ordenadores o PC y susperiféricos), visión nocturna, fotografía nocturna, etc., mientras que los de alta

potencia se emplean para generar calor.

El descubrimiento de los rayos infrarrojos data del año 1800 y lo realizó el astrónomode origen alemán William Herschel.

Mando a distancia de un televisor. El emisor de rayos infrarrojosque posee nos permite cambiar los canales y realizar ajustes.

Espectro de luz visible

La radiación de la luz visible es la que nos permite ver losobjetos del mundo material que nos rodea. Se localizaaproximadamente entre 3,8 x 1014 Hz (380 THz),correspondiente a la frecuencia del color violeta y los 7,5 x1014 Hz (75 THz) pertenecientes a la frecuencia del color rojo. Esta es la única parte del espectro electromagnéticovisible para el ojo humano.

El Sol es la principal fuente de luz visible natural queposeemos. Otras fuentes de luz visible, pero en este casoartificial son, por ejemplo, la gran variedad de lámparas dediferentes tecnologías que utilizamos para alumbrarnos de

noche.

El Sol es la principal fuente natural de luz visible que posee el hombre.

De acuerdo con la Teoría de la Relatividad, descubierta por el físico alemán, naturalizadoestadounidense, Albert Einstein, las ondas de luz se mueven en el vacío a una velocidad de 299 792458 metros por segundo (± 1 m/s), aunque generalmente se toma el valor aproximado de 300 000 000m/s.

Rayos ultravioleta (UV)

Los rayos ultravioleta se encuentran situados aproximadamente en la franja comprendida entre los7,5 x 1014 Hz (75 THz) y los 3,0 x 1016 Hz (30 PHz) de frecuencia del espectro electromagnético. Entrelos componentes de los rayos de luz blanca visible del Sol que llegan a la Tierra, se reciben tambiénrayos UV-A (ultravioleta-A) y UV-B (ultravioleta-B).

La mayor parte de los rayos de Sol que recibe la Tierra, así como los que proporcionan las lámparasque emiten esos rayos, son del tipo UV-A, por lo que tomarlos en exceso puede conllevar a la apariciónde cáncer en la piel, mientras que por otro lado son esos propios rayos, tomados con moderación, losque favorecen la creación de vitamina “D” en la propia piel.

No obstante la capa de ozono que cubre la Tierra actúa como filtro natural para amortiguar, en granmedida, esas radiaciones, con el fin de que nos lleguen más debilitadas.

RAYOS X, RAYOS GAMMA Y RAYOS CÓSMICOS

Frecuencias y longitudes de onda correspondientes a los Rayos X, Rayos Gamma ( ) y Rayos.. Cósmicos del espectro electromagnético.

Rayos-X



Las radiaciones de Rayos-X abarcan desde los 3,0 x 10 16 (30 PHz), hastalos 3,0 x 1019 Hz (30 EHz) de frecuencia dentro del espectroelectromagnético. Las radiaciones de esos rayos son invisibles para el ojohumano, pero pueden atravesar diferentes tipos objetos, incluyendo elcuerpo humano. Sin embargo, las planchas de plomo no son atravesadaspor los Rayos-X, por lo que se emplea normalmente ese metal para

proteger al hombre cuando trabaja con aparatos que emiten este tipo deradiaciones.

Los Rayos-X, descubiertos a finales del siglo 18 por el físico alemánWilhelm Röntgen, se emplean fundamentalmente para obtener radiografíasde apoyo al diagnóstico médico, así como en investigaciones metalúrgicas,científicas y en el análisis de obras de arte.

Radiografía obtenida por Rayos- X.

Rayos gamma

Las radiaciones gamma se originan generalmente a partir del núcleo excitado de unátomo radioactivo y abarcan desde los 3,0 x 1019Hz (30 EHz) hasta los 3,0 x 1022 Hz(30 ZHz). En ciertas ocasiones, después que un núcleo radioactivo emite partículas

alfa ( ), e incluso también beta ( ), conserva todavía energía, que libera en formade ondas electromagnéticas conocidas como rayos gamma ( ).

En la ilustración se muestra la señalización empleada para indicar el riesgode contaminación por rayos gamma en determinadas zonas como, por ejemplo,. las destinadas a la práctica de medicina nuclear en los hospitales.

Esas radiaciones de frecuencias extremadamente elevadas, liberan una alta energía que puede resultar muy peligrosay perjudicial para los seres vivos, aunque bien administradas sirven para aplicarlas en el tratamiento de algunos tiposde cáncer, así como para la esterilización del instrumental médico y los alimentos.

Las radiaciones gamma sólo se pueden detener utilizando gruesas paredes de hormigón, revestimiento de planchas deplomo, o empleando grandes cantidades de agua.

Rayos cósmicos

Los rayos cósmicos proceden del espacio profundo y su frecuencia

supera los 3,0 x 1022 Hz (30 ZHz). Esos rayos se componen deondas cósmicas de la más elevada frecuencia y una alta carga deenergía que llegan, incluso, hasta la superficie terrestre. Su efectoresulta mortal si alguien se expone directamente a las mismas en elespacio cósmico sin la debida protección de una escafandra, comolas utilizadas por los cosmonautas. Sin embargo, a los habitantesde la Tierra no les llega a afectar de forma directa gracias a laprotección natural que proporciona la capa de ozono.

Foto del espacio profundo. NASA



VALORES APROXIMADOS DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Espectro electromagnético

Frecuencia en hertz

(Hz)

Longitud de onda en

metros (m)

Energía en

Jules (J)

Sonidos audibles2,0 · 102 – 2,0 · 103 1,0 · 107 – 1,0 · 105 - - -

Ondas de radio de amplitud modulada (AM):

Frecuencia Muy Baja 1,5 · 103 – 3,0 · 104 1,0 · 105 – 1,0 · 104 < 1,9 · 10-29

Onda Larga (OL o LW*) 3,0 · 104 – 6,5 · 105 1,0 · 104 – 6,5 · 102 > 1,9 · 10-29

Onda Media (OM o MW*) 6,5 · 105 – 1,7 · 106 6,5 · 102 – 1,8 · 102 > 4,3 · 10-28

Onda Corta (OC o SW*) 1,7 · 106 – 3,0 · 107 1,8 · 102 – 1,0 · 101 > 1,1 · 10-27

Ondas de radio de frecuencia modulada (FM) y de televisión:

VHF* Frecuencia Muy Alta 3,0 · 107 – 3,0 · 108 1,0 · 101 – 1,0 · 100 > 2,0 · 10-26

UHF* Frecuencia Ultra Alta 3,0 · 108 – 3,0 · 109 1,0 · 100 – 3,0 · 10-2 > 1,9 · 10-25

Microondas (microwaves) 3,0 · 109 – 3,0 · 1011 3,0 · 10-2 – 1,0 · 10-3 > 1,9 · 10-24

Rayos infrarrojos (IR):

Lejanos 3,0 · 1011 – 6,0 · 1012 1,0 · 10-3 – 5,0 · 10-6 > 2,0 · 10-22

Medios 6,0 · 1012 – 1,2 · 1014 5,0 · 10-6 – 2,5 · 10-6 > 3,9 · 10-21

Cercanos 1,2 · 1014 – 3,8 · 1014 2,5 · 10-6 – 7,8 · 10-9 > 7,9 · 10-20

Luz visible3,8 · 1014 – 7,8 · 1014 7,5 · 10-9 – 3,8 · 10-9 > 2,5 · 10-19

Rayos ultravioleta (UV):

Cercanos 7,8 · 1014 – 1,5 · 1015 3,8 · 10-9 – 2,0 · 10-9 > 5,0 · 10-19

Extremos 1,5 · 1015 – 3,0 · 1016 2,0 · 10-9 – 1,0 · 10-9 > 9,9 · 10-19

Rayos X3,0 · 1016 – 3,0 · 1020 1,0 · 10-9 – 1,0 · 10-12 > 1,9 · 10-17

Rayos Gamma3,0 · 1020 – 3,0 · 1022 1,0 · 10-12 – 1,0 · 10-14 > 1,9 · 10-14

Rayos Cósmicos> 3,0 · 1022 < 1,0 · 10-14 - - -

* SIGLAS EN INGLÉS - ESPAÑOL:LW - OL (Long Wave – Onda Larga)MW - OM (Medium Wave – Onda Media)SW - OC (Short Wave – Onda Corta)VHF (Very High Frecuency – Frecuencia Muy Alta )UHF (Ultra High Frecuency – Frecuencia Ultra Alta)

Múltiplos del Hz (hertz) en orden ascendente, en el Sistema Internacional de

Medidas (S.I.)Hz (hertz) Unidad de medida kHz (kilohertz) 103 hertz = 1 000 hertz

MHz (megahertz) 106 hertz = 1 000 000 hertz

GHz (gigahertz) 109 hertz = 1 000 000 000 hertz

THz (terahertz) 1012 hertz = 1 000 000 000 000 hertz

PHz (petahertz) 1015 hertz = 1 000 000 000 000 000 hertz

EHz (exahertz) 1018 hertz = 1 000 000 000 000 000 000 hertz

ZHz (zettahertz) 1021 hertz = 1 000 000 000 000 000 000 000 hertz

YHz (yottahertz) 1024 hertz = 1 000 000 000 000 000 000 000 000 hertz

NOTA.- En lugar de kilohertz (kHz) y megahertz (MHz), algunas veces se emplean los términos.equivalentes de kilociclos para el primero y megaciclos para el segundo.



El desarrollo de la teoría de las ondas electromagnéticas se debe al estudio realizado alrededor de losaños 1860 por el físico inglés James Clerk Maxwell . Este científico realizó un análisis matemático de lateoría de los campos electromagnéticos y llegó a la conclusión que la luz visible estaba formadatambién por ondas electromagnéticas.

ACTIVIDAD:

Antes de desarrollar el cuestionario, que se encuentra a continuación, observe

cuidadosamente, el material que se encuentra en el siguiente enlace:

http://www.santillana.cl/fis4/swf/actividad3.swf

1. Qué es el espectro electromagnético?

2. Cuáles son las características o parámetros de una onda electromagnética?

3. Qué propiedades poseen este tipo de Ondas?

4. Qué tipo de ondas pueden ser percibidas por los seres humanos?

5. Qué relación existe entre la energía y la longitud de onda?

6. Cómo se detienen las ondas asociadas con los rayos Gamma?

7. Como se generan los rayos Gamma?

8. Cuál es el principal uso de los rayos X?

9. Cuál es el rango de frecuencias de los rayos X?

10. Porqué se utilizan los rayos ultravioleta en la esterilización de instrumental

médico?

11. Cuál es el principal uso de los rayos infrarrojos?

12. Qué usos tiene las microondas?

13. Cómo se generan las microondas?

14. Qué usos tienen las ondas de radio?

15.Ordene los diferentes tipos de ondas, de los que tienen mayor λ a los que

tienen menor λ ?

16. Qué tipo de ondas se utilizan en la transmisión de información entre

computadores?

17.Que colores tiene un arco iris y que longitud de onda tiene cada color?

18. Qué tipo de ondas forman un arco iris?

19.Rellenar los espacios en la figura con los nombres de los distintos rangos de

radiación.





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