curso de electricidad 9

Las ondas electromagnéticas fue-ron previstas antes de ser des-cubiertas. En verdad, las ecua-

ciones de Maxwell que describíanlos campos magnéticos preveíantambién la existencia de radiacio-nes, de la misma naturaleza que laluz, y que se propagaban en el es-pacio con una velocidad de 300.000kilómetros por segundo.

Las ecuaciones de Maxwell fue-ron presentadas en 1865, pero sola-mente en 1887 Hertz consiguiócomprobar la existencia de "ondaselectromagnéticas" según las ya pre-

vistas y las produjo en su laborato-rio.

En esta lección, no nos preocu-paremos tanto del aspecto históricodel descubrimiento, como del estu-dio de su naturaleza, pero tambiénañadiremos algunos datos importan-tes del pasado relacionados con lainvestigación y su utilización.

La naturaleza de las ondas electromagnéticas

En las lecciones anteriores dis-tinguimos muy bien dos especies

de "influencias" de naturaleza eléc-trica. Vimos que una carga eléctrica,o un cuerpo cargado, es responsa-ble por una perturbación en el es-pacio que lo rodea y que denomi-namos "campo eléctrico", comomuestra la figura 1.

Vimos que podríamos represen-tar esta "influencia; por medio de lí-neas imaginarias, denominadas lí-neas de fuerza. (El uso de las líneasde fuerza fue propuesto por Fara-day).

Las líneas de fuerza realmenteno existen, pero pueden ayudar a

LECCION 9

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TEORIA: LECCION Nº 9

Las OndasElectromagnéticas

En este mismo tomo estudiamos el comportamiento de los circuitosRC y RL, analizando de qué modo las variaciones de corriente y detensión ocurren en función del tiempo. En los montajes prácticos,que acompañan el curso en la misma edición, vimos inclusive apli-caciones en temporizadores y osciladores de tales circuitos. Lososciladores, en especial, son importantes en la electrónica, puespueden producir "ondas electromagnéticas", que, irradiadas porel espacio, recorren grandes distancias y así posibilitan la comuni-cación vía radio. En esta lección veremos qué son las ondas de ra-dio u ondas electromagnéticas, y de qué modo se comportan, paraque en las lecciones siguientes, al proseguir con el análisis de loscircuitos, entendamos cómo se las puede producir.

Coordinación: Horacio D. Vallejo

evaluar el comportamientode la "influencia" de la cargaen el espacio. La influenciaes mayor en los puntos enque las líneas son más con-centradas.

Del mismo modo, estu-diamos otro tipo de influen-cia causado por cargas enmovimiento, o sea, por lascorrientes eléctricas, que di-fería mucho del campo eléc-trico, y que fue denominado"campo magnético".

También representábamosel campo magnético por me-dio de líneas de fuerza perode una forma bien diferente:las líneas eran concéntricas,envolviendo la trayectoria de lascargas (figura 2).

El tipo de influencia para losdos campos también se diferencia:el campo eléctrico actúa sobre cual-quier cuerpo cargado, atraen o re-pelen conforme a la polaridad,mientras que el campo magnéticoactúa sobre determinados materia-les, independientemente de su car-ga, atraen (materiales ferrosos) o re-pelen (materiales diamagnéticos).

¿Qué ocurriría con una cargaeléctrica que, al mismo tiempo, pu-diera producir un campo eléctrico yun campo magnético?

Para explicar este fenómeno im-portante, vamos a imaginar una car-ga eléctrica que pueda entrar en vi-bración alrededor de un punto, osea que pueda "oscilar" comomuestra la figura 3.

Partiendo entonces de una posi-ción inicial en que la misma se en-cuentre detenida, sólo existe campoeléctrico a su alrededor, comomuestra la figura 4.

El campo magnético es nulo,pues la carga se encuentra en repo-

so. El campo eléctrico, a suvez, es máximo.A medida que la carga sedesplaza hacia la posicióncentral, el campo eléctrico sereduce, mientras que el cam-po magnético aumenta. En elmedio de la trayectoria, cuan-do la velocidad es máxima,el campo magnético tambiénes máximo, mientras que elcampo eléctrico se reduce acero (mínimo, figura 5).En dirección al otro extremode la trayectoria, la velocidadse reduce gradualmente, conlo que se reduce también elcampo magnético. El campoeléctrico vuelve a aumentar

de intensidad (figura 6).Cuando la carga llega al extremo

de la trayectoria, por algunos ins-tantes se detiene para invertir elmovimiento. En este instante, elcampo eléctrico nuevamente es má-ximo y el campo magnético se re-duce a cero (figura 7).

En la inversión del movimiento,

LA S ON D A S EL E C T R O M A G N E T I C A S

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tenemos nuevamente el crecimientode la intensidad del campo magné-tico hasta el medio de la trayectoriay la reducción al mínimo del campoeléctrico y después, hasta el extre-mo, el aumento del campo eléctricoy la disminución del campo magné-tico.

Vea entonces que, en esta "osci-lación", el campo magnético y eleléctrico se alternan (figura 8).

Hay un desfasaje de 90 gradosentre los dos campos.

El resultado de este fenómenoes la producción de una perturba-ción única que se propaga por elespacio con velocidad finita.

Vea que existe un tiempo deter-minado de contracción de las líneasde fuerza tanto del campo eléctricocomo del magnético, así como parala expansión.

Así, independientemente de la

velocidad con que la carga oscile, osea, de su frecuencia, la velocidadcon que la perturbación se propagaes bien definida y constante.

Se puede demostrar que estaperturbación se propaga en el vacíoa una velocidad de 2,997793 x 1010

centímetros por segundo, o, redon-deando hacia arriba, ¡300.000 kiló-metros por segundo!

Esta perturbación da origen a loque denominamos "onda electro-magnética".

Recuerde:La velocidad de propagación de

las ondas electromagnéticas en elvacío es de 300.000 kilómetros porsegundo.

En los medios materiales, comopor ejemplo el vidrio o el agua, lavelocidad quedará reducida por un

factor que depende de la naturalezadel material.

Podemos calcular esta velocidadpor la fórmula:

CoC= ____ (1)

n

Donde: C es la velocidad de propaga-

ción de la onda en el vacío(300.000 km/s);

n es el índice de refracción delmaterial;

Co es la velocidad de propaga-ción en el medio considerado(km/s).

Vea que este resultado, 300.000kilómetros por segundo, coincidecon la velocidad de la luz en el va-cío, ¡porque la luz es una especiede radiación electromagnética!

Polarización

Para representar una onda elec-tromagnética precisamos tener encuenta tanto su componente eléctri-ca como magnética, pues, como vi-mos, la misma corresponde a una"alternancia" entre los dos cam-pos.

Para esta finalidad, hacemos usode la representación mostrada en lafigura 9.

El campo eléctrico varía segúnel eje E con semiciclos tanto positi-vos como negativos, mientras queel campo magnético varía según eleje H, también como semiciclos po-sitivos y negativos.

Cuando deseamos recibir unaonda electromagnética, lo que tene-mos que haer es interceptarla demodo de tener una corriente en unconductor que pueda ser amplifica-


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da y trabajada por circuitos especia-les.

Esto se hace, por ejemplo, me-diante una antena que no es másque un alambre conductor colocadoen el camingo de la onda (figura10).

Para que ocurra la inducción deuna corriente en esta antena, lamisma debe ser co-locada de determina-da forma. Si los lec-tores observaran lasantenas de televisiónde su localidad, po-drán tener una ideade la necesidad deesta colocación.

¿Por qué las an-tenas no se ponen enposición tal que lasvarillas estén en for-ma vertical comomuestra la figura (B)11, y sí como en (A)figura 11?

¡Esto ocurre por-que la polarización de las ondas sehace horizontalmente, no vertical-mente!

Frecuencia y longitud de onda

Para una corriente alterna, la fre-cuencia se define como el númerode veces en que ocurre la inversiónde su sentido de circulación. La fre-cuencia es numéricamente igual aeste valor y es dada en hertz, cuyaabreviatura es Hz.

En el caso de una onda electro-magnética, su frecuencia es dadapor el número de vibraciones porsegundo de la carga (o cargas) quela producen, siendo numéricamenteigual a este valor y también medidaen hertz.

Si una onda electromagnéticafuera producida por una carga quevibra a razón de 1.000.000 de vecespor segundo, la frecuencia de estaradiación será de 1MHz.

El espectro electromagnético esel conjunto de frecuencias en quepuede haber radiaciones electro-magnéticas y es muy extenso, seanalizará más adelante.

Para una determinada radiaciónelectromagnética, además de la fre-

cuencia, podemos definir otra mag-nitud, que es la longitud de onda.

Tomemos como ejemplo una ra-diación electromagnética cuya fre-cuencia sea de 1MHz, o sea,1.000.000Hz.

En un segundo, partiendo de lafuente emisora, o sea, las cargasque oscilan, las ondas recorren un

espacio de 300.000kilómetros, pues éstaes su velocidad, co-mo muestra la figura12.Podemos percibirentonces que las on-das individualmente,o cada oscilación di-vide el “espacio” de300.000 kilómetros o300.000.000 metros.Cada onda, enton-ces, "se quedará"con un espacio de300 metros, o sea,tendrá una "longitud"que equivale a 300

metros (figura 13).Para las ondas electromagnéticas


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es común expresar su naturalezatanto por la frecuencia como por sulongitud de onda. Hablar de una ra-diación de 1 MHz es, pues, lo mis-mo que hablar de una radiación de300 metros.

Podemos fácilmente calcular lalongitud de onda de cualquier ra-diación, conocida su frecuencia porla fórmula:

v = L x f (2)

Donde: v es la velocidad de pro-pagación (300.000.000 m/s); L es lalongitud de onda en metros; f es lafrecuencia en Hertz.

Recuerde:A cada frecuencia podemos aso-

ciar una longitud de onda para unaonda electromagnética. La longitudde onda será tanto menor cuantomayor fuera la frecuencia.

El espectro electromagnético y las ondas de radio

¿Cuáles son las frecuencias quedan origen a las ondas electromag-néticas?

¿Qué tipo de naturaleza tienecada radiación en función de sufrecuencia?

Si distribuimos las ondas electro-magnéticas de acuerdo con su fre-cuencia o longitud de onda, vere-mos que, para cada sector de estadistribución, tendremos comporta-mientos diferentes. Las radiacionesde longitudes de ondas menorestienen comportamientos bien dife-rentes de las de mayores longitu-des. Su propia utilización es distin-ta.

Llamamos espectro a la distribu-ción de las diversas frecuencias de

radiaciones electromagnéticas, y enel caso es un espectro continuo,pues no existen saltos entre los va-lores que las mismas pueden asu-mir.

El espectro de las radiacioneselectromagnéticas, en verdad, se ex-tiende de 0 a infinito, ¡ya que se co-nocen fuentes que emiten "señales"de frecuencias tan elevadas como1023Hertz, o sea 1 seguido de 23 ce-ros!

Vamos al análisis del espectro:

Espectro electromagnético

Frecuencia: 0 a 20 kHzDenominación: ondas eléctricas

acústicasLa longitud de onda varía entre

el infinito y 15.000 metros. En ver-dad, estas ondas no tienen mucha"penetración" en el espacio, siendousadas para la transmisión de ener-gía por cable, o en la producciónde sonidos.

Frecuencia: 20 kHz a 30 kHzDenominación: VLF (Very Low

Frequency = frecuencia muy baja)Las ondas electromagnéticas de

esta banda, de 15.000 a 10.000 me-tros, pueden ser usadas en los ser-vicios de telecomunicaciones a lar-ga distancia, pues siendo muy esta-bles, no están influenciadas por lahora del día ni por las estacionesdel año.

Vea el lector que el Sol es un

"enemigo" de las ondas electromag-néticas, pues la radiación que élemite también puede influenciar supropagación y dificultar el uso dedeterminados tipos de ondas de ra-dio, como ésta, en mayor o menorintensidad.

Frecuencia: 30 kHz a 300 kHzDenominación: LF (Low Fre-

quency = baja frecuencia)Pueden ser usadas en servicios

de radiocomunicaciones de largadistancia, como por ejemplo en co-municación naval, o incluso paraayudar en navegación al orientarnaves y aviones. Estas ondas ya sonmás afectadas en su propagaciónque las de la banda anterior, pues,según la hora del día y la estacióndel año, pueden ocurrir pequeñasatenuaciones.

Frecuencia: 300 kHz a 3.000 kHzDenominación: MF (Medium

Frequency = frecuencia media)Las ondas de esta banda, que

son ondas de radio, tienen longitu-des entre 1.000 y 100 metros, pu-diendo ser usadas en diversos tiposde servicios de comunicación, comopor ejemplo, la propia radiodifusión(AM), comunicaciones entre aerona-ves, barcos, policía, etc.

Estas radiaciones son influencia-das por la hora del día: su alcancees mayor durante la noche y menordurante el día. Igualmente, en in-vierno la atenuación es menor queen verano.

Frecuencia: 3.000 kHz a 30 MHzDenominación: HF (High Fre-

quency = alta frecuencia)También tenemos aquí ondas de

radio cuya longitud de onda estaráentre 100 metros y 10 metros. Estasondas pueden usarse en comunica-


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ciones de larga distancia, en deter-minados horarios del día y en de-pendencia de las estaciones delaño. Lo que ocurre es que estas ondas pueden ser reflejadas porlas capas altas de la atmósfera (laionosfera), así vencen el problemade la curvatura de la Tierra (figura14).

Las ondas de esta banda son uti-lizadas por las estaciones de radio-difusión, radioaficionados, y servi-cios diversos de comunicación adistancias largas y medianas.

Frecuencia: 30 MHz a 300 MHzDenominación: VHF (Very High

Frequency = frecuencia muy alta)Son también ondas de radio cu-

ya longitud de onda estará entre 10metros y 1 metro. Estas ondas sepropagan en línea recta, como lasdemás, pero son influenciadas fuer-temente por la presencia de obstá-culos.

Así, no podemos usarlas en ser-vicios que sobrepasen la línea vi-sual o línea del horizonte (figura15).

Las ondas de esta banda sonusadas en servicios de radiodifusión(FM), televisión, comunicaciones a

distancias cortas y medianas comopor ejemplo policía, aviación, etc.

Frecuencia: 300MHz a 3.000MHzDenominación: UHF (Ultra High

Frequency = frecuencia ultra alta)Estas ondas de radio tienen lon-

gitudes de onda entre 1 metro y 10centímetros. Son pues ondas muycortas de comportamiento semejan-te al VHF, con la diferencia que sonmucho más afectadas por obstácu-los. Estas ondas son usadas en TV,radar, comunicaciones a distanciacorta y mediana.

Frecuencia: 3.000MHz a30.000MHz

Denominación: SHF (Super HighFrequency = frecuencia super alta)

Estas ondas tienen longitud deonda entre la banda de 10 centíme-tros a 1 centímetro. Estamos en eldominio de las llamadas microon-das, usadas en servicios de comuni-caciones en línea visual, radar, etc.

Las mismas no pueden sobrepa-sar obstáculos, incluso de pequeñotamaño, son pues usadas en las co-municaciones visuales, o sea, enaquéllas en que el transmisor prácti-camente "ve" el receptor.

Frecuencia: 30 GHz a 300 GHzDenominación: MicroondasNo hay realmente una sigla para

las ondas de radio en esta banda.Su longitud está entre 1 mm y 10mm y aquí el comportamiento delas radiaciones comienza a sufriruna transición. Podemos agrupar lasradiaciones de esta banda en ondascentimétricas, milimétricas, e inclusosubmilimétricas. Su uso es el radar;las comunicaciones por microondastambién son producidas por cuer-pos calentados como las lámparasde vapor de mercurio. Se trata puesde radiación cuya naturaleza co-mienza a estar próxima a la de laluz.

Frecuencia: 300GHz (3 x 1011) a3 x 1014Hz

Denominación: Radiación infra-rroja o simplemente infrarrojo.

Ya tenemos aquí un tipo de ra-diación de comportamiento bastantesemejante al de la luz visible. La ra-diación infrarroja es producida porcuerpos calientes. Cuando acerca-mos la mano a un hierro caliente,"sentimos" esta radiación a la dis-tancia en forma de calor. Las longi-tudes de onda son medidas en estabanda en micrones (µ), o millonési-mas de metro, o bien en otra uni-dad que es el Angston (Å) queequivale a 10-8 metros o a la millo-nésima parte del milímetro.

Frecuencia: 3 x 1014 Hz.Denominación: Luz visibleEn este punto del espectro elec-

tromagnético tenemos una forma deradiación muy importante para no-sotros que es la luz que podemosver, o luz visible.

Su longitud de onda está entre4.000 Angstrons y 7.000 Angs-trons.


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El color de la luz que percibi-mos está relacionada con su fre-cuencia, conforme a la siguiente ta-bla aproximada:

Violeta - 4.000 a 4.500 AngstronAzul - 4.500 a 5.000 AngstronVerde - 5.000 a 5.700 AngstronAmarillo - 5.700 a 5.900 Angs-

tronAnaranjado - 5.900 a 6.100

AngstronRojo - 6.100 a 7.000 Angstron

La particularidad más importantede esta banda del espectro está, en-tonces, en el hecho de que posee-mos "sensores" sensibles capaces depercibir las radiaciones, que sonjustamente nuestros ojos.

Frecuencia: 3 x 1014 a 3 x 1017

Denominación: radiación ultra-violeta o simplemente ultravioleta.

Tenemos aquí una penetranteforma de radiación electromagnéticadel tipo de la luz cuyas longitudesde onda están entre 4.000 Angstrony 10-7 centímetros.

Este tipo de radiación es produ-cida por la vibración molecular yatómica y encuentra aplicacionesindustriales de diversos tipos.

Frecuencia: 3 x 1017 a 3 x 1020 HzDenominación: Rayos XTenemos aquí una forma muy

penetrante de radiación electromag-nética que puede, por su longitudde onda muy pequeña, penetrar enlos cuerpos materiales de diversostipos.

Esta forma de radiación es usadaen medicina y en la industria de di-versas formas.

Cuanto menor es la longitud deonda de los rayos X, mayor es supenetración.

Frecuencia: 3 x 1020Hz a 3 x1021Hz

Denominación: Rayos GammaEsta forma peligrosa de radia-

ción electromagnética es producidatanto por vibraciones atómicas ymoleculares como también por lasreacciones nucleares. Los rayosgamma tienen enorme penetración,por lo que pueden atravesar obstá-culos de concreto o plomo de bas-tante espesor.

Frecuencia: 3 x 1021 Hz y másDenominación: rayos cósmicosSon partículas de increíble pene-

tración producidas por reaccionesnucleares o aceleración en camposmagnéticos de particulas cargadas ypueden atravesar toda la masa de laTierra como si no existiera. Estaspartículas son detectadas con difi-cultad, y felizmente llegan en pocacantidad a nuestro planeta.

Recuerde:* Las ondas de radio y las ondas

de luz visible, infrarrojo y ultravio-leta tienen la misma naturaleza.

* Las ondas de radio tienen fre-cuencias mucho más bajas que laluz visible y la radiación ultraviole-ta.

Para tener en cuenta:

“¿De qué modo se producen ra-diaciones como la luz visible o el in-frarrojo por cuerpos calientes si enlos mismos no hay electricidad enjuego?"

En verdad, las cargas existen.Los electrones que giran alrededorde los átomos son cargas eléctricasy bajo ciertas condiciones especia-les pueden realizar movimientosbruscos lo suficiente para generar

ondas electromagnéticas.Así, si un átomo es excitado lo

suficiente para que los electronesde una órbita a otra o incluso seanarrancados, este fenómeno puedeser acompañado de la emisión deuna radiación electromagnética.Cuanto más energía esté involucra-da en este proceso, mayor será lafrecuencia de la radiación emitida.

Así, si calentamos una barra demetal ligeramente, en el proceso, laenergía involucrada será relativa-mente pequeña y lo que tendremosserá la emisión de radiación de labanda del infrarrojo. Si el calenta-miento fuera mayor, la energía serámayor y ya tendremos emisión enla banda de la luz visible. Las enor-mes energías que involucran lasreacciones nucleares con movimien-tos de cargas con extremada violen-cia producen radiaciones en la ban-da de los rayos X, rayos gamma,etc.

“Explique mejor lo qué es la io-nósfera".

Cuando Marconi realizó sus ex-periencias con la transmisión de se-ñales de radio de Europa a los EE.UU., lo hizo contrariamente a lacreencia de que esto no sería posi-ble, pues las ondas no puedenacompañar la curvatura de la Tierray mucho menos atravesar. Teórica-mente, las comunicaciones por ra-dio no eran interesantes pues esta-ban limitadas al alcance visual.

El éxito de la transmisión deMarconi condujo a diversas hipóte-sis sobre lo que estaría ocurriendoque permitía la propagación de lasondas a distancias tan grandes,acompañaban la curvatura de laTierra. Hipótesis como la del pasode las ondas a una "tercera dimen-sión" o incluso ideas absurdas co-


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mo la "transparencia de la Tierra"aparecieron en esa época, pero lateoría que prevaleció fue la de Hea-viside que propuso la existencia deuna especie de "espejo" en las ca-pas altas de la atmósfera, capaz dereflejar las ondas en trayectoriasmuy largas (figura 16).

Esta capa ionizada (dotada deelectrones libres) se extiende desdeuna altura de 80 kilómetros a 400kilómetros con una estratificaciónque depende de la hora, del día yde las estaciones del año.

La ionósfera es producida porel efecto de radiación solar que"arranca" electrones de las capas al-tas de la atmósfera, así las carga deelectricidad. Solamente las ondaselectromagnéticas entre aproxima-damente 1 MHz y 50 MHz puedenreflejarse en estas capas altas. ✪


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