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Radiación electromagnética

Las ondas electromagnéticas que componen la radiación electromagnética pueden ser representadas como campos eléctricos y magnéticos autopropagados en forma de onda transversal.
El diagrama muestra una onda plana linealmente polarizada que se
propaga de izquierda a derecha. El campo eléctrico (azul) está sobre el
plano vertical y el campo magnético (rojo) sobre el plano horizontal.
Los campos eléctrico y magnético en este tipo de ondas siempre están en
fase a 90° una respecto a la otra.

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.¹
Desde el punto de vista clásico la radiación electromagnética son las
ondas electromagnéticas generadas por las fuentes del campo
electromagnético y que se propagan a la velocidad de la luz. La generación y la propagación de estas ondas son compatibles con el modelo de ecuaciones matemáticas definido en las ecuaciones de Maxwell.

La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter,
que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas
electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética
se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

Índice

Fenómenos asociados a la radiación electromagnética

Existen multitud de fenómenos físicos asociados con la radiación
electromagnética que pueden ser estudiados de manera unificada, como la
interacción de ondas electromagnéticas y partículas cargadas presentes
en la materia. Entre estos fenómenos están por ejemplo la luz visible,
el calor radiado, las ondas de radio y televisión o ciertos tipos de radioactividad
por citar algunos de los fenómenos más destacados. Todos estos
fenómenos consisten en la emisión de radiación electromagnética en
diferentes rangos de frecuencias (o equivalentemente diferentes
longitudes de onda), siendo el rango de frecuencia o longitud de onda
el más usado para clasificar los diferentes tipos de radiación
electromagnética. La ordenación de los diversos tipos de radiación
electromagnética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético.

Luz visible

La luz visible está formada por la radiación electromagnética cuyas longitudes de onda están comprendidas entre 400 y 700 nm.
La luz es producida en la corteza atómica de los átomos, cuando un
átomo por diversos motivos recibe energía puede que algunos de sus
electrones pasen a capas electrónicas
de mayor energía. Los electrones son inestables en capas altas de mayor
energía si existen niveles energéticos inferiores desocupados, por lo
que tienden a caer hacia estos, pero al decaer hacia niveles inferiores
la conservación de la energía requiere la emisión de fotones,
cuyas frecuencias suelen caer en los rangos asociados a la luz visible.
Eso es precisamente lo que sucede en fenómenos de emisión primaria tan
diversos como la llama del fuego, un filamento incandescente de una
lámpara o la luz procedente del sol. Secundariamente la luz procedente
de emisión primaria puede ser reflejada, refractada, absorbida
parcialmente y esa es la razón por la cual objetos que no son fuentes de
emisión primaria son visibles.

Calor radiado

Cuando se somete a algún metal y otras sustancias a fuentes de
temperatura estas se calientan y llegan a emitir luz visible. Para un
metal este fenómeno se denomina calentar "al rojo vivo", ya que la luz
emitida inicialmente es rojiza-anaranjada, si la temperatura se eleva
más blanca-amarillenta. Conviene señalar que antes que la luz emitida
por metales y otras sustancias sobrecalentadas sea visible estos mismos
cuerpos irradian calor en forma de radiación infrarroja que es un tipo de radiación electromagnética no visible directamente por el ojo humano.

Interacción entre radiación electromagnética y conductores

Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.

De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico,
hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta
forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la
radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden
actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética.

Véase también: Interferencia electromagnética

Estudios mediante análisis del espectro electromagnético

Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas
de un objeto a través del estudio de su espectro electromagnético, ya
sea por la luz emitida (radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica y química. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno
tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que emiten ondas de
radio, las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm.

Véase también: Espectrofotometría

Penetración de la radiación electromagnética

En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no
atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las
transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles
se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como
la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética
choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se
transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).

Refracción

La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que:

c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}

siendo

\varepsilon _{0}

\mu _{0}

la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente.

En un medio material la permitividad eléctrica

\varepsilon

tiene un valor diferente a

\varepsilon _{0}

. Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética

\mu

y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio

v

será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c.

Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende
del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se
habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este
fenómeno, denominado refracción,
es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que
inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular
a partir de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética
de la siguiente manera:

v={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon \mu }}}

Dispersión

Dispersión de la luz blanca en un prisma.

La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio
diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la
longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad
de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende
también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la
desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para
cada color (para cada longitud de onda). El ejemplo más claro es el de
un haz de luz blanca que se "descompone" en colores al pasar por un
prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas
longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno
se llama dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismáticos o telescopios.

Radiación por partículas aceleradas

Artículo principal: Fórmula de Larmor

Una consecuencia importante de la electrodinámica clásica
es que una partícula cargada en movimiento acelerado (rectilíneo,
circular o de otro tipo) debe emitir ondas electromagnéticas siendo la
potencia emitida proporcional al cuadrado de su aceleración, de hecho la
fórmula de Larmor para la potencia emitida viene dada por:

$P={\frac {q^{2}a^{2}}{6\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}$

Donde:

q\,

es la carga eléctrica de la partícula.

a\,

es la aceleración de la partícula.

\varepsilon _{0}\,

la permitividad eléctrica del vacío.

c\,

es la velocidad de la luz.

Un ejemplo de este fenómeno de emisión de radiación por parte de partículas cargadas es la radiación de sincrotrón.

Espectro electromagnético

Artículo principal: Espectro electromagnético

Diagrama del espectro electromagnético, mostrando el tipo, longitud de onda con ejemplos, frecuencia y temperatura de emisión de cuerpo negro.

Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético.

El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).

En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio
internacional de frecuencias en función del empleo al que están
destinadas como se observa en la tabla, además se debe considerar un
tipo especial llamado microondas, que se sitúan su rango de frecuencias
entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30
centímetros a 1 milímetro, que tienen la capacidad de atravesar la
ionosfera terrestre, permitiendo la comunicación satelital.

**Clasificación de las ondas en telecomunicaciones**
Sigla	Rango	Denominación	Empleo
VLF	10 kHz a 30 kHz	Muy baja frecuencia	Radio gran alcance
LF	30 kHz a 300 kHz	Baja frecuencia	Radio, navegación
MF	300 kHz a 3 MHz	Frecuencia media	Radio de onda media
HF	3 MHz a 30 MHz	Alta frecuencia	Radio de onda corta
VHF	30 MHz a 300 MHz	Muy alta frecuencia	TV, radio
UHF	300 MHz a 3 GHz	Ultra alta frecuencia	TV, radar, telefonía móvil
SHF	3 GHz a 30 GHz	Super alta frecuencia	Radar
EHF	30 GHz a 300 GHz	Extremadamente alta frecuencia	Radar

Explicaciones teóricas de la radiación electromagnética

El electromagnetismo clásico y la mecánica cuántica
ofrecen descripciones diferentes de la radiación electromagnética. En
el electromagnetismo clásico la radiación es un campo oscilante que se
propaga desde la fuente emisora, mientras que en la mecánica cuántica la
radiación es interpretada en términos de partículas (fotones)
emitidas por una fuente. Esas dos descripciones, sin embargo, son
complementarias y para situaciones macroscópicas no son cualitativamente
diferentes.

Ecuaciones de Maxwell

Artículo principal: Ecuaciones de Maxwell

Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas "ecuaciones de Maxwell",
de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo
genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del
campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede comprobar que esta
"inducción" mutua hace que las ecuaciones de Maxwell admitan una
solución en forma de onda
que se propaga desde una fuente. Esta solución teórica fue la que llevó
a postular que existirían ondas electromagnéticas y radiación
electromagnética, e incluso a postular que la propia luz era una onda electromagnética.

Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que
se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material
para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la
velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz,
con un valor de 299.792.458 m/s), y su dirección de propagación
(perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a
su vez, son perpendiculares entre sí).

Dualidad onda-corpúsculo

Artículo principal: Dualidad onda corpúsculo

Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se
puede considerar no como una serie de ondas sino como un haz o flujo de
partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que
cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

$E=h\nu \,$

donde

E

es la energía del fotón,

h

es la constante de Planck y

\nu

es la frecuencia de la onda.

Valor de la constante de Planck

{\displaystyle h=\,\,\,6.626\ 0693(11)\times 10^{-34}\ {\mbox{J}}\cdot {\mbox{s}}\,\,\,=\,\,\,4.135\ 667\ 43(35)\times 10^{-15}\ {\mbox{eV}}\cdot {\mbox{s}}}

Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda

\lambda

y la frecuencia de oscilación

\nu

están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

$c=\lambda \nu \,$

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Planck).

Véase también

Referencias

Radiación electromagnética, p. 51, en Google Libros

Enlaces externos

Las ventanas del espectro electromagnético, en Astronoo
Breve explicación de la aparición de las ondas electromagnéticas
Campos electromagnéticos y sus efectos sobre la salud, resumen elaborado por GreenFacts de un informe de la DG SANCO de la Comisión Europea
Campos electromagnéticos generados por las líneas eléctricas y efectos sobre la salud, resumen de GreenFacts de un informe de la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer
Prontuario de la radiación electromagnética
Simbología electrónica de las ondas electromagnéticas

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