16.5 El espectro electromagnético

Ondas de radio

El término ondas de radio se refiere a la radiación electromagnética con longitudes de onda superiores a unos 0,1 m. Las ondas de radio se utilizan habitualmente para las comunicaciones de audio (es decir, para las radios), pero el término se utiliza para las ondas electromagnéticas de esta gama independientemente de su aplicación. Las ondas de radio suelen ser el resultado de una corriente alterna en los cables de una antena de radiodifusión. Cubren una gama de longitudes de onda muy amplia y se dividen en muchos subrangos, como las microondas, las ondas electromagnéticas utilizadas para la radio AM y FM, los teléfonos móviles y las señales de televisión.

No existe la frecuencia más baja de las ondas de radio, pero las ondas ELF, o de "frecuencia extremadamente baja", están entre las frecuencias más bajas que se encuentran habitualmente, de 3 Hz a 3 kHz. La carga acelerada de las corrientes alternas de las líneas eléctricas produce ondas electromagnéticas en este rango. Las ondas ELF son capaces de penetrar en el agua del mar, que absorbe fuertemente las ondas electromagnéticas de mayor frecuencia, por lo que son útiles para las comunicaciones submarinas.

Para utilizar una onda electromagnética para transmitir información, se modula la amplitud, la frecuencia o la fase de la onda, o se varía de forma controlada para codificar la información deseada en la onda. En la transmisión de radio AM, la amplitud de la onda se modula para imitar las vibraciones del sonido que se transmite. El teorema de Fourier implica que la onda AM modulada equivale a una superposición de ondas que cubren un estrecho rango de frecuencias. A cada estación de AM se le asigna una frecuencia portadora específica que, por acuerdo internacional, puede variar en $\text{±5 kHz}$. En la transmisión de radio FM, la frecuencia de la onda se modula para transportar esta información, como se ilustra en la Figura 16.18, y la frecuencia de cada emisora puede utilizar 100 kHz a cada lado de su frecuencia portadora. La onda electromagnética produce una corriente en una antena receptora y la radio o la televisión procesan la señal para producir el sonido y cualquier imagen. Mientras más alta sea la frecuencia de la onda de radio utilizada para transportar los datos, mayor será la variación detallada de la onda que se puede transportar modulándola en cada unidad de tiempo, y más datos se podrán transmitir por unidad de tiempo. Las frecuencias asignadas para la radiodifusión AM son de 540 a 1600 kHz, y para la FM son de 88 MHz a108 MHz.

Figura 16.18 Las ondas electromagnéticas se utilizan para transportar señales de comunicación variando la amplitud de la onda (AM), su frecuencia (FM) o su fase.

Las conversaciones por teléfono móvil y las voces e imágenes de video de la televisión se transmiten habitualmente como datos digitales mediante la conversión de la señal en una secuencia de unos y ceros binarios. Esto permite una transmisión de datos más clara cuando la señal es débil, y permite utilizar algoritmos informáticos para comprimir los datos digitales y transmitir más datos en cada rango de frecuencia. Los datos informáticos también se transmiten como una secuencia de unos y ceros binarios, cada uno de los cuales constituye un bit de datos.

Microondas

Las microondas son las ondas electromagnéticas de más alta frecuencia que pueden ser producidas por corrientes en circuitos y dispositivos macroscópicos. Las frecuencias de las microondas oscilan entre ${10}^9\text{Hz}$ a casi ${10}^{12}\text{Hz}$. Sus altas frecuencias corresponden a longitudes de onda cortas en comparación con otras ondas de radio, de ahí el nombre de "microondas" Las microondas también se producen de forma natural como la radiación cósmica de fondo que queda desde el origen del universo. Junto con otras gamas de ondas electromagnéticas, forman parte de la radiación que emite y absorbe cualquier objeto por encima del cero absoluto a causa de la agitación térmica, es decir, del movimiento térmico de sus átomos y moléculas.

La mayor parte de la información transmitida por satélite se transmite por microondas. El radar es una aplicación común de las microondas. Al detectar y cronometrar los ecos de microondas, los sistemas de radar pueden determinar la distancia a objetos tan diversos como nubes, aviones o incluso la superficie de Venus.

Las microondas de 2,45 GHz se utilizan habitualmente en los hornos de microondas. Los electrones de una molécula de agua tienden a permanecer más cerca del núcleo de oxígeno que de los núcleos de hidrógeno (Figura 16.19). Esto crea dos centros separados de cargas iguales y opuestas, lo que da a la molécula un momento dipolar (vea Campo eléctrico). El campo eléctrico oscilante de las microondas en el interior del horno ejercen un torque que tiende a alinear cada molécula primero en una dirección y luego en la otra, con el movimiento de cada molécula acoplado a otras a su alrededor. Esto bombea energía al movimiento térmico continuo del agua para calentar los alimentos. La placa que se encuentra debajo de los alimentos no contiene agua y permanece relativamente sin calentar.

Figura 16.19 El campo eléctrico oscilante en un horno de microondas ejerce un torque sobre las moléculas de agua debido a su momento dipolar, y el par de torsión invierte su dirección $\mathrm{4,90}\times {10}^9$ veces por segundo. Las interacciones entre las moléculas distribuyen la energía que se bombea hacia ellas. Las ${\delta }^{+}$ y ${\delta }^{-}$ denotan la distribución de la carga en las moléculas.

Las microondas de un horno microondas se reflejan en las paredes del horno, de modo que la superposición de ondas produce ondas estacionarias, similares a las ondas estacionarias de una guitarra o una cuerda de violín que vibra (vea Modos normales de una onda sonora estacionaria). Un ventilador giratorio actúa como agitador al reflejar las microondas en diferentes direcciones, y las placas giratorias para alimentos, ayudan a repartir los puntos calientes.

Un teléfono móvil tiene un receptor de radio y un transmisor de radio débil, ambos pueden sintonizar rápidamente cientos de frecuencias de microondas específicamente asignadas. La baja intensidad de la señal transmitida le confiere un alcance intencionadamente limitado. Un sistema terrestre (torre celular) se enlaza con el teléfono únicamente con la torre de transmisión asignada a una pequeña área específica, llamada célula, y realiza una transición fácil de conexión a la próxima célula cuando la recepción de la señal allí es la de mayor potencia Esto permite utilizar un teléfono móvil mientras se cambia de ubicación.

Las microondas también proporcionan el WiFi que permite a los propietarios de teléfonos móviles, computadoras portátiles y dispositivos similares conectarse de forma inalámbrica a Internet en casa y en cafeterías y aeropuertos. Un rúter WiFi inalámbrico es un dispositivo que intercambia datos por internet a través del cable u otra conexión, y utiliza microondas para intercambiar los datos de forma inalámbrica con dispositivos como teléfonos móviles y computadoras. El propio término WiFi hace referencia a las normas que se siguen para modular y analizar las microondas de forma que los rúteres y dispositivos inalámbricos de distintos fabricantes funcionen de forma compatible entre sí. Los datos de la computadora en cada dirección consisten en secuencias de ceros y unos binarios, cada uno de los cuales corresponde a un bit binario. Las microondas están en el rango de 2,4 GHz a 5,0 GHz.

Otras tecnologías inalámbricas también utilizan las microondas para las comunicaciones cotidianas entre dispositivos. Bluetooth se desarrolló junto a WiFi como un estándar para la comunicación por radio en el rango de 2,4 GHz entre dispositivos cercanos, por ejemplo, para enlazar con auriculares y audífonos a dispositivos como radios, o el teléfono móvil de un conductor a un dispositivo de manos libres para poder responder a las llamadas telefónicas sin tener que manipular directamente el móvil.

Las microondas también se utilizan en el etiquetado por radio, mediante la tecnología de identificación por radiofrecuencia (radio frequency identification, RFID). Algunos ejemplos son las etiquetas de RFID adheridas a la mercancía de las tiendas, el transpondedor para el uso de las cabinas de peaje adherido al parabrisas de un automóvil o incluso un chip incrustado en la piel de una mascota. El dispositivo responde a una señal de microondas emitiendo una señal propia con información codificada, lo que permite a las tiendas registrar rápidamente los artículos en sus cajas registradoras, a los conductores cargar los peajes en su cuenta sin detenerse y a las mascotas perdidas reunirse con sus dueños. La comunicación de campo cercano (near field communication, NFC) funciona de forma similar, salvo que tiene un alcance mucho menor. Su mecanismo de interacción es el campo magnético inducido a frecuencias de microondas entre dos bobinas. Los teléfonos móviles con capacidad de NFC y el software adecuado pueden suministrar información para hacer compras mediante el teléfono móvil en vez de una tarjeta de crédito real. El corto alcance de la transferencia de datos es una característica de seguridad deseada en este caso.

Radiación infrarroja

El límite entre las regiones de microondas e infrarrojos del espectro electromagnético no está bien definido (vea la Figura 16.17). La radiación infrarroja se produce generalmente por el movimiento térmico y la vibración y la rotación de átomos y moléculas. Las transiciones electrónicas en los átomos y las moléculas también pueden producir radiación infrarroja. Aproximadamente la mitad de la energía solar que llega a la Tierra se encuentra en la región infrarroja y la mayor parte del resto en la parte visible del espectro. Aproximadamente el 23 % de la energía solar se absorbe en la atmósfera, cerca del 48 % se absorbe en la superficie de la Tierra y cerca del 29 % se refleja en el espacio.¹

La gama de frecuencias infrarrojas se extiende hasta el límite inferior de la luz visible, justo por debajo del rojo. De hecho, infrarrojo significa "por debajo del rojo" Las moléculas de agua giran y vibran especialmente bien en las frecuencias infrarrojas. Los satélites de reconocimiento pueden detectar edificios, vehículos e incluso personas por sus emisiones infrarrojas, cuya potencia de radiación es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. De forma más mundana, utilizamos las lámparas de infrarrojos, incluidas las llamadas calefactores de cuarzo, para calentarnos preferentemente porque absorbemos los infrarrojos mejor que nuestro entorno.

Los conocidos “controles remoto" para cambiar los canales y los ajustes de los televisores suelen transmitir su señal modulando un haz de infrarrojos. Si intenta utilizar el control remoto del televisor sin que el emisor de infrarrojos esté en línea de visión directa con el detector de infrarrojos, es posible que el televisor no responda. Algunos controles remoto utilizan Bluetooth en su lugar y reducen esta molestia.

Luz visible

La luz visible es el estrecho segmento del espectro electromagnético comprendido entre unos 400 nm y unos 750 nm al que responde el ojo humano normal. La luz visible se produce por las vibraciones y rotaciones de los átomos y las moléculas, así como por las transiciones electrónicas dentro de los átomos y las moléculas. Los receptores o detectores de luz utilizan en gran medida las transiciones electrónicas.

La luz roja tiene las frecuencias más bajas y las longitudes de onda más largas, mientras que la violeta tiene las frecuencias más altas y las longitudes de onda más cortas (Figura 16.20). La radiación de cuerpo negro del Sol alcanza su punto máximo en la parte visible del espectro, pero es más intensa en el rojo que en el violeta, lo que hace que el sol tenga un aspecto amarillento.

Figura 16.20 Una pequeña parte del espectro electromagnético que incluye sus componentes visibles. Las divisiones entre el infrarrojo, el visible y el ultravioleta no son perfectamente distintas, como tampoco lo son las existentes entre los siete colores del arco iris.

Los seres vivos —plantas y animales— han evolucionado para utilizar y responder a partes del espectro electromagnético en el que están inmersos. Disfrutamos de la belleza de la naturaleza a través de la luz visible. Las plantas son más selectivas. La fotosíntesis utiliza partes del espectro visible para producir azúcares.

Radiación ultravioleta

Ultravioleta significa "por encima del violeta" Las frecuencias electromagnéticas de la radiación ultravioleta (UV) se extienden hacia arriba desde el violeta, la luz visible de mayor frecuencia. El ultravioleta de mayor frecuencia se superpone con los rayos X de menor frecuencia. Las longitudes de onda del ultravioleta se extienden desde 400 nm hasta unos 10 nm en sus frecuencias más altas. El ultravioleta se produce por los movimientos atómicos y moleculares y las transiciones electrónicas.

La radiación ultravioleta del Sol se subdivide a grandes rasgos en tres rangos de longitud de onda: La UV-A (320-400 nm) es la frecuencia más baja, luego la UV-B (290-320 nm) y la UV-C (220-290 nm). La mayoría de los rayos UV-B y todos los UV-C son absorbidos por el ozono (${\text{O}}_3$) en la atmósfera superior. En consecuencia, el 99 % de la radiación UV solar que llega a la superficie de la Tierra es UV-A.

Las quemaduras solares son causadas por grandes exposiciones a los rayos UV-B y UV-C, y la exposición repetida puede aumentar la probabilidad de cáncer de piel. La respuesta del bronceado es un mecanismo de defensa en el que el cuerpo produce pigmentos en las capas inertes de la piel para reducir la exposición de las células vivas que hay debajo.

Como se examinará en un capítulo posterior, cuanto más corta es la longitud de onda de la luz, mayor es el cambio de energía de un átomo o molécula que absorbe la luz en una transición electrónica. Esto hace que la luz ultravioleta de corta longitud de onda sea perjudicial para las células vivas. También explica por qué la radiación ultravioleta es más capaz que la luz visible de provocar el brillo o la fluorescencia de algunos materiales.

Además de los efectos adversos de la radiación ultravioleta, también hay beneficios de la exposición en la naturaleza y usos en la tecnología. La producción de vitamina D en la piel es el resultado de la exposición a la radiación UV-B, generalmente de la luz solar. Varios estudios sugieren que la deficiencia de vitamina D está asociada al desarrollo de una serie de cánceres (próstata, mama, colon), así como a la osteoporosis. El ultravioleta de baja intensidad tiene aplicaciones como la de proporcionar la energía necesaria para que ciertos tintes sean fluorescentes y emitan luz visible, por ejemplo, en el dinero impreso para mostrar marcas de agua ocultas como protección contra la falsificación.

Rayos X

Los rayos X tienen longitudes de onda de aproximadamente ${10}^{\text{−}8}{\text{m a}10}^{\text{−}12}\text{m}$. Tienen longitudes de onda más cortas, y frecuencias más altas, que el ultravioleta, por lo que la energía que transfieren a nivel atómico es mayor. En consecuencia, los rayos X tienen efectos adversos sobre las células vivas similares a los de la radiación ultravioleta, pero son más penetrantes. Los rayos X pueden provocar cáncer y defectos genéticos. Debido a su efecto sobre las células que se dividen rápidamente, los rayos X también pueden utilizarse para tratar e incluso curar el cáncer.

El uso más amplio de los rayos X es para obtener imágenes de objetos opacos a la luz visible, como el cuerpo humano o las piezas de los aviones. En los seres humanos, el riesgo de daño celular se sopesa cuidadosamente frente al beneficio de la información diagnóstica obtenida.

Rayos gamma

Poco después de que se detectara la radiactividad nuclear por primera vez en 1896, se descubrió que se emitían al menos tres tipos distintos de radiación, que se designaron como rayos alfa, beta y gamma. Luego se descubrió que la radiación nuclear más penetrante, los rayos gamma ($\mathrm{rayos}$ γ), eran una onda electromagnética de alta frecuencia extrema.

El extremo inferior del rango de los rayos $\gamma \text{-}$ se superpone con el extremo superior de la gama de los rayos X. Los rayos gamma tienen características idénticas a las de los rayos X de la misma frecuencia; solo se diferencian en la fuente. El nombre "rayos gamma" se utiliza generalmente para la radiación electromagnética emitida por un núcleo, mientras que los rayos X se producen generalmente al bombardear un objetivo con electrones energéticos en un tubo de rayos X. En frecuencias más altas, los rayos $\gamma$ son más penetrantes y más dañinos para los tejidos vivos. Tienen muchos de los mismos usos que los rayos X, incluida la terapia del cáncer. La radiación gamma de los materiales radiactivos se utiliza en la medicina nuclear.