Óptica, electricidad y magnetismo

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Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Biotecnología

Licenciatura / Ingeniería en: Biotecnología

Programa de la asignatura Óptica, electricidad y magnetismo

Clave

200920414 / 190920414

ESAD

Óptica, electricidad y magnetismo

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Unidad 2. Ondas electromagnéticas

Presentación de la unidad

Una de las áreas más fascinantes, vitales y de uso muy actual de la Física, es el

Electromagnetismo. Casi todos los procesos tecnológicos, y aún así aspectos de nuestra

vida diaria, están implicados explícita o implícitamente con esta área. El ámbito de la

biotecnología no es la excepción. El electromagnetismo está presente en muchos de los

instrumentos de medición utilizados en ciertos procesos biotecnológicos; también está

siendo estudiado el efecto de éste sobre los organismos vivos tanto para su mejora, como

en lo respectivo a sus efectos negativos. De tal manera que un biotecnólogo, necesita

cada vez más para su práctica profesional, comprender y utilizar los conceptos implicados

de esta área.

Propósitos

El alumno comprenderá la necesidad de aplicar los conceptos fundamentales del

electromagnetismo en particular las ondas electromagnéticas de manera rigurosamente

científica, pero desde el punto de vista conceptual, para entender el funcionamiento de

diversos instrumentos de medición y experimentales utilizados en las áreas

biotecnológicas, lo cual posteriormente le permitirá desarrollar habilidades para la

investigación, resolución de problemas y toma de decisiones.

Competencia específica

Analizar el espectro electromagnético mediante el estudio de su fundamentación física para relacionarlo con los fenómenos luminosos y eléctricos. 2.1. Radiación y Leyes de Maxwell Cuando se habla de radiación, la mayoría de las personas asocian está palabra con procesos peligrosos o radiactivos, aunque no necesariamente esto es así, debido a que no toda la radiación es peligrosa, gran parte es inocua para los seres vivos que la han asimilado por miles de años proveniente del sol, y alguna radiación es fuente de vida, por tanto necesaria. En las siguientes secciones hablaremos de los campos electromagnéticos alternantes, donde remarcaremos la relación de las leyes de Maxwell con el electromagnetismo y como estos campos son necesarios para la transmisión y generación de las ondas electromagnéticas. Es con Hertz y su dipolo oscilante cuando se da inicio al mundo tal como lo conocemos actualmente debido que fue la base de las comunicaciones actuales basadas en las ondas electromagnéticas. También se analizará el posible efecto de estas ondas y su absorción en organismos vivos. Finalmente

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analizaremos todo el espectro electromagnético que no es más que la suma de todos los conocimientos y aplicaciones de las ondas electromagnéticas que se tiene hoy en día. 2.1.1. Campos electromagnéticos alternantes Y si el mundo no corresponde en todos los aspectos a nuestros deseos, ¿Es culpa de la ciencia o de los que quieren imponer sus deseos en el mundo? Carl Sagan. Hasta ahora nos hemos concentrado en el cómo se producen campos magnéticos por la circulación de un corriente a través de un conductor. Observamos que Oersted descubrió que por un conductor por el que circula una corriente se crea un campo magnético; más adelante Faraday comprobó que un campo magnético produce una corriente eléctrica sobre un conductor, es decir el efecto inverso. Lenz y Faraday descubrieron la inducción y la autoinducción. La ley de inducción dice que una variación del campo magnético en el tiempo, genera un campo eléctrico y la variación de este campo eléctrico en el tiempo crea un campo magnético. De manera que ambos fenómenos están indisolublemente ligados.

La explicación de estos fenómenos es a través de la aceleración y desaceleración de las cargas eléctricas. Consideremos una carga eléctrica imaginariamente aislada que vibra de un lado a otro a ciertos ciclos por segundo (frecuencia). Por definición, sabemos que la corriente no es más que el movimiento de cargas, así que bien podemos considerar el movimiento de nuestra carga imaginariamente aislada como una corriente eléctrica que cambia de dirección a la frecuencia de la carga. Por Oersted sabemos, que alrededor de esta corriente se encuentra un campo magnético, que también cambia de dirección conforme la carga lo hace. Por Faraday sabemos que un campo magnético cambiante inducirá un campo eléctrico cambiante. Ambos campos se estarán induciendo mutuamente. Así que tenemos campos eléctricos y magnéticos inducidos en una carga que vibra. Estos campos no se encuentran encerrados o localizados en un solo lugar sino que emanan hacia fuera de la carga. La intensidad de los campos inducidos depende en gran medida de la rapidez con la que se desprenden. Y no solo dependen de la rapidez de vibración del campo eléctrico, sino también del movimiento de este. Mientras mayor sea esa rapidez, mayor es el campo magnético que induce. Esta característica de los campos electromagnéticos es utilizada para enviar señales de radio y televisión por todo el mundo. Para poder enviar una onda

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electromagnética a grandes distancias es necesario utilizar un circuito oscilador RLC. Con Hertz empieza la aplicación del oscilador, el cual necesita una fuente de energía alterna.

Casi todos los físicos anteriores utilizaban fuentes de energía directa como las baterías de Alejandro Volta. Durante los años iniciales de la distribución de la electricidad, la corriente continua de Edison era el estándar para los Estados Unidos y Edison no estaba dispuesto a perder todos sus derechos de autor evidentes. La corriente continua se utilizaba para las lámparas incandescentes que eran la carga principal del día, así como para motores. De su trabajo con campos rotatorios magnéticos, Tesla inventó un sistema para la generación, la transmisión, y el empleo de corriente alterna. Él acordó con George Westinghouse para comercializar este sistema. Westinghouse antes había comprado los derechos y las patentes de sistema de polifases de Tesla y otras patentes para transformadores de corriente alterna de Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs. Edison era un experimentador pero no era ningún matemático. La corriente alterna realmente no puede ser entendida o explotada sin una orientación de física y matemática, que Tesla poseía.

La corriente directa (CD), implica un flujo de carga que fluye siempre en una sola dirección. Una batería produce corriente directa en un circuito porque sus bornes tienen siempre el mismo signo de carga. Los electrones se mueven siempre en el circuito en la

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misma dirección: del borne negativo que los repele al borne positivo que los atrae (sentido real de la corriente). Aún si la corriente se mueve en pulsaciones irregulares, en tanto lo haga en una sola dirección es CD. La corriente alterna (CA) implica un flujo de carga primero en una dirección y luego en la dirección a determinada frecuencia. Los electrones del circuito se desplazan primero en una dirección y luego en sentido opuesto, con un movimiento de vaivén en torno a posiciones relativamente fijas. Esto se consigue alternando la polaridad del voltaje del generador o de otra fuente. La popularidad de que goza la CA proviene del hecho de que la energía eléctrica en esa forma se puede transmitir a grandes distancias por medio de fáciles elevaciones de voltaje (con ayuda de los transformadores) que reducen las pérdidas de calor en los cables. Cuando circula corriente alterna (aquella que cambia de sentido de acuerdo a la frecuencia) por un conductor y esta tiene baja frecuencia, casi toda la energía llega a su destino en el circuito por el cual se conduce. Aun así, hay perdidas debido a que en todos los circuitos hay elementos inductores, capacitores y resistivos. El efecto inductor y capacitivo es importante, porque como vimos en la sección anterior es el responsable de la radiación de los campos magnéticos con la siguiente pérdida de energía debido a este hecho. No obstante a bajas frecuencias esta pérdida es mínima. A medida que la frecuencia de la corriente alterna se incrementa, se convierte en un problema el envío de esta corriente a través del conductor debido al efecto pelicular (el cual nos dice que las corrientes de alta frecuencia en un hilo conductor se limitan a circular por una capa superficial) que hace que la resistencia efectiva aumente, con las consecuentes pérdidas de energía en el conductor. También la radiación electromagnética aumenta conforme aumenta la frecuencia lo que da lugar a que gran parte de la energía sea radiada, en lugar de conducida. Como ya hemos visto, el físico británico James Clerk Maxwell estableció la teoría de las ondas electromagnéticas en una serie de artículos publicados en la década de 1860. Maxwell analizó matemáticamente la teoría de los campos electromagnéticos y afirmó que la luz visible era una onda electromagnética. Un campo eléctrico y otro magnético variables se inducen el uno al otro acoplándose juntos como una onda electromagnética que viaja a través del espacio. En 1865 Maxwell unificó las leyes de Faraday, Gauss y Ampere formando un conjunto de ecuaciones que relacionan entre sí las variaciones espaciales y temporales de la intensidad del campo eléctrico E y la inducción magnética B. Maxwell fue el primero en descubrir que así como las variaciones de un campo magnético crean un campo eléctrico, las variaciones en un campo eléctrico crean un campo magnético con lo cual agregó un nuevo elemento a la ecuación de Amper que la hace válida para cualquier tipo de circuito. Sin ese componente adicional la Ley de Amper solo es aplicable para circuitos cerrados. Las cuatro ecuaciones de Maxwell tal como las pulió Oliver Heaviside son:

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Las dos primeras ya las hemos comentado antes en secciones anteriores y corresponden a la Ley de Gauss para el campo eléctrico y a la ley de Gauss para el campo magnético. Las otras dos corresponden a la ley de Faraday-Henry y a la Ley de Amper-Maxwell modificada para que sea válida para todo circuito. Retomaremos esta última ecuación más adelante. Una onda es una vibración que se propaga. Decimos que si la vibración es perpendicular a la dirección de propagación, tendremos una onda transversal. En el caso de las ondas sonoras donde la propagación de la onda se produce en la misma dirección que la perturbación tenemos una onda longitudinal.

Representación gráfica y conveniente de una onda transversal.

Al estudiar las ondas es conveniente representarlas gráficamente para definir y analizar algunas de sus propiedades. Las ondas tienen amplitud, frecuencia, longitud de onda, momentum (cantidad de movimiento) y velocidad. Para efectos de definición generalmente trazamos la curva de la onda sobre los ejes cartesianos x, y o z, de manera que dividimos la curva en dos mitades si la vemos en un plano. Del punto medio a la parte superior la llamamos cresta, del punto medio hacia abajo le llamamos valle. Tanto a la cresta como al valle le llamamos amplitud de la onda o más brevemente amplitud de onda. Una cresta y un valle juntos forman un ciclo completo o simplemente ciclo. Si nos sentáramos cerca de un lago, tiráramos una piedra al agua y nos dedicáramos a contar las ondas que parten del punto de caída en un segundo, en un minuto o en una hora lo que estaríamos haciendo es medir la frecuencia de esta transferencia de energía, por lo que sintetizando podemos decir que la frecuencia es la

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cantidad de ondas que pasan por unidad de tiempo en un punto determinado. La frecuencia la medimos en Hertz o ciclos por segundo.

Le llamamos longitud de onda a la distancia entre dos crestas consecutivas o a la distancia entre dos valles consecutivos se mide como todas las longitudes en metros, utilizando en caso necesario los prefijos de los múltiplos y submúltiplos de esta unidad. Finalmente la velocidad, que es la rapidez con que se propaga la onda y que tiene por fórmula la siguiente: V = λ F donde, V= velocidad de la onda; λ = es la longitud de onda; F = es la frecuencia. Esta ecuación nos dice que a mayor frecuencia mayor es la velocidad de la onda, también que a mayor longitud de onda mayor velocidad de esta. Todos estos conceptos son totalmente aplicables a las ondas electromagnéticas. De hecho la frecuencia se mide en Hertz en honor a Heinrich Hertz quien demostró la existencia de las ondas de radio en 1886. Podemos observar que hay cierta interferencia de una onda con la otra, las ondas pueden superponerse de diferentes formas y formar un patrón de interferencia. Dentro de este, los efectos ondulatorios pueden incrementarse, decrecer o ser neutralizados.

Decimos que cuando coinciden las crestas de dos o más ondas (o los valles) en un patrón hay interferencia constructiva porque los efectos individuales de cada onda se

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suman y que cuando coincide la cresta de una onda con el valle de la otra hay interferencia destructiva porque ambos efectos individuales se nulifican. Las ondas electromagnéticas dada su naturaleza también sufren estos efectos de la interferencia que se observan como un mayor brillo o disminución de este.

Ecuación de onda Como hemos visto, los fenómenos ondulatorios ya se habían estudiado bastante a detalle, cuando los estudios sobre electromagnetismo apenas empezaban. Se había llegado a la conclusión de que independientemente del tipo de onda, todas las ondas obedecen a una ecuación diferencial en derivadas parciales denominada ecuación de onda que tiene la forma:

Se llama ecuación de onda porque sus soluciones representan ondas. En esta ecuación, la función de ondas y(x, t) (se lee el desplazamiento en y depende del desplazamiento en x y el tiempo transcurrido) representa la magnitud física, cuya perturbación se propaga en el espacio. Así, y(x, t) puede representar el desplazamiento del punto de equilibrio de una cuerda en ondas transversales, o la presión en una onda sonora, o el desplazamiento del campo magnético con respecto al campo eléctrico conforme la onda electromagnética viaja en el tiempo. etc. Lo que hizo Helmholtz y después de él muchos otros, fue tomar las ecuaciones de Maxwell y por medio de deducciones matemáticas llegar a la ecuación de onda para el electromagnetismo, comprobando de esta manera que la luz es una onda y que muchos fenómenos electromagnéticos también son derivados de su naturaleza ondulatoria. Todas las funciones que se utilizan en el estudio de las ondas electromagnéticas, y en general de todas las ondas satisfacen a la ecuación de onda, por lo que se dice que son soluciones de la ecuación de onda. Las ecuaciones de onda para el campo eléctrico y para el campo magnético respectivamente quedan de la siguiente manera:

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2.1.2. Radiación por dipolo oscilante A la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material le llamamos radiación. A la radiación propagada específicamente en forma de ondas electromagnéticas (Ondas de radio, televisión, microondas Rayos UV, Rayos Gamma, etc.) se llama radiación electromagnética. Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar ionización (es decir crea iones positivos o negativos) en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ionizante. Estas radiaciones ionizantes son las que son perjudiciales para los seres vivos porque pueden destruir a las células. Son radiaciones

ionizantes los Rayos X, Rayos , y Partículas , entre otros. Por otro lado, radiaciones como los Rayos UV y las ondas de radio, TV o de telefonía móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes y por lo tanto no tan perjudiciales a los seres vivos.

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A un sistema formado por dos cargas puntuales de igual magnitud (q) y de sentido opuesto (cargas opuestas una q+ y otra q-) separadas por una distancia l la llamamos dipolo eléctrico. En el caso magnético no tenemos algo llamado como carga magnética, pero si tenemos un campo magnético por lo que un dipolo magnético es una aproximación que se hace al campo generado por un circuito cuando lo vemos a cierta distancia de manera que la distancia al circuito es mucho mayor a las dimensiones del mismo y entonces pareciera que tenemos un polo norte y un polo sur magnéticos. Al ser Hertz quien demostrara de manera experimental la existencia de las ondas electromagnéticas, fue el primero en aceptar el paradigma físico de los campos electromagnéticos de Faraday y Maxwell, contrapuesto al paradigma de la acción a distancia. En palabras de Hertz: “Los resultados de los experimentos que he realizado sobre oscilaciones eléctricas rápidas me parece que confieren a la teoría Maxwelliana una superioridad sobre las otras teorías de la electrodinámica”. Dada la dificultad que existía en la demostración, Hertz concibió gradualmente la idea de que sería posible perturbar el éter, supuesto medio de propagación de ondas, y encauzar la energía de una chispa eléctrica hacia un sistema oscilante capaz de radiarla. Con una bobina parecida a lo que conocemos ahora como transformador elevador (bobina de Ruhmkorff) un interruptor de mercurio y un acumulador eléctrico, Hertz comenzó a experimentar en su laboratorio. Al poco tiempo configuró un dipolo, formado por dos varillas de cobre conectadas a la bobina de Ruhmkorff de tal manera que entre sus extremos cercanos pudiera saltar la chispa. De hecho, Hertz pensaba que había construido un transmisor. Su problema era cómo detectar las ondas que esperaba salieran de él Para resolver este problema utilizó el enfoque de Helmholtz de resonancia en acústica y lo adaptó para crear un circuito resonante de ondas electromagnéticas.

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Desde la perspectiva de campos, es decir, a partir de las ecuaciones de Maxwell; Hertz describe teóricamente (calcula y representa gráficamente) el proceso de formación de ondas electromagnéticas en torno a un dipolo oscilante, que constituye su emisor. El dipolo oscilante, también conocido como dipolo de Hertz, idealmente está formado por dos cargas eléctricas opuestas que oscilan armónicamente con cierta frecuencia a lo largo de un segmento, estando siempre simétricamente situadas respecto al centro. El orden de magnitud de la frecuencia del dipolo de Hertz era de 100 MHz, que se correspondía con la frecuencia de las oscilaciones eléctricas con las que realizó los experimentos que lo condujeron al descubrimiento de las ondas electromagnéticas. Este principio es el que se utiliza en las antenas transmisoras.

2.1.3. Absorción de radiación electromagnética Recuerde que la radiación electromagnética comprende la propagación de la energía como onda y como partícula. La aceptación completa de la transmisión de la energía como partícula empezó con el efecto fotoeléctrico y la mecánica cuántica. Uno de los científicos líderes en la mecánica cuántica fue Planck. En 1900 Planck encontró que la energía de la radiación electromagnética resultaba proporcional a la frecuencia: Energía =

h (constante de Planck) (frecuencia).

ε= h. De aquí se desprende que la energía es mayor conforme la frecuencia es mayor. A mayor energía mayor frecuencia. Para que la frecuencia sea mayor, la longitud de onda tiene que ser más pequeña, por lo que a mayor frecuencia, menor longitud de onda. Finalmente puede deducirse que a mayor energía menor longitud de onda que es lo que ocurre con las frecuencias muy altas. Todas las ondas electromagnéticas son capaces de atravesar los organismos vivos. Atraviesan muchos medios y la mayoría son inofensivas, dado que constantemente también recibimos radiación electromagnética proveniente del sol, aunque gran parte de esta es filtrada por el campo magnético terrestre y las capas de la ionósfera. Pero algunas ondas electromagnéticas, especialmente las que poseen frecuencias muy altas pueden resultar peligrosas para la salud de los diferentes organismos porque son absorbidas por estos produciendo diferentes efectos.

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Recuerda que la radiación ionizante es aquella que tiene tal cantidad de energía que puede crear iones positivos y negativos y por lo tanto destruir células de diferentes organismos. Esto se ha estudiado con detenimiento y se ha llegado a la conclusión que no hay efectos nocivos en células vivas que tengan corrientes electromagnéticas con valores débiles cercanos a los 0.1mT (mili Teslas, siendo el Tesla la unidad de medida del campo electromagnético). Sin en cambio puede haber efectos dañinos a valores superiores a los 400 mT que incluyen daños en el material genético. Por esta razón existen estudios técnicos de protección y legislación al respecto, para protección de los seres vivos. Por ejemplo, a personas que posean dispositivos cardiacos en el corazón, se les aconseja no trabajar en siderúrgicas, ni en centrales de producción y distribución de energía eléctrica. No exponerse de manera prolongada a las alarmas antirrobo o detectores de metal. También hay consejos sobre blindajes a teléfonos móviles, el dispositivo de manos libres. Es aconsejable no exponerse de manera innecesaria y prolongada a diferentes fuentes de energía electromagnética (alta tensión). También existen estudios que nos dicen que las ondas electromagnéticas de muy baja frecuencia, (0.5 a 18 Hz) parecen favorecer la regeneración de fibras nerviosas amputadas estimulando la cicatrización de injertos y heridas, incluso en heridas infectadas y en general aceleran los procesos de curación de las heridas. La radiación de ondas electromagnéticas también se ha utilizado ampliamente en medicina para diagnóstico, como en las Imágenes por Resonancia Magnética (IRM). Una La IRM se basa en la capacidad de algunos núcleos para absorber ondas de radiofrecuencia cuando son sometidos al efecto de un campo magnético. Dicha capacidad genera una señal que es detectada por un receptor y tratada en un ordenador de manera similar a como lo hace la Tomografía Axial Computarizada (TAC) para producir imágenes.

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Respecto a otras técnicas como los rayos X y la TAC, se usa cada vez más por sus ventajas, como permitir cortes más finos, y en varios planos, ser más sensible para demostrar accidentes vasculares cerebrales, tumores y otras patologías, y no utilizar radiaciones ionizantes. Como desventajas tiene su mayor coste económico, el prolongado tiempo para obtener las imágenes y el tener que excluir a portadores de marcapasos y otros objetos extraños intracorpóreos. Las imágenes que vemos con la RMN (Resonancia Magnética Nuclear) o IRM (Imagen por Resonancia Magnética) se realizan mediante cortes según los 3 planos en que dividimos el cuerpo humano.

ACTIVIDAD 1. ¿Qué “onda” con la luz?

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Lee con atención el artículo científico: Factores Geológicos Relacionados con Problemas de la Salud; a continuación dirígete al foro:

1. Ejemplifica y justifica con argumentos en el foro lo que podría considerarse según tu apreciación y evaluación como:

a). una zona –geopatógena- en el sentido de radiaciones electromagnéticas por causas geológicas en la ciudad o región donde vives, idenifica la fuente b) geopatógena por radiación electromagnética de una fuente de otra naturaleza, la cual deberas de identificar

2. Describe qué manera pueden impactar en los seres vivos y organismos argumentando según los estudios y casos que presenta el artículo.

Argumenta y justifica tus afirmaciones, procura retroalimentar las aportaciones de otros compañer@s justificando porqué estás de acuerdo o no con su aportación.

2.1.4. El espectro electromagnético Anteriormente ya habíamos comentado que las ondas tienen como una de sus características a la longitud de onda y la habíamos definido como la distancia entre dos crestas consecutivas o a la distancia entre dos valles consecutivos se mide como todas las longitudes en metros, utilizando en caso necesario los prefijos de los múltiplos y submúltiplos de esta unidad. También ya habíamos comentado que otra característica importante de las ondas era su frecuencia o número de ciclos por segundo. Pues bien, se ha observado y experimentado que las ondas electromagnéticas vienen en una amplia gama de frecuencias y longitudes de onda. Para fines prácticos podemos clasificar estas ondas en un amplio espectro electromagnético.

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Esta clasificación también ha sido derivada del uso que poco a poco se le han dado a las ondas electromagnéticas. A medida que se desarrollaron usos prácticos de estas regiones del espectro, adquirieron nombre comunes, como "rayos X". Las ondas de longitud más largas pronosticadas por la teoría de Maxwell eran de más de un metro. Esta banda del espectro electromagnético es conocida como radio ondas. Las ondas electromagnéticas de longitud más corta se llaman rayos gamma, y tienen ondas de longitud menores de 10 picómetros (10-12 metros un trillón más cortas que las radio ondas).

Entre estos dos extremos yace una pequeña banda de longitud de ondas que va de 400 a 700 (10-9) nanómetros. La radiación electromagnética (término que solo significa que es energía electromagnética) en esta gama es lo que llamamos "luz", y es como cualquier conjunto de ondas electromagnéticas. Lo único particular de esta porción del espectro electromagnético es que la mayoría de la radiación producida por el sol y que penetra el campo magnético terrestre cae en esta gama.

Debido a que los humanos se desarrollaron en la Tierra con la presencia del Sol, no es accidental que nuestros propios instrumentos biológicos para recibir radiación electromagnética evolucionaran para poder recibir esta gama de longitud de ondas. Las radiaciones electromagnéticas que tienen longitudes de onda comprendidas entre 1 y 100 unidades X (nueva unidad utilizada para medir radiaciones letales) (diez mil

millonésimas de milímetro 10m) poseen propiedades entre las cuales figura la posibilidad de penetrar metales densos o destruir los tejidos humanos. A medida que aumentan las longitudes de onda en millares de unidades X, las radiaciones cambian, pasando de rayos gamma y rayos X «duros» hasta la radiación X «suave», rayos que poseen potencia menos penetrante y de reducidos efectos mortales, por lo cual se utilizan en medicina. Las longitudes de onda más largas suelen calibrarse en unidades Angstrom o milimicras (10-10 m). La radiación electromagnética dentro de la estrecha franja comprendida entre 4.000Å (Angstroms) y 7.000Å (Angstroms) tiene la capacidad de estimular la retina que hay en el fondo de nuestros ojos, dándonos la sensación de luz. De ahí que tal radiación se conozca con el nombre de luz visible.

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Fotografía de luz ultravioleta

Fotografía de luz infrarroja.

La radiación con longitudes de onda superiores a unos 50Å hasta 4.000Å tiene poca capacidad de penetración, y, en cambio, posee la posibilidad de blanquear colorantes y producir «fluorescencia» en algunas sustancias. Esta radiación electromagnética se conoce con el nombre de ultravioleta. A partir de 7.000Å y hasta una longitud de onda de 1/10 mm, la radiación ya no estimula al ojo, sino que se hace cada vez más sensible a la piel en forma de sensación de calor. Se conoce con el nombre de radiación infrarroja y de calor radiante.

Más allá de 1 cm de longitud de onda, la radiación va cambiando gradualmente de naturaleza hasta adquirir la forma que se utiliza en el radar. Esta radiación sólo puede percibirse mediante equipo electrónico, si bien algunas de las radiaciones de radar de mayor longitud de onda pueden ser perjudiciales para los tejidos humanos. Es peligroso acercarse a un potente disco transmisor de radar. La radiación de longitudes de ondas superiores a 10 m se emplea progresivamente como ondas de radio cortas, medias y largas.

Otros organismos han desarrollado órganos sensoriales que están sintonizados a diferentes partes del espectro. Por ejemplo, los ojos de las abejas y otros insectos son sensibles a la porción ultravioleta del espectro (así, no es una coincidencia que muchas flores reflejen luz ultravioleta porque una flor tiene éxito cuando el insecto puede observarla), y estos insectos usan radiación UV para ver. Sin embargo, puesto que el sol emite primordialmente ondas electromagnéticas en la región de luz "visible", la mayoría de los organismos han evolucionado de manera que puedan usar esta radiación en vez de

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ondas radio o gama u otra. Por ejemplo, las plantas usan esta región del espectro electromagnético en la fotosíntesis.

Bandas del espectro electromagnético.

Banda Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Energía (J)

Rayos gamma < 10 pm > 30,0 EHz > 20·10−15 J

Rayos X < 10 nm > 30,0 PHz > 20·10−18 J

Ultravioleta extremo < 200 nm > 1,5 PHz > 993·10−21 J

Ultravioleta cercano < 380 nm > 789 THz > 523·10−21 J

Luz Visible < 780 nm > 384 THz > 255·10−21 J

Infrarrojo cercano < 2,5 µm > 120 THz > 79·10−21 J

Infrarrojo medio < 50 µm > 6,00 THz > 4·10−21 J

Infrarrojo lejano/submilimétrico < 1 mm > 300 GHz > 200·10−24 J

Microondas < 30 cm > 1 GHz > 2·10−24 J

Ultra Alta Frecuencia - Radio < 1 m > 300 MHz > 19.8·10−26 J

Muy Alta Frecuencia - Radio < 10 m > 30 MHz > 19.8·10−28 J

Onda Corta - Radio < 180 m > 1,7 MHz > 11.22·10−28 J

Onda Media - Radio < 650 m > 650 kHz > 42.9·10−29 J

Onda Larga - Radio < 10 km > 30 kHz > 19.8·10−30 J

Muy Baja Frecuencia - Radio > 10 km

Debido al uso que le damos constante al espectro electromagnético de manera comercial para comunicaciones, es interesante y útil conocer una clasificación aún más explícita y mejor desmenuzada de las radiofrecuencias. Los rangos se abrevian con sus siglas en inglés.

Nombre Abreviatura inglesa

Banda ITU

Frecuencias Longitud de onda

Inferior a 3 Hz > 100.000 km

Extra baja frecuencia Extremely low frequency

ELF 1 3-30 Hz 100.000 km – 10.000 km

Super baja frecuencia Super low frequency

SLF 2 30-300 Hz 10.000 km – 1000 km

Ultra baja frecuencia Ultra low frequency

ULF 3 300–3000 Hz 1000 km – 100 km

Muy baja frecuencia Very low frequency

VLF 4 3–30 kHz 100 km – 10 km

Baja frecuencia Low frequency

LF 5 30–300 kHz 10 km – 1 km

Media frecuencia Medium frequency

MF 6 300–3000 kHz 1 km – 100 m

Alta frecuencia High HF 7 3–30 MHz 100 m – 10 m

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frequency

Muy alta frecuencia Very high frequency

VHF 8 30–300 MHz 10 m – 1 m

Ultra alta frecuencia Ultra high frequency

UHF 9 300–3000 MHz 1 m – 100 mm

Super alta frecuencia Super high frequency

SHF 10 3-30 GHz 100 mm – 10 mm

Extra alta frecuencia Extremely high frequency

EHF 11 30-300 GHz 10 mm – 1 mm

Por encima de los 300 GHz

< 1 mm

También es importante últimamente, con el advenimiento de los hornos de microondas, de la transmisión de datos vía microondas y otros dispositivos como los celulares en nuestras casas, conocer la división artificial y comercial de las microondas que son frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz. Estas frecuencias abarcan parte del rango de UHF y todo el rango de SHF y EHF.

Banda P L S C X Ku K Ka Q U V E W F D

Inicio(GHz) 0.2 1 2 4 8 12 18 26.5 30 40 50 60 75 90 110

Final (GHz)

1 2 4 8 12 18 26.5 40 50 60 75 90 110 140 170

ACTIVIDAD 2. ¿Vemos todos la misma luz? Lee el artículo que se te proporciona en PDF llamado: Fotobiología Cutánea; y a continuación:

1. Busca y considera información similar que a tu juicio sea relevante o trascendente acerca de la interacción entre, la luz en longitudes de onda fuera del intervalo de luz visible del ojo humano, y los organismos vivos tanto microscópico como a escala humana; la radiación luminosa puede ser de elevada, de media o baja energía. 2. En la información que obtengas debe exponerse los resultados de dichas interacciones los cuales pueden ser positivos o negativos.

Sube dicha información a la base de datos, espera y lee las contribuciones de otros compañeros, selecciona de todas ellas la contribución que más te haya interesado y pide a tu compañero que justifique porqué se trata de un ejemplo de interacción de radiaciones electromagnéticas con tejidos vivos o con células o microorganismos y porque ha considerado relevante dicho artículo.

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2. 2. Radiaciones electromagnéticas 2.2.1. Radiación por desaceleración de cargas Cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia. Arthur C. Clarke. Imagine a un chico llamado Wilhelm, que estudia en una Escuela Técnica de Utrecht a quien se le acusa injustamente de haber hecho la caricatura de uno de sus profesores. El chico alega que él no fue el autor de dicha caricatura, pero su defensa no es creída, por lo que es expulsado de dicha escuela. Muchos años después, ya adulto la misma escuela lo invita a pertenecer a su planta de profesores pero él cortésmente se niega. El nombre completo del chico es Wilhelm Conrad Röntgen el descubridor de los rayos X y uno de los científicos más notables del siglo XIX y principios del XX.

El 8 de noviembre de 1895, cuando se encontraba experimentando el poder de penetración de los rayos catódicos, Röntgen observó que una placa de cartón cubierta de cristales de platino-cianuro de bario, emitía una fluorescencia. Ésta desaparecía cuando desconectaba la corriente. Röntgen como buen científico disciplinado, siguió repitiendo el experimento porque necesitaba obtener más datos para poder aventurarse a emitir una hipótesis que explicara el fenómeno (alguna vez resumió su forma de pensar en la frase: "Yo no pienso, investigo"). Pronto descubrió que esos rayos que llamó "X"; (también conocidos como rayos Röntgen) atravesaban distintos tipos de materiales como papel, madera, una delgada lámina de aluminio y otros a excepción del plomo. También se dio cuenta de que al sostener un aro de plomo con sus dedos, no sólo veía el aro sino también los huesos de su mano. Se le ocurrió que podía "imprimir" la imagen en una placa fotográfica. Fue así como hizo la primera radiografía. El 28 de diciembre de 1895 entregó el trabajo "Sobre una nueva clase de rayos. Comunicación preliminar". Se publicó en pocos días y envió separatas a todos sus amigos. Prácticamente en un reducido espacio de tiempo la noticia apareció en todos los periódicos. En febrero de 1896 Röntgen tomó

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una radiografía de un brazo fracturado y la mandó al British Medical Journal para probar el extraordinario poder diagnóstico de su hallazgo. Como es relativamente fácil producir los rayos X, en el tiempo de Röntgen, pronto se popularizaron en los comercios y lugares públicos de la época, siendo utilizados de forma banal, hasta que se dieron cuenta de su peligro. Entonces se restringió su uso a la medicina. Importantes empresas pretendieron obtener la patente para producir aparatos de rayos X, entre ellas la empresa de Edison. Sin embargo, era tradición en la universidad alemana que los descubrimientos de los profesores pertenecían a la humanidad y no debían ser ni controlados, ni patentados, ni limitados. Los hallazgos de Röntgen, abrieron un extraordinario campo en medicina; pronto fueron un instrumento de diagnóstico de gran importancia y dieron lugar al desarrollo de una ciencia y una práctica radiológica. ¿Cuál es la explicación científica de los rayos X? Los Rayos X se originan cuando los electrones (carga eléctrica) inciden con muy alta velocidad sobre la materia y son desacelerados repentinamente. Se produce así la radiación X, de muy distintas longitudes de onda ("espectro continuo"), debido a la diferente velocidad de los electrones al chocar. Si la energía del bombardeo de electrones es mayor todavía, se producirá otro tipo de radiación, cuyas características dependerán del material del blanco ("radiación característica").La diferente longitud de onda de la radiación, como sabes, es determinada por la cantidad de energía de los rayos X (ondas electromagnéticas): cuanto menor es la longitud de onda, la radiación tiene más energía, y tiene mayor poder de penetración.

Propiedades de los rayos X: Poder de penetración: los rayos X tienen la capacidad de penetrar en la materia. Efecto luminiscente: los rayos X tienen la capacidad de que al incidir sobre ciertas sustancias, éstas emitan luz (fotones, la luz como partícula). Efecto fotográfico: los rayos X tienen la capacidad de producir el ennegrecimiento de las emulsiones fotográficas, una vez reveladas y fijadas éstas. Esta es la base de la imagen radiológica Efecto ionizante: los rayos X tienen la capacidad de ionizar los gases (Ionización: acción de eliminar o añadir electrones en los átomos para crear iones positivos y negativos). Efecto biológico: son los efectos más importantes para el hombre, y se estudian desde el aspecto beneficioso para el ser humano en la Radioterapia, y desde el negativo, intentando conocer sus efectos perjudiciales, en la Protección Radiológica.

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Un tubo de rayos X y una pantalla luminosa, son los dos componentes más importantes de equipo de diagnóstico radiográfico. El objeto de estudio es colocado entre la fuente de rayos y la pantalla. Cuanto más denso sea el material, más radiación absorbe. La imagen del objeto que aparece en la pantalla (por ejemplo un hueso) es oscura. 2.2.2. Radiación sincrotrónica La radiación sincrotónica no es más que la radiación electromagnética emitida por electrones a velocidades cercanas a la velocidad de la luz que viajan a lo largo de las líneas de un campo magnético. Maxwell había predicho a mediados del siglo XIX que una partícula cargada (por ejemplo, un electrón), moviéndose a una velocidad elevada debería emitir parte de su energía cinética en forma de radiación electromagnética. Este efecto es notable en los aceleradores de partículas conocidos como sincrotrones. Llegado un cierto momento la energía cinética ganada por los electrones, a medida que son acelerados iguala a la energía que pierden por radiación.

Los aceleradores de partículas como productores de “Luz” de Alta Energía.

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Las partículas cargadas emiten luz cuando ellas son obligadas a tener una trayectoria curva en el acelerador. Esta luz de alta energía puede ser usada para explorar y modificar la estructura superficial de la materia. Las partículas cargadas que cruzan un campo magnético son aceleradas y por eso emiten fotones. Este efecto fue inicialmente observado en los aceleradores sincrotrónicos y fue llamada radiación sincrotrónica. Al acrecentar la curvatura del sincrotrón y la energía de la partícula, la pérdida de energía más grande ocurre debido a la radiación sincrotrónica. Esto a menudo es un gran problema cuando se diseña un acelerador de muy alta energía. Sin embargo, la radiación sincrotrónica sondea de manera excelente las estructuras superficiales de la materia y es una herramienta en la producción de la microelectrónica moderna. Hoy en día, la molesta pérdida de energía dentro de los aceleradores circulares ha sido investigada dentro de un campo dinámico del desarrollo técnico y de investigación. Este mismo efecto es el responsable de la radiación emitida por un púlsar. Los electrones

de su atmósfera, acelerados hasta alcanzar velocidades relativistas, son conducidos a lo largo de las líneas del intensísimo campo magnético de la estrella y sólo pueden escapar a través de los polos magnéticos. Los electrones emiten parte de su energía en forma de radiación electromagnética (la radiación sincrotónica), por lo que se observa una emisión de radiación procedente de ambos polos del púlsar, lo que dada la elevada velocidad de rotación de un astro de este tipo produce una especie de faro cósmico.

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ACTIVIDAD 3. El secreto de los rayos X

1. Investiga cuales son las secciones o partes que componen un –generador de Rayos X- como los que se usan en medicina u odontología. 2. Describe y esquematiza las partes principales y en particular explica cómo funciona el generador de Rayos X, poniendo especial atención en la producción de un tipo de luz de una sola longitud de onda (Rayos X). 3. Busca y muestra diferentes imágenes obtenidas (fotos) con luz de diferentes tipos: Rayos X, Infrarroja, o ultravioleta, láser. Escribe un informe en el cual describas que avances se han producido en las ciencias debido a la utilización de imágenes producidas por tipos de luz -de una sola longitud de onda-, diferentes a la visible (luz blanca)

2.2.3. Guías de ondas y caracterización Cuando circula corriente alterna (aquella que cambia de sentido de acuerdo a la frecuencia) por un conductor y esta tiene baja frecuencia, casi toda la energía llega a su destino en el circuito por el cual se conduce. Aun así, hay perdidas debido a que en todos los circuitos hay elementos inductores, capacitores y resistivos. El efecto inductor y capacitivo es importante, porque como vimos en la sección anterior es el responsable de la radiación de los campos magnéticos con la siguiente pérdida de energía debido a este hecho. No obstante a bajas frecuencias esta pérdida es mínima. A medida que la frecuencia de la corriente alterna se incrementa, se convierte en un problema el envío de esta corriente a través del conductor debido al efecto pelicular (el cual nos dice que las corrientes de alta frecuencia en un hilo conductor se limitan a circular por una capa superficial) que hace que la resistencia efectiva aumente, con las consecuentes pérdidas de energía en el conductor. También la radiación electromagnética aumenta conforme aumenta la frecuencia lo que da lugar a que gran parte de la energía sea radiada, en lugar de conducida.

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A frecuencias superiores al límite de la región inferior de las microondas, estos efectos descartan completamente el empleo práctico de conductores sencillos para el transporte de la energía eléctrica. Una solución para este problema es el empleo del cable coaxial. La energía es transmitida en forma de ondas electromagnéticas que pasan por el espacio existente entre los dos conductores que usualmente tiene un dieléctrico de soporte. La energía no escapa debido a que no puede atravesar el conductor más externo.

El problema con el cable coaxial es que el material dieléctrico que sirve de soporte al conductor interno a una frecuencia muy elevada presenta pérdidas, es decir; absorbe parte de las ondas electromagnéticas. Para las frecuencias de microondas más altas existe una solución mejor al cable coaxial. Se emplean guías de ondas huecas, que son como los cables coaxiales pero sin conductor interno. Una guía de onda puede ser definida como una estructura destinada a la propagación dirigida y acotada de ondas electromagnéticas. El medio dieléctrico en que esto se produce está limitado, ya sea por un material conductor, (para microondas y radiofrecuencia) o por otro dieléctrico (para frecuencias ópticas). Desde el punto de vista geométrico las formas más comunes aunque no únicas tienen secciones rectangulares o cilíndricas. La guía de onda es un medio de comunicación muy usado, el cual opera en el rango de las frecuencias comúnmente llamadas microondas (ver tabla al final del apartado 2.1.4). Su construcción es de material metálico, 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 pérdidas en la señal bajo condiciones de muy alta potencia como el caso desde una antena de microondas al receptor/transmisor de radio frecuencia. Las aplicaciones típicas de este medio es en las centrales telefónicas para bajar/subir señales provenientes de antenas de satélite o estaciones terrenas de microondas.

Sistemas de transmisión

de microondas

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ACTIVIDAD 4. Rebotes y rebotes Lee los artículos que se te proporcionan: Algunos aspectos relevantes de la dualidad analógico-digital de las telecomunicaciones; y Programa nacional de nanotecnología en Taiwan; a continuación:

1. Investiga y describe de forma básica el método o técnica de colocación de información en una señal de luz (láser) y en una onda electromagnética (modulación). 2. Muestra gráficamente (con imágenes) cómo se utiliza este sistema en el transporte de información por microondas y por laser a través de una guía de ondas. 3. Explica casos y aplicaciones experimentales valiosas o en proceso de desarrollo en biología, biotecnología o en medicina.

Entrega una composición de texto en archivo de texto o presentación electrónica con la complementación en imágenes y diagramas.

EVIDENCIA DE APRENDIZAJE. ¿Cómo funciona la cromatografía de gases? Construye un mapa conceptual que proporcione una descripción a detalle de:

1. Proceso y fenómenos que aplica el cromatógrafo de gases con énfasis en el aspecto de absorción de energía luminosa y la correspondiente emisión de radiación electromagnética de los átomos del compuesto que se está analizando. 2. Su relación con el espectro electromagnético para lograr un análisis exacto para cualquier tipo de sustancia orgánica.

Conoce dónde encontrar la información y cómo utilizarla. Ese es el secreto del éxito”.

Instalaciones de fibra óptica

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Albert Einstein

Para saber más La página siguiente está muy interesante y posee animaciones para la comprensión de los rayos X y otro tipo de partículas. http://www.nobelprize.org/educational/physics/x-rays/index.html Para observar una galería de imágenes de diferentes lámparas o tubos de rayos vaya al siguiente enlace: http://www.xraylamp.webd.pl/?pl_galeria,8 Actualmente hay un museo en honor de Röentgen en la siguiente dirección: http://www.roentgenmuseum.de/index.php?id=4. Una simulación de lo que ocurre con los patrones de interferencia constructiva y destructiva se puede ver en la siguiente simulación: http://www.dav.sceu.frba.utn.edu.ar/homovidens/cmem_generico/baissetto/proyecto%20final/wave-interference_es.jnlp Para observar una animación de un sincrotrón vea el siguiente enlace: http://www.nobelprize.org/educational/physics/accelerators/ Para ver una animación de como la luz de un sincrotrón es producida vea la siguiente animación: http://www.esrf.eu/AboutUs/GuidedTour/Anim2

Autorreflexiones Además de enviar tu trabajo de la Evidencia de aprendizaje, es importante que ingreses al foro Preguntas de Autorreflexión y consultes las preguntas que tu Facilitador(a) presente, a partir de ellas, debes elaborar tu Autorreflexión en un archivo de texto. Y posteriormente enviar tu archivo mediante la herramienta Autorreflexiones.

Cierre de la unidad En esta unidad has adquirido conocimientos acerca de los fundamentos de las ondas electromagnéticas y sus fenómenos todos vinculados directamente con la electricidad, así como de los campos eléctricos y magnéticos; una vez que has adquirido y asimilado estos conceptos es posible profundizar en fenómenos consecuentes de la interacción de la radiación electromagnética con la materia orgánica e inorgánica en la biología y biotecnología. En esta Unidad 2. Ondas electromagnéticas se extienden las ideas de campo electromagnético a un fenómeno causado por la presencia en el espacio de los mismos campos, produciendo con ello las ondas electromagnéticas y consecuentemente los fenómenos que causan algunos aspectos tecnológicos y experimentales; además de la forma en que dichas ondas afectan también a los seres vivos y los microorganismos.

Fuentes de consulta Básicas

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Arboledas, David. (2010). Electricidad básica. Starbook

Braun, Eliezer. (2009). Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología. FCE

Portal Wiki Laplace. Ley de Gauss para el campo magnético. Consultado en octubre de 2011, y disponible en: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ley_de_Gauss_para_el_campo_magn%C3%A9tico

Sears, Francis. (2009). Física universitaria vol. 1. Pearson

Serway, Raymond A. (2009). Física electricidad y magnetismo. Cengage Learning

Serway, Raymond A. (2009). Física para ciencias e ingenierías con física moderna. Vol. 2 Cengage Learning

Tipler, Paula. (2010). Física para la ciencia y la tecnología. Vol. 2: Electricidad y magnetismo/luz. Reverte

Complementarias

Varela, María Paloma. (2000). Electricidad y magnetismo. Sintesis 2

Vecchione, Glen. (2002). Experimentos sencillos con la electricidad. Oniro

Dimmag. Glosario. Consultado en octubre de 2011, se encuentra disponible en: http://dimmagltda.com/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=41&Itemid=80