Download - FISICA 3.ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
*ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
INTRODUCCION
El espectro electromagnético es la distribución energética del conjunto de las ondas
electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente
espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de
absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a
una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de
permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste, como la longitud de onda, la
frecuencia y la intensidad de la radiación1.
CONCEPTOS BÁSICOS
Frecuencia
La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número
determinado de veces durante un segundo de tiempo, tal como se puede observar en la siguiente
ilustración2:
A.- Onda senoidal de un ciclo o hertz (Hz) por segundo. B.- Onda senoidal de 10 ciclos o hertz por segundo.
La frecuencia de esas ondas del espectro electromagnético se representan con la letra ( f ) y su
unidad de medida es el ciclo o hertz (Hz) por segundo.
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Longitud de Onda
Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del espectro
electromagnético poseen picos o crestas, así como valles o vientres. La distancia horizontal
existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, o también el doble de la distancia
existente entre un nodo y otro de la onda electromagnética, medida en múltiplos o submúltiplos del
metro (m), constituye lo que se denomina “longitud de onda”.
P.- Pico o cresta: valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal del
espectro. electromagnético, cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor aumenta o
disminuye a medida que. la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece
positivamente por encima del valor "0".
V.- Valle o vientre: valor máximo de signo negativo (–) que toma la onda senoidal del
espectro. electromagnético, cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el punto “0”. .
El valor de los valles. aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia
onda crece o decrece negativamente por. debajo del valor "0".
T.- Período: tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos valles
por un mismo. punto.
N.- Nodo: Valor "0" de la onda senoidal.
La longitud de una onda del espectro electromagnético se representa por medio de la letra griega
lambda y su valor se puede hallar empleando la siguiente fórmula matemática:
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De donde:
= Longitud de onda en metros.
c = Velocidad de la luz en el vacío (300 000 Km./seg.).
f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz).
ANTECEDENTES
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ESPECTRO DE EMISION Y ABSORCION
Espectro de emisión: Son aquellos que se obtienen al descomponer las radiaciones
emitidas por un cuerpo previamente excitado. Pueden ser continuos ó discontinuos.
Los espectros de emisión continuos se obtienen al pasar las radiaciones de
cualquier sólido incandescente por un prisma. Todos los sólidos a la misma
Temperatura producen espectros de emisión iguales.
Espectro continúo de la luz blanca
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Los espectros de emisión discontinuos se obtienen al pasar la luz de vapor o gas
excitado. Las radiaciones emitidas son características de los átomos excitados.4
Espectro de emisión de vapores de Li
Espectro de absorción: Son los espectros resultantes de intercalar una determinada
sustancia entre una fuente de luz y un prisma. Pueden ser continuos ó discontinuos
Los espectros de absorción continuos se obtienen al intercalar el sólido entre el
foco de radiación y el prisma. Así, por ejemplo, si intercalamos un vidrio de color
azul quedan absorbidas todas las radiaciones menos el azul.
Los espectros de absorción discontinuos se producen al intercalar vapor o gas
entre la fuente de radiación y el prisma. Se observan bandas o rayas situadas a la
misma longitud de onda que los espectros de emisión de esos vapores o gases.
Espectro de absorción de vapores de Li
Se cumple así la llamada ley de Kirchhoff, que dice: Todo cuerpo absorbe las
mismas radiaciones que es capaz de emitir.
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CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Las ondas electromagnéticas cubren una amplia gama de frecuencias o de longitudes de ondas y
pueden clasificarse según su principal fuente de producción. La clasificación no tiene límites
precisos5.
Región del espectro Intervalo de frecuencias (Hz)
Radio-microondas 0-3.0·1012
Infrarrojo 3.0·1012-4.6·1014
Luz visible 4.6·1014-7.5·1014
Ultravioleta 7.5·1014-6.0·1016
Rayos X 6.0·1016-1.0·1020
Radiación gamma 1.0·1020-….
El espectro electromagnético se puede organizar de acuerdo con la frecuencia correspondiente de
las ondas que lo integran, o de acuerdo con sus longitudes. Hacia un extremo del espectro se
agrupan las ondas más largas, como las correspondientes a frecuencias de sonidos que puede
percibir el oído humano, mientras que en el otro extremo se agrupan las ondas extremadamente más
cortas, pero con mayor energía y mayor frecuencia en hertz, como las pertenecientes a las
radiaciones gamma y los rayos cósmicos.
En la siguiente ilustración se puede observar la distribución de las ondas dentro del espectro
electromagnético5.
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CARACTERÍSTICAS DE LAS DISTINTAS REGIONES DEL ESPECTRO
Radiofrecuencia
En radiocomunicaciones, los rangos se abrevian con sus siglas en inglés. Los rangos son:
Frecuencias extremadamente bajas: Llamadas ELF (Extremely Low Frequencies), son
aquellas que se encuentran en el intervalo de 3 a 30 Hz. Este rango es equivalente a aquellas
frecuencias del sonido en la parte más baja (grave) del intervalo de percepción del oído
humano. Cabe destacar aquí que el oído humano percibe ondas sonoras, no
electromagnéticas, sin embargo se establece la analogía para poder hacer una mejor
comparación.
Frecuencias superbajas: SLF (Super Low Frequencies), son aquellas que se encuentran en
el intervalo de 30 a 300 Hz. En este rango se incluyen las ondas electromagnéticas de
frecuencia equivalente a los sonidos graves que percibe el oído humano típico.
Frecuencias ultrabajas: ULF (Ultra Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de 300
a 3000 Hz. Este es el intervalo equivalente a la frecuencia sonora normal para la mayor
parte de la voz humana.
Frecuencias muy bajas: VLF, Very Low Frequencies. Se pueden incluir aquí las
frecuencias de 3 a 30 kHz. El intervalo de VLF es usado típicamente en comunicaciones
gubernamentales y militares.
Frecuencias bajas: LF, (Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de 30 a 300 kHz.
Los principales servicios de comunicaciones que trabajan en este rango están la navegación
aeronáutica y marina.
Frecuencias medias: MF, Medium Frequencies, están en el intervalo de 300 a 3000 kHz.
Las ondas más importantes en este rango son las de radiodifusión de AM (530 a 1605 kHz).
Frecuencias altas: HF, High Frequencies, son aquellas contenidas en el rango de 3 a 30
MHz. A estas se les conoce también como "onda corta". Es en este intervalo que se tiene
una amplia gama de tipos de radiocomunicaciones como radiodifusión, comunicaciones
gubernamentales y militares. Las comunicaciones en banda de radioaficionados y banda
civil también ocurren en esta parte del espectro.
Frecuencias muy altas: VHF, Very High Frequencies, van de 30 a 300 MHz. Es un rango
popular usado para muchos servicios, como la radio móvil, comunicaciones marinas y
aeronáuticas, transmisión de radio en FM (88 a 108 MHz) y los canales de televisión del 2
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al 12 [según norma CCIR (Estándar B+G Europa)]. También hay varias bandas de
radioaficionados en este rango.
Frecuencias ultraaltas: UHF, Ultra High Frequencies, abarcan de 300 a 3000 MHz,
incluye los canales de televisión de UHF, es decir, del 21 al 69 [según norma CCIR
(Estándar B+G Europa)] y se usan también en servicios móviles de comunicación en tierra,
en servicios de telefonía celular y en comunicaciones militares.
Frecuencias superaltas: SHF, Super High Frequencies, son aquellas entre 3 y 30 GHz y
son ampliamente utilizadas para comunicaciones vía satélite y radioenlaces terrestres.
Además, pretenden utilizarse en comunicaciones de alta tasa de transmisión de datos a muy
corto alcance mediante UWB. También son utilizadas con fines militares, por ejemplo en
radares basados en UWB.
Frecuencias extremadamente altas: EHF, Extrematedly High Frequencies, se extienden de
30 a 300 GHz. Los equipos usados para transmitir y recibir estas señales son más complejos
y costosos, por lo que no están muy difundidos aún1.
Microondas
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Infrarrojo
La radiación infrarroja (IR) es un tipo de radiación electromganética. La "luz" infrarroja tiene una
longitud de onda más larga que la luz visible. La luz roja tiene una longitud de onda más larga que
la de los demás colores de la luz; la luz infrarroja tiene una longitud de onda aún mayor que la roja,
de manera que la luz infrarroja es una especie de luz "más roja que roja" o luz "más allá del color
rojo". La radiación infrarroja no se puede ver pero algunas veces la podemos sentir en forma de
calor. Se encuentra entre la luz visible y las ondas de radio del espectro electromagnético. La
radiación infrarroja (IR) tiene longitudes de ondas entre 1 milímetro y 750 nanometros. La longitud
de onda de la luz roja tiene 700 nanómetros (o 7 000 Å). La radiación infrarroja oscila con
frecuencias entre 300 gigahertz (GHz ó 109 hertz) y 400 terahertz (THz ó 1012 hertz).
El espectro infrarrojo se puede subdividir en infrarrojo lejano (1 mm a 10 µm longitud de onda),
infrarrojo medio (10 a 2.5 µm longitud de onda), y casi infrarrojo (2 500 a 750 nm longitud de
onda). La porción del IR lejano que incluye la longitudes de onda entre 100 y 1 000 µm, es algunas
veces conocida como infrarrojo extremo. Las fronteras no siempre son obvias, y las diferencias
entre la IR extrema y las frecuencias de radio de microondas son poco obvias.
Podemos sentir el calor de la radiación infrarroja.Los lentes de visión nocturna, así como el control
remoto de una TV usan "luz" infrarroja para poder funcionar.6
Luz Visible
Nuestros ojos son detectores evolucionados para captar ondas de luz visible aunque existen muchos
otros tipos de radiación que no podemos percibir. De hecho, solo podemos captar una parte mínima
de la gama de radiaciones del espectro electromagnético que incluye, además de la radiación
visible, los rayos gama, los rayos X, los rayos ultravioletas, los rayos infrarrojos, las microondas y
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las ondas de radio. A medida que pasamos de los rayos gamma a las ondas de radio la longitud de
onda aumenta y la frecuencia disminuye (también disminuyen la energía y la temperatura). Todos
estos tipos de radiación viajan a la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s en el vacío). Además de
la luz visible, también llegan a la superficie de la tierra desde el espacio ondas de radio, una parte
del espectro infrarrojo y una parte (afortunadamente) muy pequeña de radiación ultravioleta.
Cada onda particular del espectro visible viene caracterizada por su longitud de onda siendo ésta
junto con el sentido de la vista los únicos responsables del color observado, pues colores diferentes
sólo corresponden a longitudes de onda diferentes. Si, como generalmente sucede, la radiación es
compuesta, el ojo no puede analizar las distintas radiaciones o longitudes de onda que recibe y
aprecia tan sólo el "color o tonalidad" resultante.
La luz visible es solamente una pequeña parte del espectro electromagnético, la longitud de onda
comprendida entre aproximadamente 400 y 700 nanómetros (nm = millonésima de milímetro) y
tiene una frecuencia de un millón de gigahercios (GHz), es decir, un billón de ciclos por segundo.
Solo esta estrecha gama que va desde los 400 a los 700 nm, excita la retina del ojo produciendo
sensaciones de color y brillo.
La luz blanca esta formada por la mezcla de todo el conjunto de radiaciones visibles
monocromáticas que estimulan el ojo humano generando una sensación de luminosidad exenta de
color, es una mezcla proporcionada de todas las longitudes de onda entre 400 y 700 nm. Se
entiende por radiación monocromática a cada una de las posibles componentes de la luz,
correspondientes a cada longitud de onda del espectro electromagnético. En el grafico de la
derecha, se han destacado las zonas donde se encuentra aquellas tonalidades que consideramos
importantes: la zona de rojos hacia la derecha y la de azules hacia la izquierda. En el centro se
ubican tonalidades verdes.
Los estudios sobre el sistema visual humano, del que hablaremos más adelante, establecen que en
el ojo existen unas células llamadas conos que reaccionan frente al color. Estas células se presentan
en 3 tipos diferentes: un tipo de conos reacciona frente a longitudes de onda de la gama central del
espectro (verdes), un segundo grupo de conos reaccionan ante la gama de tonos rojos, y un tercer
tipo de conos, son especialmente excitados por la banda de tonos azules. Esta es la razón principal
para que en cinematografía y televisión se hayan elegidos como colores primarios el rojo ( R ) el
verde ( G ) y el azul ( B ). Bien se podría haber seleccionado otra terna, pero es importante
aprovechar esta característica fisiológica del ojo.
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La luz siempre produce calor en presencia de un cuerpo absorbente (en términos estrictos no existe
la denominada "luz fría"), que destruyendo parte de la energía en forma radiante, la recupera
transformándola en calor. Así, por ejemplo, no hay calor en los espacios vacíos entre el sol y la
tierra, pero, al incidir la radiación solar en nuestra piel, una fracción se convierte en calor; en este
sentido podemos afirmar que el sol calienta. La energía radiante además de convertirse en calor,
produce otros fenómenos, entre los que destacan por su importancia el fotoquímico y fotoeléctrico,
efectos que permiten la creación de imágenes en soporte fotoquímico (cine y fotografía) y soporte
electrónico (televisión y vídeo). De ambos hablaremos con detalle más adelante7.
Ultravioleta
La "luz" ultravioleta es un tipo de radiación electromagnética . La luz ultravioleta (UV) tiene una
longitud de onda más corta que la de la luz visible. Los colores morado y violeta tienen longitudes
de onda más cortas que otros colores de luz, y la luz ultravioleta tiene longitudes de ondas aún más
cortas que la ultravioleta, de manera que es una especie de luz "más morada que el morado" o una
luz que va "más allá del violeta". La radiación ultravioleta se encuentra entre la luz visible y los
rayos X del espectro electromagnético . La "luz" ultravioleta (UV) tiene longitudes de onda entre
380 y 10 nanómetros. La longitud de onda de la luz ultravioleta tiene aproximadamente 400
nanómetros (4 000 Å). La radiación ultravioleta oscila entre valores de 800 terahertz (THz ó 1012
hertz) y 30 000 THz.Algunas veces, el espectro ultravioleta se subdividide en los rayos UV
cercanos (longitudes de onda de 380 a 200 nanómetros) y un rayo UV extremo (longitudes de onda
de 200 a 10 nm). El aire normal es generalmente opaca para los rayos UV menores a 200 nm (el
extremo del rayo de los rayos UV); el oxígeno absorbe la "luz" en esa parte del espectro de rayos
UV.
Rayos X
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Rayos gamma
La radiación gamma y/o rayos gamma (γ) es un tipo de radiación electromagnética, y por tanto formada por fotones, producida generalmente por elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos astrofísicos de gran violencia.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.
La energía de este tipo de radiación se mide en megaelectronvoltios (MeV). Un Mev corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10 − 11 m o frecuencias superiores a 1019 Hz.
Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos. Los rayos gamma se diferencian de los rayos X en su origen, debido a que estos últimos se producen a nivel extranuclear, por fenómenos de frenado electrónico. Generalmente asociada con la energía nuclear y los reactores nucleares, la radiactividad se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural.
CONCLUSIONES
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El Espectro Electromagnético es un conjunto de ondas que van desde las ondas con mayor longitud
como "las ondas de radio" hasta los que tienen menor longitud como los "los rayos gamma". Las
características propias de cada tipo de onda no solo son su longitud de onda, sino también su
frecuencia y energía. Es por esto la importancia de comprender los conceptos de frecuencia y
longitud de onda. La frecuencia responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un
número determinado de veces durante un segundo de tiempo. La Longitud de onda (λ) es la
distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, describe lo
larga que es la onda.
La luz es una forma que nos es muy familiar de radiación electromagnética. La luz visible es
solamente una pequeña parte del espectro electromagnético, la longitud de onda comprendida entre
aproximadamente 400 y 700 nanómetros (nm = millonésima de milímetro) y tiene una frecuencia
de un millón de gigahercios, es decir, un billón de ciclos por segundo. Solo esta estrecha gama que
va desde los 400 a los 700 nm, excita la retina del ojo produciendo sensaciones de color y brillo.
Sin embargo, hay otras formas de radiación electromagnética, tales como microondas,los rayos X,
ondas de radio y "luz" ultravioleta e infrarroja. Estos diferentes tipos de radiación
electromagnética forman el espectro electromagnético.
Cada sección del espectro electromagnético tiene valores característicos de los niveles de energía,
longitudes de ondas y frecuencias asociadas con sus fotones. Los rayos gamma tienen los mayores
niveles de energía, las longitudes de ondas más cortas y las frecuencias más altas. En contraste, las
ondas de radio tienen la energía más baja, las longitudes de ondas más largas y las frecuencias más
bajas que cualquier tipo de radiación. En orden de energía, de mayor a menor, las secciones del
espectro electromagnético se llaman: rayos gamma, rayos X, radiación ultravioleta, luz visible,
radiación infrarroja, y ondas de radio. Las microondas son una subsección, de la sección de ondas
de radio del espectro electromagnético.
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1 http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico2 http://www.asifunciona.com/fisica/af_espectro/af_espectro_2.htm3, José Rodríguez García, Fundamentos de óptica ondulatoria. Universidad de Oviedo. Pág. 32-424 http://www.monografias.com/trabajos/estruatomica/estruatomica.shtml5 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/espectro/espectro.htm6 http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/physical_science/magnetism/em_infrared.sp.html&fr=t&portal=vocals&edu=high7 http://www.monografias.com/trabajos10/lalu/lalu.shtml