viernes, 29 de febrero de 2008

Espectro electromagnético

Campo eléctrico (azul), campo magnético (rojo) y dirección de propagación (verde)

En el post anterior quería que vieran que las partículas cargadas cuando se mueven aceleradamente generan campos que varían como 1/R en vez de 1/R^2 como sucede cuando las cargas no se mueven. A este comportamiento del campo se le denomina radiación y a grandes distancias de la carga el campo de radiación se comporta de la siguiente manera: el campo eléctrico y el magnético son perpendiculares entre si y a su vez perpendiculares a la dirección de propagación (véase la imagen inicial). En su conjunto puesto que el origen de los campos es una carga acelerada, obtenemos un campo eléctrico y magnético variables en el tiempo. El campo eléctrico variable genera un campo magnético variable que a su vez genera un campo eléctrico variable y así sucesivamente. Los campos eléctricos y magnéticos variables se automantienen formando una onda electromagnética que se propaga en el vació a la velocidad de la luz, recuerden que se generan por cargas aceleradas, de ahí viene la energía. Estas fuentes de energía pueden ser estaciones de radio y televisión, osciladores de microondas para hornos y radares, aparatos de rayos X y núcleos radioactivos. Para que se entienda este vocabulario científico, hay que tener en cuenta que decir onda electromagnética o radiación electromagnética es decir lo mismo.

Algunas veces se hace la comparación con la propagación de las ondas que se generan en un estanque al tirar una piedra, pero el estanque tiene un material, el agua que sube y baja propagando la onda. En el vació no hay nada, que es lo que se mueve entonces?. Las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse, la luz de las estrellas recorre sin dificultad miles de años luz en el espacio vació hasta llegar a nosotros.

La manera más sencilla de que una carga emita ondas electromagnéticas es hacerla oscilar en movimiento harmónico simple (como un péndulo), de esta manera tiene una aceleración en cada instante de tiempo, excepto cuando pasa por su posición de equilibrio (el extremo más bajo del péndulo). Las ondas electromagnéticas de esta manera se caracterizan por sus frecuencias, es lo que se denomina espectro electromagnético. Podríamos decir que la frecuencia es el ritmo de la oscilación, fíjense en el ejemplo del péndulo, la frecuencia es la rapidez con que oscila el péndulo. A mas rapidez mas frecuencia. Estas frecuencias pueden ir de cero a valores muy elevados, para distinguirlas se agrupan en intervalos que permiten hacer una clasificación según las formas que existen para generar y detectar las ondas electromagnéticas (ver tabla). Es curioso observar que el intervalo del espectro visible, es decir, aquellas radiaciones electromagnéticas que el ojo humano es capaz de detectar, ocupa un espacio muy reducido.

Vemos pues que la palabra radiación no tiene ninguna connotación de radioactividad ni implica peligros para la salud. Eso si, la radiación electromagnética transporta energía, (la luz del Sol que nos llega a la Tierra es radiación electromagnética) y algunas radiaciones contienen una cantidad muy elevada de energía. Pero podemos medirla, la cantidad de energía de la radiación depende de su frecuencia. A mayor frecuencia mayor energía. En este sentido se distingue entre frecuencias ionizantes y frecuencias no ionizantes, que podríamos decir como frecuencias peligrosas y frecuencias no peligrosas. Son radiaciones ionizantes aquellas que son capaces de arrancar electrones de los átomos y por tanto alterar las moléculas que forman los tejidos de un ser vivo. Son radiaciones ionizantes los rayos ultravioleta, los rayos X o los rayos gamma liberados por las substancias radioactivas. Se caracterizan por tener frecuencias muy elevadas, unos 10 millones de veces superiores a las frecuencias de las telecomunicaciones.
La telefonía móvil utiliza el sistema conocido como GSM (Global System for Mobile) que utiliza las bandas de frecuencias de 900 MHz y 1800 MHz, el sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) utiliza 2000 MHz.
Existe, sin embargo un efecto secundario asociado a la temperatura. Las radiaciones no ionizantes aunque no pueden arrancar electrones si pueden moverlos de forma oscilante. Este movimiento no es más que energía cinética que se transforma en calor, a mayor movimiento más temperatura. Este es el principio básico de los hornos microondas.Los hornos microondas generan radiaciones a frecuencias no ionizantes pero a la cual las moléculas de agua oscilan. Por eso los alimentos con alto contenido en agua se calientan rápidamente. El funcionamiento es muy sencillo, el agua esta formada por un átomo de oxigeno y dos de hidrogeno separados un ángulo de 104,5º(vease la imagen inferior). En azul el átomo de oxígeno y en rojo los átomos de hidrógeno.
El núcleo de oxígeno atrae electrones más fuertemente que el núcleo de hidrógeno, los electrones están más frecuentemente cerca del átomo de oxígeno que del de hidrógeno. El resultado es una molécula polar, se puede distinguir el polo positivo del polo negativo. El oxigeno con carga negativo y el hidrogeno con carga positiva.


Cuando la radiación electromagnética del microondas incide sobre la molécula polar del agua mueve el átomo de oxigeno en dirección contraria a los átomos de hidrógeno, induciendo un movimiento oscilatorio repetitivo en la molécula, puesto que tenemos movimiento tenemos energía cinética y se genera calor.
Por ejemplo en la molécula de CO2 esto no ocurre por que no es una molécula polar, puesto que al tener simetría las cargas positivas del carbono quedan compensadas con las negativas del oxigeno. En la siguiente imagen podemos ver la simetria de la molecula de CO2, en azul los átomos de oxígenoy en negro el átomo de carbono.

En definitiva las reacciones nocivas para el cuerpo humano a la exposición a radiaciones de telecomunicaciones dependerá de su efecto térmico. Como dato tenemos que la actividad metabólica genera un flujo de calor hacia el exterior del cuerpo humano de 5 a 10 mW/cm2 que puede incrementarse por un factor entre 2 y 10 con el ejercicio físico. Si nos exponemos al Sol tenemos una absorción de 40 mW/cm2 que el organismo tiene que regular para no calentarse demasiado.
Tenemos pues una valoración sobre el incremento de temperatura del cuerpo, hay que considerar la disipación y absorción de energía, el parámetro que se utiliza es la “Tasa Especifica de Absorción” o SAR en ingles. Se considera que una Tasa Especifica de Absorción inferior a 4W/kg genera una disipación de calor comparable a un ejercicio físico moderado y por tanto dentro de los límites permitidos.
La normativa norteamericana IEEE C95.1-1991 que es una revisión de la normativa ANSI C95.1-1982 establece que la exposición máxima en ambiente no controlado no debe superar una Tasa de Absorción Específica de 0,08 W/kg promediado sobre todo el cuerpo y no debe exceder de 1,6 W/kg promediado sobre 1 gramo de tejido. Por tanto la normativa fija un nivel 50 veces inferior al que científicamente se ha comprobado que es inocuo.

No existe evidencia científica de que la exposición a campos electromagnéticos con niveles inferiores a los establecidos en las normativas anteriores, tenga efectos perjudiciales para la salud. Esta es la respuesta más rotunda que desde un punto de vista científico y tecnológico se puede dar. No nos pase como a los leñadores canadienses que a finales del siglo XIX, cuando se tendió el cable telegráfico desde Terranova a Nueva York, apareció un brote de gripe y los leñadores canadienses cortaron los postes para evitar que la enfermedad se propagara por el cable.
En la siguiente dirección pueden encontrar una presentación en flash del espectro electromagnético

13 comentarios:

Anónimo dijo...

Temo mucho que las radiaciones electromagnéticas se han convertido en el nuevo "coco" de nuestra sociedad. Miedos irracionales mezclados con pseudociencia están provocando un creciente rechazo a por ejemplo, las antenas de telefonía móvil. Lástima que artículos como el de este blog no tengan más eco. Supongo que predicar catástrofes vende más.

Carles Paul dijo...

Me comentaba hace tiempo un amigo que trabaja en telefónica que la gente de un edificio se quejaba de las antenas. Sin ningún problema las quitaron, jamás habían funcionado.
Como bien dices predicar catástrofes vende mas, puesto que solo hay que hacer un acto de fe en creer en lo que se predica. Para entender hay que estudiar y sobretodo hacerse preguntas. Mira por donde se me ocurre un tema para un post, el de la ciencia y las preguntas.

Anónimo2 dijo...

Otra diferencia entre las ondas en un estanque y las ondas electromagnéticas es que las primeras son en 2D y las EM en 3D.
Respecto a las microondas, por lo que yo sé, las partes más sensibles (que de por sí ya son sensibles sin microondas) son parecidas en tamaño y forma. Me refiero a los ojos y a los testículos. Al menos eso me dijeron...

Carles Paul dijo...

Podriamos decir que te dejan esteril. Cuando estaba en quinto de carrera de física queriamos demostrar que se podia recubrir un objeto con carbono cristalizado, es decir, que se podia recubrir un objeto con una pequeña capa de diamantes. Consistia en hacer un material duradero para la tecnologia espacial. La primera prueba la hice con un microondas, una bombona de butano, una botella de plástico y un tubo de goma de los que se utilizan en los hospitales para inyectar el gota a gota. Hice un par de agujeros en el horno microondas, uno para la entrada del butano y otro para la entrada del agua como refrigerante. I estuvo funcionando durante varias horas durante varios días. Hasta que un día alguien nos dijo que las microondas podían dejarte estéril. Pero no ha sido el caso, tengo un niño y una niña.
Es algo parecido al post de las probabilidades, Marie Curie murio a consecuencia de las radiaciones con las que trabajaba. En cambio Lisa Meitner, trabajo toda su vida con radiaciones y fumaba puros, murió a los 90 años.

anónimo2 dijo...

Yo diría que los microondas no aislan lo que parece.
os propongo un experimento: poned vuestro móvil (celular, para los amigos latinoamericanos) dentro del microondas y cerrad la puerta (no lo pongáis en marcha!, no se trata de eso!) ahora llamad a ese móvil desde otro teléfono. si suena, es que la puerta y la carcasa no son suficientes para apantallar las ondas. Y si entran, quiere decir que también salen.
es relevante recordar que la frecuencia del microondas es muy próxima a la del microondas.
desde luego un microondas no es una caja de Faraday!

JOSE dijo...

No entiendo algo sobre la radiación electromagnética: la produce una carga acelerándose continuamente (sin desacelerarse) ?

El énfasis en los movimientos oscilatorios/vibratorios alrededor de un punto medio no indica más bien que en una dirección (digamos acercándose al punto medio) la partícula absorve energía del campo (pero sin radiarla) y que en la otra dirección (alejándose del punto medio) la emite (la misma que absorvió) ?

Saludos.

Carles Paul dijo...

Disculpa el paréntesis de la semana santa.
La radiación electromagnética la produce una carga acelerándose continuamente. Pero cuidado, cuando se habla de aceleración en términos generales se quiere decir una variación en la velocidad, indicando que esta aceleración puede ser positiva (se gana velocidad, es decir se acelera) o negativa (se pierde velocidad, es decir se desacelera). Por ejemplo una carga oscilando, va aumentando y disminuyendo su velocidad constantemente. Aunque también puede ser una carga moviéndose dentro de un campo magnético, la carga se verá obligada a moverse en una trayectoria circular y por tanto sometida a una aceleración centrípeta. En este caso también se producirá radiación electromagnética. Es el caso de los protones y electrones procedentes del Sol y que quedan atrapados en el campo magnético terrestre, la radiación electromagnética que producen son las auroras.

En definitiva, la respuesta a tu primera pregunta es que tanto al acelerarse como al desacelerarse se produce radiación electromagnética.
La segunda pregunta, creo entender que confundes el campo gravitatorio con el campo de radiación. Un péndulo al oscilar pierde energía potencial del campo gravitatorio y va ganando energía cinética hasta llegar a su punto medio, a partir de aquí pierde energía cinética y va ganado energía potencial hasta llegar a su punto más alto. Entonces vuelve al punto medio perdiendo energía potencial y ganando energía cinética, hasta llegar otra vez al punto mas alto. Si no hay rozamiento el movimiento continuaría indefinidamente.
En el caso de una carga oscilando, siempre se produce radiación electromagnética, puesto que siempre hay una fuerza externa que proporciona la energía necesaria.

Podría ser que confundieras el caso de un movimiento oscilatorio de una carga en un circuito con un condensador. En este caso el condensador se carga durante medio periodo, absorbiendo energía y en el siguiente medio periodo el condensador se descarga devolviendo la energía absorbida. En promedio el condensador no consume energía.

Espero haberte aclarado al menos alguna duda.

JOSE dijo...

Muchas gracias por tu respuesta.

Disculpa que insista un poco más. He leído sobre los grandes ACELERADORES de partículas que, por ejemplo, aceleran protones hasta el orden de mega o giga electron voltios.

Quiere decir que estos protones al ser ACELERADOS en dichas máquinas emiten grandes cantidades de radiación electromagnética ? Si es así, esta energía radiada sería una medida de ineficiencia de la máquina acelertadora (cuyo objetivo es ACELERAR no emitir radiación) ?


Atte, JOSE. Gracias,

Carles Paul dijo...

Pues tu razonamiento es totalmente correcto.
Existen diferentes tipos de aceleradores de partículas, los lineales y los circulares. Los primeros aceleran partículas en línea recta. El primer modelo de acelerador lineal lo tenemos en los tubos de rayos catódicos. Utilizados en los tubos de televisión. Por supuesto, los tubos de televisión emiten radiaciones.
Los aceleradores más utilizados son los circulares que se denominan ciclotrones o sincrotrones, según si utilizan un campo magnético constante o variable. El campo magnético mantiene a las partículas girando en una trayectoria circular y el campo eléctrico las acelera. Puesto que giran, están siempre sometidos a una aceleración centrípeta y por tanto emiten radiación, esta radiación se denomina radiación de sincrotrón y es una energía que se pierde constantemente.
Para evitar peligros estos aceleradores se construyen bajo tierra y con un radio circular grande, ya que la aceleración centrípeta disminuye con el radio de la trayectoria circular. Como bien dices, hay un límite en el diseño del acelerador, la velocidad máxima a la que se pueden acelerar las partículas viene dado justamente por el balance entre la energía que se da a las partículas para acelerarlas y la energía perdida por radiación de sincrotrón.
Esta radiación de sincrotrón se produce tanto en la banda del infrarrojo como en los rayos X, y actualmente se pretende aprovechar esta radiación como fuente de energía para estudiar la materia.

Hay que tener en cuenta que el rendimiento de cualquier máquina nunca es del 100%. Podríamos decir lo mismo del motor de un automóvil, el objetivo del motor es mover el coche, y lo hace por supuesto, pero también calienta la atmósfera. El rendimiento de un motor de combustión interna es de un 30%. Es decir solamente el 30% se convierte en energía mecánica el resto se pierde en rozamientos y calor. Por decirlo de alguna manera, el motor de combustión de un automóvil funciona mejor como estufa que como motor.

La naturaleza siempre nos pide un precio a pagar por su utilización.

Recuerdos

Anónimo dijo...

Hola Carles Paul, muy interesante lo que escribiste sobre las ondas electromagneticas. La manera como actua el horno microondas es estupenda, tenia conocimiento de ello pero ahora luego de leer tu articulo ya me quedó mas claro. Tengo una pregunta si fueras tan amable de aclararmela: la carga debe acelerar necesariamente como un MAS o de cualquier forma?. es conocida la gráfica de una OE, me refiero a esa forma de funcion seno que tienen, pero como seria su gráfica si la carga no se mueve como MAS... si no de otra forma... mil gracias.

Carles Paul dijo...

La carga puede acelerar de cualquier manera, siempre y cuando acelere. Es decir, si hay un cambio en la velocidad, tanto en su modulo como en su dirección, tendremos radiación electromagnética. Por ejemplo, los protones acelerados en un acelerador de partículas como el LHC, generan una tremenda radiación, simplemente porque están girando. Aun cuando su velocidad sea constante (casi a la velocidad de la luz), generan radiación porque la dirección de su movimiento está cambiando continuamente.
La aceleración puede ser lineal, en este caso la partícula cargada se aleja de nosotros u nunca más vuelve. Pero mientras se aleja acelerando emite radiación. Lo mismo ocurre si la partícula se acerca.
Lo más normal es que el movimiento sea oscilatorio, tipo MAS, como dices. Pues es el caso de los átomos, estos se mueven pero no pueden abandonar el material donde se encuentran. Este tipo de movimientos generan oscilaciones y por tanto aceleraciones que producen radiación electromagnética. Pero lo siento, no todo es tan sencillo, el MAS es una simplificación de un movimiento más general. Ocurre sin embargo que gracias a el Teorema de Fourier, cualquier movimiento oscilatorio se puede descomponer como una suma de MAS. Te he puesto un enlace al final donde te he preparado unas gráficas para que lo entiendas mejor.
Con esto creo responder a la segunda parte. Existen muchos movimientos vibratorios y el que me dices sobre el seno, es el más sencillo de todos ellos. Pero todos los demás pueden obtenerse sumando senos y cosenos. Y esto lo descubrió Fourier buscando entender como variaba la temperatura de la arena del desierto desde la superficie hacia el interior, en una expedición a Egipto con Napoleón.
El enlace prometido es el siguiente

http://ultra.eupmt.es/~paul/blogabcienciade/respostes/senocoseno.pdf

El enlace prometido es el siguiente
http://ultra.eupmt.es/~paul/blogabcienciade/respostes/senocoseno.pdf

Saludos,
y si tienes cualquier otra duda no dudes en preguntármela. Hare lo que pueda.

PD: He tardado un poco en contestarte porque me estoy pasando el blog al wordpress y me está ocupando más tiempo del esperado.

Anónimo dijo...

Gracias por tu respuesta,ya me quedo claro como se genera una onda electromagnetica y sobre las fotos que enviaste jamas me imagine que eso podria tambien ser una onda, pues uno esta familiarizado con la clasica funcion seno y coseno tanto para el E como para el B mutuamente perpendiculares... pero ahora hay otra cuestion que me hace pensar.. de donde sale tanta energia en una OE.. solo por hecho de acelerar?.. y que hay de la conservacion de la energia...bueno gracias de ante mano por la respuesta, puedo esperar todo el tiempo.
Iván.

Carles Paul dijo...

Pues esta es una pregunta muy habitual. Hablamos de la radiación producida por una carga acelerada. Como ya has visto hay muchas maneras de generar oscilaciones y por tanto maneras de producir radiación EM. Aunque vigila, una cosa es la oscilación de la carga y otra la oscilación del campo electromagnético.
La cosa se complica cuando colocamos el medio material por donde se propagan las ondas. En un primer estudio siempre se considera el vacio y una onda EM tipo seno o coseno.
Pero nunca se habla de cómo se produce la aceleración, porque este es otro tema, es dinámica y tiene que ver con las leyes de Newton.
Para responder a tu pregunta nos tenemos que trasladar a la dinámica. La fuerza es la masa por la aceleración. Porque se acelera una carga?, pues muy sencillo, porque hay una fuerza que la impulsa. Esta fuerza es la que proporciona la energía. Y la fuerza por la distancia es simplemente…energía. Tenemos pues una fuerza que desplaza a una carga, tenemos energía.
La energía mecánica de la fuerza se convierte en energía cinética de la carga y está en energía electromagnética. No hay problema con la conservación de la energía, si desaparece la fuerza, desaparece la energía de la onda EM.
Quien produce estas fuerzas? Pues depende donde nos encontremos, en el Sol, tenemos la fuerza de la gravedad que condensa mucha masa en un espacio muy pequeño, la materia se calienta y el calor es una fuente de energía. La energía calorífica se convierte en energía cinética de las partículas (protones y electrones), las partículas con carga se mueven aleatoriamente acelerando y desacelerando, generando ondas electromagnéticas, que a su vez chocan con otras cargas acelerándolas y produciendo más ondas electromagnéticas.
En una central eléctrica el movimiento se produce a través de un alternador que se mueve por diferentes fuentes de energia: nuclear, combustibles fósiles, eólica, geotérmica..
Te propongo un experimento casero: Si dispones de un microondas y un tubo fluorescente pequeño, que quepa dentro del microondas, lo metes dentro. Por precaución coloca un vaso con agua dentro del microondas junto al fluorescente. Es para que el agua absorba la energía restante que no absorbe el fluorescente. Al encender el microondas verás como el fluorescente empieza a generar luz. No lo dejes mucho rato. Unos diez segundos como máximo.
La energía de las ondas electromagnéticas del microondas han acelerado las cargas del fluorescente y estas han generado ondas electromagnéticas en otro espectro electromagnético, en el visible.
A lo mejor me hago un video casero, lo cuelgo en youtube y lo pongo en un post. Recuerda que me he pasado al wordpress (abcienciade.wordpress.com) y aun ando algo liado.
Espero no haberte liado mas, el tema electromagnético es bastante complicado, por eso siempre se explica solamente la parte más sencilla y esto a veces, como en tu caso, genera más dudas.
Saludos