Propagación de ondas electromagnéticas y espectro
Sacás el celular del bolsillo, el Wi-Fi del liceo te conecta, en la cocina el microondas calienta el almuerzo y en el auto suena una FM de Montevideo. Ninguna de estas cosas tiene cables entre emisor y receptor. ¿Qué es lo que viaja por el aire (y por el vacío) en todos los casos, y por qué unas radiaciones solo calientan y otras pueden dañar las células? Lo vamos a responder en esta página.
Qué es una onda electromagnética
Una onda electromagnética es una perturbación formada por un campo eléctrico $\vec{E}$ y un campo magnético $\vec{B}$ que oscilan juntos y se propagan. A diferencia del sonido, no necesita un medio material: la luz del Sol llega a la Tierra atravesando el vacío.
Son ondas transversales: $\vec{E}$ y $\vec{B}$ son perpendiculares entre sí y ambos son perpendiculares a la dirección en que avanza la onda.
Las dos oscilaciones están en fase: llegan a sus máximos al mismo tiempo. En el dibujo, E oscila en el plano vertical y B en el plano perpendicular (la línea discontinua, en perspectiva, se ve «hacia el fondo» cuando E va hacia arriba y «hacia vos» cuando va hacia abajo). Un campo variable genera al otro, y por eso la onda se sostiene sola mientras avanza.
Escribí la relación entre la velocidad de la luz en el vacío $c$, la frecuencia $f$ y la longitud de onda $\lambda$. Indicá el valor aproximado de $c$ y qué ocurre con…
Escribí la relación entre la velocidad de la luz en el vacío $c$, la frecuencia $f$ y la longitud de onda $\lambda$. Indicá el valor aproximado de $c$ y qué ocurre con la longitud de onda si la frecuencia aumenta.
La relación c = λ·f
Una onda periódica avanza una longitud de onda $\lambda$ en cada período $T$. Entonces su velocidad es $v = \lambda / T = \lambda\cdot f$. Para una onda electromagnética en el vacío, la velocidad es siempre la misma:
Porqué: si cada oscilación se produce más seguido, la onda tiene menos tiempo para avanzar entre una y la siguiente, así que las crestas quedan más juntas.
También sirve para distancias: si la luz viaja a velocidad constante, $d = c\cdot t$.
Una emisora de radio FM transmite en $100\ \text{MHz}$. Calculá la longitud de onda de la señal usando $c = 3{,}0 \cdot 10^8\ \text{m/s}$.
Una emisora de radio FM transmite en $100\ \text{MHz}$. Calculá la longitud de onda de la señal usando $c = 3{,}0 \cdot 10^8\ \text{m/s}$.
La luz del Sol tarda aproximadamente $500\ \text{s}$ en llegar a la Tierra. Con $c = 3{,}0 \cdot 10^8\ \text{m/s}$, calculá la distancia entre el Sol y la Tierra en…
La luz del Sol tarda aproximadamente $500\ \text{s}$ en llegar a la Tierra. Con $c = 3{,}0 \cdot 10^8\ \text{m/s}$, calculá la distancia entre el Sol y la Tierra en kilómetros y expresala en notación científica. Después estimá cuánto tardaría una señal de radio en recorrer la distancia entre Montevideo y Salto, de unos $500\ \text{km}$.
El espectro electromagnético
Radio, microondas, luz y rayos X son la misma clase de onda; solo cambian la frecuencia y la longitud de onda. Al ordenarlas forman el espectro.
| Región | Ejemplo cotidiano | Longitud de onda típica |
|---|---|---|
| Radio | FM, AM, TV | m a km |
| Microondas | Wi-Fi, celular, horno | mm a cm |
| Infrarrojo | control remoto, calor | μm |
| Visible | luz | 400–700 nm |
| Ultravioleta | bronceado, esterilización | decenas a cientos de nm |
| Rayos X | radiografías | ~$10^{-10}$ m |
| Gamma | medicina nuclear | menor aún |
La luz visible es solo una franja diminuta: del rojo (≈ 700 nm, menor frecuencia) al violeta (≈ 400 nm, mayor frecuencia).
Ordená de menor a mayor frecuencia las siguientes regiones del espectro electromagnético: luz visible, microondas, rayos X, ondas de radio, infrarrojo. Indicá cuál es la…
Ordená de menor a mayor frecuencia las siguientes regiones del espectro electromagnético: luz visible, microondas, rayos X, ondas de radio, infrarrojo. Indicá cuál es la de mayor energía por fotón.
El Wi-Fi del liceo de Florencia funciona en la banda de $2{,}4\ \text{GHz}$ y el Bluetooth de su celular también trabaja cerca de esa frecuencia, mientras que otra red…
El Wi-Fi del liceo de Florencia funciona en la banda de $2{,}4\ \text{GHz}$ y el Bluetooth de su celular también trabaja cerca de esa frecuencia, mientras que otra red Wi-Fi usa $5\ \text{GHz}$. Calculá la longitud de onda en cada banda y explicá por qué ambas están en la región de microondas y no son visibles.
Microondas: Wi-Fi, celulares y horno
Los $2{,}45\ \text{GHz}$ del horno, los $2{,}4\ \text{GHz}$ y $5\ \text{GHz}$ del Wi-Fi y las frecuencias del celular caen en la región de microondas.
Son longitudes de onda de centímetros, enormes frente a los 400–700 nm de la luz visible: por eso el ojo no las detecta.
¿Por qué el microondas calienta? Las moléculas de agua son polares (un extremo con carga positiva y otro negativa). El campo eléctrico oscilante las hace girar y vibrar miles de millones de veces por segundo; ese movimiento se reparte como agitación térmica. Un alimento sin agua se calienta mucho menos.
Un horno de microondas funciona a una frecuencia de $2{,}45\ \text{GHz}$. Calculá la longitud de onda de la radiación y explicá por qué esta radiación calienta los…
Un horno de microondas funciona a una frecuencia de $2{,}45\ \text{GHz}$. Calculá la longitud de onda de la radiación y explicá por qué esta radiación calienta los alimentos que contienen agua. Usá $c = 3{,}0 \cdot 10^8\ \text{m/s}$.
Energía del fotón y radiación ionizante
La radiación electromagnética también se comporta como un chorro de partículas, los fotones. Cada uno transporta una energía
Un fotón de celular ($\approx 6\cdot10^{-25}$ J, unos $4\cdot10^{-6}$ eV) tiene una energía miles de millones de veces menor que uno de rayos X.
Ionizar un átomo o romper una molécula exige entregar de una sola vez unos pocos eV (decenas de eV para arrancar electrones). Cada fotón cede su energía a una sola partícula: si un fotón no alcanza, juntar muchos fotones no ayuda. Por eso los rayos X, el ultravioleta intenso y los gamma son ionizantes, y las microondas y ondas de radio no, aunque la potencia del emisor sea mayor: más potencia significa más fotones, no fotones más energéticos.
Agustín compara tres fuentes: un celular que emite a $900\ \text{MHz}$, un horno de microondas a $2{,}45\ \text{GHz}$ y un equipo de rayos X con…
Agustín compara tres fuentes: un celular que emite a $900\ \text{MHz}$, un horno de microondas a $2{,}45\ \text{GHz}$ y un equipo de rayos X con $\lambda = 1{,}0 \cdot 10^{-10}\ \text{m}$. Calculá la frecuencia o la longitud de onda que falte en cada caso y la energía de un fotón con $E = hf$ ($h = 6{,}6 \cdot 10^{-34}\ \text{J·s}$). Analizá por qué se llama radiación ionizante a los rayos X y no a las otras dos, aunque el celular y el horno tengan potencias mucho mayores.
Cambio de medio e índice de refracción
Al pasar de un medio a otro, la onda cambia de velocidad. La frecuencia no cambia: la fija la fuente que emite. Como $v=\lambda f$ con $f$ constante, si baja $v$ también baja $\lambda$.
El índice de refracción compara con el vacío:
$$n = \frac{c}{v}$$Siempre $n \geq 1$. Cuanto mayor es $n$, más lenta va la luz en ese medio.
Una onda electromagnética pasa del vacío a un vidrio donde su velocidad es $2{,}0 \cdot 10^8\ \text{m/s}$. Su frecuencia en el vacío es $5{,}0 \cdot 10^{14}\ \text{Hz}$.…
Una onda electromagnética pasa del vacío a un vidrio donde su velocidad es $2{,}0 \cdot 10^8\ \text{m/s}$. Su frecuencia en el vacío es $5{,}0 \cdot 10^{14}\ \text{Hz}$. Calculá la longitud de onda en el vacío y en el vidrio, y el índice de refracción del vidrio. Argumentá qué magnitud se mantiene constante al cambiar de medio y cuáles cambian.
Resumen
Volvé al principio: lo que viaja del emisor al celular, a la FM o al horno es una onda electromagnética, y lo que decide su efecto es la frecuencia.