Espectro electromagnético

El sol es la principal fuente de energía de nuestro planeta, y su energía viaja en forma de radiación electromagnética. La energía electromagnética se mueve a través del espacio vacío a la velocidad de la luz en forma de ondas de campos eléctricos y magnéticos con un rango de frecuencias o longitudes de onda.

La radiación electromagnética es una ocurrencia común en nuestra vida diaria. Todas las ondas electromagnéticas, desde la luz visible, que nuestros ojos pueden detectar hasta la radiación de microondas que calienta nuestras comidas o las ondas de radio que alimentan nuestras radios, los rayos X que permiten a los médicos identificar cualquier lesión en nuestros huesos o la radiación ultravioleta emitida por una superficie caliente, son ondas EM.

Ondas electromagnéticas

Las ondas creadas por la interacción de campos eléctricos y magnéticos vibrantes se conocen como ondas electromagnéticas. Un campo eléctrico y magnético oscilante forma ondas EM.

Una partícula cargada, en general, produce un campo eléctrico. Este campo eléctrico ejerce un empuje sobre otras partículas cargadas. Las cargas positivas aceleran en la dirección del campo, mientras que las cargas negativas aceleran en la dirección opuesta del campo. Una partícula cargada que viaja crea el campo magnético. Este campo magnético ejerce un empuje sobre otras partículas en movimiento. Debido a que la fuerza que actúa sobre estas cargas siempre es perpendicular a su movimiento, solo afecta la dirección de la velocidad, no la rapidez. Como resultado, una partícula cargada acelerada genera el campo electromagnético. Las ondas electromagnéticas no son más que campos eléctricos y magnéticos que viajan a la velocidad de la luz c a través del espacio abierto.

Cuando una partícula cargada oscila alrededor de un punto de equilibrio, se dice que está acelerando. Si la frecuencia de oscilación de la partícula cargada es f, crea una onda electromagnética de frecuencia f. La longitud de onda de esta onda se puede calcular mediante la fórmula:  

λ = c/f

Las ondas electromagnéticas son un tipo de transferencia de energía que se produce en el espacio.

Representación de Ondas Electromagnéticas

Espectro electromagnético

El espectro electromagnético es una colección de frecuencias, longitudes de onda y energías de fotones de ondas electromagnéticas que van desde 1 Hz a 10 ²⁵ Hz, equivalente a longitudes de onda que van desde unos pocos cientos de kilómetros hasta un tamaño más pequeño que el tamaño de un núcleo atómico. Por lo tanto, el espectro electromagnético se puede describir como el rango de todos los tipos de radiación electromagnética en términos básicos. En el vacío, todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad que la luz. Sin embargo, para diferentes formas de ondas electromagnéticas, las longitudes de onda, las frecuencias y la energía de los fotones variarán.

Términos relacionados con las ondas electromagnéticas

La frecuencia (f), la longitud de onda (λ), la energía (E) de una onda electromagnética están relacionadas entre sí como:

λ=c/f

f=E/h

E=hc/λ

dónde

• c=3×10 ⁸ m/s representa la velocidad de la luz en el vacío
• h=6.626×10 ^–34 J.s representa la constante de Planck.

Ondas electromagnéticas en el espectro electromagnético

Las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, la luz visible, la radiación ultravioleta, los rayos X, los rayos gamma y los rayos cósmicos constituyen el rango completo (espectro electromagnético) en orden decreciente de frecuencia y ascendente de longitud de onda.

1. Ondas de radio
   • El rápido viaje de partículas cargadas a través de cables conductores provoca estas ondas.
   • A través de ellos se transmiten señales de radio, televisión y telecomunicaciones.
   • Estas ondas tienen un rango de frecuencia de alrededor de 3kHz a 300MHz.
   • En la banda de frecuencia ultraalta (UHF), los teléfonos celulares emplean ondas de radio para transmitir la comunicación de voz.
   • La radio capta las ondas de radio que transmiten las estaciones de radio. Las ondas de radio pueden ser emitidas por gases y estrellas en el espacio. La mayoría de las ondas de radio se utilizan para la televisión y las comunicaciones móviles.
2. microondas
   • Las microondas son un tipo de radiación electromagnética que tiene una frecuencia de unos pocos gigahercios (GHz).
   • Los klistrones, magnetrones y diodos de Gunn son tubos de vacío únicos que los producen.
   • Las microondas se utilizan comúnmente en la navegación aérea debido a sus longitudes de onda cortas.
   • Estos rayos se emplean en microondas, que ayudan a calentar alimentos en hogares y oficinas. Los astrónomos también lo utilizan para descubrir y comprender la estructura de las galaxias y estrellas circundantes.
3. Rayos infrarrojos
   • Las ondas infrarrojas son producidas por cuerpos y moléculas calientes y, por lo tanto, se denominan ondas de calor.
   • Los rayos infrarrojos están cerca del extremo de baja frecuencia o longitud de onda larga del espectro de luz visible.
   • El efecto invernadero que provocan estos rayos es fundamental para mantener el calentamiento global y las temperaturas medias.
   • Los gases de efecto invernadero como el dirust de carbono y el vapor de agua atrapan estas radiaciones en la atmósfera terrestre.
   • Las gafas de visión nocturna hacen uso de estas radiaciones. Estos dispositivos pueden leer y capturar la luz infrarroja generada por objetos en la oscuridad. La luz infrarroja se utiliza para rastrear el polvo interestelar en el espacio. La radiación infrarroja es emitida por dispositivos electrónicos y se emplea comúnmente en interruptores remotos para una variedad de aparatos domésticos.
4. Rayos visibles
   • Los rayos visibles son ondas electromagnéticas que se pueden ver a simple vista. Son el tipo más común de ondas electromagnéticas.
   • Estos se pueden encontrar en el rango de frecuencia de 4 × 10 ¹⁴ Hz–7 × 10 ¹⁴ Hz o el rango de longitud de onda de 400 nm–700 nm.
   • Los rayos de luz visible reflejados o liberados por los objetos que nos rodean nos ayudan a ver el mundo, y el rango de radiación visible es diferente para diferentes criaturas.
   • Los dispositivos que emiten luz en el área visible del espectro electromagnético incluyen bombillas, lámparas, velas, LED, luces de tubo, etc.
5. Rayos ultravioleta
   • Aunque el sol es la principal fuente de radiación ultravioleta en la Tierra, la capa de ozono absorbe la mayor parte de la energía ultravioleta antes de que llegue a la atmósfera.
   • La radiación ultravioleta tiene una longitud de onda de 400 nm a 1 nm.
   • Estas radiaciones son emitidas por lámparas especiales y cuerpos extremadamente calientes y, en grandes cantidades, pueden causar lesiones importantes a los humanos. Broncea la piel y crea quemaduras.
   • Debido a que estas radiaciones pueden enfocarse en haces diminutos, se utilizan en aplicaciones de alta precisión como LASIK o cirugía ocular basada en láser.
   • Las lámparas UV se utilizan en los purificadores de agua para eliminar los microorganismos que puedan estar presentes en el agua.
   • Cuando se trabaja con arcos de soldadura UV, los soldadores usan gafas especiales para proteger sus ojos.
6. Rayos X
   • Esta radiación electromagnética se encuentra fuera de la región ultravioleta (UV) del espectro electromagnético y es extremadamente valiosa en el campo médico.
   • El rango de longitud de onda de la radiación de rayos X es de 1nm–10–3 ^nm .
   • Al hacer estallar un objetivo de metal con electrones de alta energía, se pueden producir rayos X.
   • Las radiografías son una técnica de diagnóstico en medicina que puede ser de gran ayuda en el tratamiento de algunos tipos de cáncer. Para encontrar el origen del problema, un médico utiliza un escáner de rayos X para escanear nuestros huesos o dientes. La sobreexposición a los rayos X puede causar daño o muerte a los tejidos sanos del organismo. Como resultado, se debe tener extrema precaución cuando se trata de rayos X.
   • En el puesto de control del aeropuerto, los agentes de seguridad lo utilizan para registrar el equipaje de los pasajeros. Los rayos X también son emitidos por los gases calientes del universo.
7. Rayos gamma
   • El universo es el mayor generador de rayos gamma.
   • Estos rayos están en la región de frecuencia más alta del espectro electromagnético.
   • Los rayos gamma tienen longitudes de onda que van de 10 a ¹² m a 10 a ¹⁴ m.
   • Los núcleos radiactivos liberan radiaciones de alta frecuencia, que también se crean durante los procesos nucleares.
   • Los rayos gamma tienen una amplia gama de aplicaciones médicas, incluida la destrucción de células cancerosas. Las imágenes de rayos gamma son una técnica utilizada por los médicos para examinar el interior de los cuerpos de los pacientes.

Tipos de radiación	Rango de frecuencia (Hz)	Rango de onda
Rayos gamma	10 20 -10 24	<10 -12 metros
Rayos X	10 17 -10 20	1 mn – 1 pm
Rayos ultravioleta	10 15 -10 17	400 nm – 1 nm
rayos visibles	4 x 10 14 – 7,5 x 10 14	750 nm – 400 nm
Infrarrojo cercano	1 x 10 14 – 4 x 10 14	2,5 μm – 750 nm
Rayos infrarrojos	10 13 – 10 14	25 μm – 2,5 μm
microondas	3 x 10 11 – 10 13	11 mm – 25 μm
Ondas de radio	< 3x 10 11	>1 mm

Espectroscopia

En términos de longitud de onda o frecuencia, la espectroscopia es un método para determinar la emisión y absorción de luz y otras radiaciones cuando interactúan con la materia. 

Cuando un rayo de luz atraviesa la materia, se dispersa. Interactúa con átomos y moléculas de la sustancia dada, y estos átomos interactúan con ondas de luz de frecuencias similares en función de sus frecuencias de resonancia. Cuando los rayos de luz chocan con un átomo en un estado excitado, se liberan ciertas frecuencias distintivas, lo que da como resultado un espectro de líneas. Este espectro de líneas se compone de una colección de líneas de emisión que no es continua. Las longitudes de onda de la luz producida se separan. Cuando la luz con longitudes de onda continuas pasa a través de un material de baja densidad, se crea un espectro de absorción. Se absorberán átomos y moléculas con frecuencias características similares a las ondas de luz, lo que dará como resultado un espectro continuo al que le faltarán algunas líneas.

Aplicaciones del Espectro Electromagnético

Maxwell demostró originalmente la presencia del espectro electromagnético completo. Sus matemáticas sugirieron que la radiación electromagnética puede tener un número infinito de frecuencias. El espectro electromagnético es una organización basada en la frecuencia y la longitud de onda de varias radiaciones. Los siguientes son algunos ejemplos de aplicaciones de espectro EM:

1. Hertz fue el primero en descubrir las ondas de radio y las microondas. La televisión y la radio inalámbricas, así como la comunicación móvil, surgieron como resultado de estas ondas.
2. La radiación ultravioleta es útil para la ionización de átomos, lo que ayuda en el inicio de numerosas reacciones químicas.
3. Los rayos gamma fueron descubiertos por Paul Villard. Estos se emplean en el desarrollo de experimentos de ionización y medicina nuclear.
4. Los rayos X fueron inventados por Roentgen. Estos se utilizan para descubrir problemas con los huesos y los dientes, así como anomalías.
5. La porción de luz visible del espectro electromagnético nos permite ver el mundo que nos rodea. Esta parte del espectro electromagnético ayuda en la percepción de todos los objetos, incluidos los colores.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Responder:

Las ondas electromagnéticas son vibraciones formadas por campos eléctricos y magnéticos que oscilan perpendicularmente.

Pregunta 2: ¿Cuáles son la frecuencia y la longitud de onda de una onda EM de energía 6.626 x 10 ^-19 J?

Responder:

Frecuencia(f) = E/h 

= 10 ¹⁵ Hz. 

Longitud de onda (λ) = c/f 

= 3 x 10 ⁸ / 10 ¹⁵ 

= 3 x 10 ⁷ m

Pregunta 3: ¿Qué es el espectroscopio?

Responder:

La espectroscopia es el estudio de cómo la materia emite y absorbe la luz y otras radiaciones electromagnéticas en función de la longitud de onda o la frecuencia de la energía.