Ondas electromagnéticas: definición, espectro y efectos
Definición, espectro y efectos de las ondas electromagnéticas: entiende la luz, radiación, riesgos y aplicaciones en salud y tecnología.
Las ondas electromagnéticas son ondas que contienen un campo eléctrico y un campo magnético y transportan energía. Viajan a la velocidad de la luz.
La mecánica cuántica se desarrolló a partir del estudio de las ondas electromagnéticas. Este campo incluye el estudio de la luz visible e invisible. La luz visible es la que se puede ver con la vista normal en los colores del arco iris. La luz invisible es la que no se puede ver con la vista normal e incluye ondas más energéticas y de mayor frecuencia, como las ultravioletas, los rayos X y los rayos gamma. Las ondas de mayor longitud, como las infrarrojas, las microondas y las ondas de radio, también se exploran en el campo de la mecánica cuántica.
Algunos tipos de radiación electromagnética, como los rayos X, son radiaciones ionizantes y pueden ser perjudiciales para el organismo. Los rayos ultravioleta están cerca del extremo violeta del espectro luminoso y los infrarrojos están cerca del extremo rojo. Los rayos infrarrojos son rayos de calor y los ultravioletas provocan quemaduras solares.
Las distintas partes del espectro electromagnético difieren en longitud de onda, frecuencia y energía cuántica.
Las ondas sonoras no son ondas electromagnéticas, sino ondas de presión en el aire, el agua o cualquier otra sustancia.
Propiedades fundamentales
Las ondas electromagnéticas se caracterizan por:
- Velocidad: en el vacío viajan a la velocidad de la luz, c ≈ 3·108 m/s.
- Longitud de onda (λ): distancia entre dos crestas consecutivas. Se mide en metros (m), milímetros, micrómetros, etc.
- Frecuencia (ν): número de oscilaciones por segundo, en hertz (Hz). La relación entre velocidad, longitud de onda y frecuencia es c = λ·ν.
- Energía: cada fotón de una onda electromagnética tiene energía proporcional a la frecuencia: E = h·ν, donde h es la constante de Planck (≈ 6,63·10−34 J·s).
- Polarización: la dirección del campo eléctrico puede orientarse de distintas maneras; esto se aprovecha en filtros, antenas y dispositivos ópticos.
- Propagación en medios: su velocidad y comportamiento (reflexión, refracción, absorción) cambian según el medio por el que viajen.
El espectro electromagnético y sus regiones (aproximadas)
El espectro electromagnético abarca desde ondas de muy baja frecuencia y gran longitud de onda hasta radiaciones de muy alta frecuencia y pequeña longitud de onda:
- Ondas de radio: λ > 1 m (ν < 300 MHz). Usos: radiodifusión, comunicaciones, radiotelescopios.
- Microondas: λ ≈ 1 m – 1 mm (ν ≈ 300 MHz – 300 GHz). Usos: comunicaciones inalámbricas, radares, hornos microondas.
- Infrarrojo (IR): λ ≈ 1 mm – 700 nm. Asociado con calor, sensores térmicos, controles remotos.
- Luz visible: λ ≈ 700 nm – 380 nm. Rango que el ojo humano percibe (colores del arco iris).
- Ultravioleta (UV): λ ≈ 380 nm – 10 nm. Puede causar quemaduras solares y efectos biológicos; parte es ionizante.
- Rayos X: λ ≈ 10 nm – 0,01 nm. Radiación ionizante usada en diagnósticos médicos y en industria.
- Rayos gamma: λ < 0,01 nm. Altamente energéticos y ionizantes, se originan en procesos nucleares y astrofísicos.
Interacción con la materia y efectos en la salud
Cuando las ondas electromagnéticas inciden sobre la materia pueden ser reflejadas, transmitidas, absorbidas o dispersadas. La absorción puede calentar el material (como en microondas o infrarrojos) o, si la energía es suficiente, ionizar átomos y moléculas (radiación ionizante) causando daño celular y genético.
Clasificación importante:
- No ionizante: incluye radio, microondas, infrarrojo y la mayor parte de la luz visible. Sus efectos habituales son térmicos o de excitación electrónica no destructiva.
- Ionizante: UV de alta energía, rayos X y rayos gamma. Pueden romper enlaces químicos y dañar el ADN; su uso requiere medidas de protección y control.
Naturaleza cuántica: los fotones
Además de describirse como ondas, las ondas electromagnéticas tienen una naturaleza corpuscular: su cuantización aparece en paquetes llamados fotones. Cada fotón transporta energía E = h·ν. Esta dualidad onda-partícula es central en la mecánica cuántica.
Aplicaciones prácticas
- Comunicaciones: radio, televisión, telefonía móvil, Wi‑Fi (microondas y ondas de radio).
- Medicina: imágenes por rayos X, terapias con radiación, técnicas de diagnóstico por infrarrojo y visible.
- Industria y ciencia: espectroscopía, radares, técnicas de control no destructivo, astronomía (observación en radio, IR, visible, UV, X y gamma).
- Vida diaria: calefacción por infrarrojos, hornos microondas, pantallas y fuentes de luz visible.
Detección y medida
Las ondas electromagnéticas se detectan con diferentes dispositivos según su frecuencia: antenas para radio y microondas, detectores térmicos o fotodiodos para infrarrojo, fotodetectores y cámaras para visible, contadores y detectores especializados para UV, rayos X y gamma.
Diferencia con las ondas sonoras
Como se indica en el texto original, las ondas sonoras son ondulaciones de presión que requieren un medio material (aire, agua, sólido) para propagarse, mientras que las ondas electromagnéticas pueden propagarse en el vacío y no necesitan un medio material.
En resumen, las ondas electromagnéticas constituyen un conjunto amplio de fenómenos físicos con propiedades ondulatorias y corpusculares, con aplicaciones tecnológicas y científicas muy importantes y con efectos biológicos que dependen fuertemente de su energía y del tipo de interacción con la materia.
La gama de frecuencias electromagnéticas. "UHF" significa "ultra alta frecuencia", VHF es "muy alta frecuencia". Ambas se utilizaban antiguamente para la televisión en Estados Unidos.
Formulación matemática
En física, es bien sabido que la ecuación de onda para una onda típica es
∇ 2 f = 1 c 2 ∂ 2 f ∂ t 2 {\displaystyle \nabla ^{2}f={frac {1}{c^{2}}{frac {\parcial ^{2}f}{parcial t^{2}}}} 
El problema ahora es demostrar que las ecuaciones de Maxwell prueban explícitamente que los campos eléctricos y magnéticos crean radiación electromagnética. Recordemos que dos de las ecuaciones de Maxwell vienen dadas por
∇ × E = - ∂ B ∂ t { {\displaystyle \nabla \mathbf {E} =-{frac {\partial \mathbf {B}} {{parcial t}} 
∇ × B = μ o j + μ o ϵ o ∂ E ∂ t {{displaystyle \nabla \\\\N} =\mu _{o} {\mathbf {j} + +epsilon _{o} {{frac}} {{parcial} {E} {{mathbf}}. {{parcial t}} 
Evaluando el rizo de las ecuaciones anteriores y el cálculo vectorial se pueden demostrar las siguientes ecuaciones
∇ 2 E = 1 c 2 ∂ 2 E ∂ t {\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} ={\frac {1}{c^{2}} {{frac {\parcial ^{2}\mathbf {E}} {{parcial t}} 
∇ 2 B = 1 c 2 ∂ 2 B ∂ t {\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} ={\frac {1}{c^{2}} {{frac {\parcial ^2}\mathbf {B}} {{parcial t}} 
Nota: la prueba consiste en hacer la sustitución
c = 1 μ o ϵ {\displaystyle c={{frac {1}{sqrt {\mu _{o}{epsilon }}}} 
Las ecuaciones anteriores son análogas a la ecuación de onda, sustituyendo f por E y B. Las ecuaciones anteriores significan que las propagaciones a través de los campos magnético (B) y eléctrico (E) producirán ondas.
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Preguntas y respuestas
P: ¿Qué son las ondas electromagnéticas?
R: Las ondas electromagnéticas son ondas que contienen un campo eléctrico y un campo magnético y transportan energía. Viajan a la velocidad de la luz (299.792.458 metros por segundo).
P: ¿Qué es la mecánica cuántica?
R: La mecánica cuántica es un campo de estudio que se desarrolló a partir del estudio de las ondas electromagnéticas. Incluye el estudio tanto de la luz visible como de la invisible.
P: ¿Qué tipos de radiación electromagnética pueden ser perjudiciales para su organismo?
R: Algunos tipos de radiación electromagnética, como los rayos X, son radiaciones ionizantes y pueden ser perjudiciales para su organismo.
P: ¿Dónde se sitúan los rayos ultravioleta en el espectro luminoso?
R: Los rayos ultravioleta se encuentran cerca del extremo violeta del espectro luminoso.
P: ¿En qué parte del espectro luminoso se encuentran los rayos infrarrojos?
R: Los rayos infrarrojos se encuentran cerca del extremo rojo del espectro luminoso.
P: ¿En qué se diferencian los rayos infrarrojos de los ultravioletas?
R: Los rayos infrarrojos se utilizan como rayos de calor y los rayos ultravioletas provocan quemaduras solares.
P: ¿Las ondas sonoras se consideran ondas electromagnéticas?
R: No, las ondas sonoras no son ondas electromagnéticas sino ondas de presión en el aire, el agua o cualquier otra sustancia.
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