martes, 31 de marzo de 2009

PROPIEDADES OPTICAS DE LAS ONDAS DE RADIO


Ondas de radio Ó Electromagneticas

Las ondas de radio son un tipo de
radiación electromagnética . Una onda de radio tiene una longitud de onda mayor que la luz visible . Las ondas de radio se usan extensamente en las comunicaciones.
Las ondas de radio tienen longitudes que van de tan sólo unos cuantos milímetros (décimas de pulgadas), y pueden llegar a ser tan extensas que alcanzan cientos de kilómetros (cientos de millas). En comparación, la luz visible tiene longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros, aproximadamente 5 000 menos que la longitud de onda de las ondas de radio. Las ondas de radio oscilan en frecuencias entre unos cuantos kilohertz (kHz o miles de hertz) y unos cuantos terahertz (THz or 1012 hertz). La
radiación "infrarroja lejana" , sigue las ondas de radio en el espectro electromagnético, los IR lejanos tienen un poco más de energía y menor longitud de onda que las de radio.
Las microondas, que usamos para cocinar y en las comunicaciones, son longitudes de onda de radio cortas, desde unos cuantos milímetros a cientos de milímetros (décimas a decenas de pulgadas).
Varias frecuencias de ondas de radio se usan para la televisión y emisiones de radio FM y AM, comunicaciones militares, teléfonos celulares, radioaficionados, redes inalámbricas de computadoras, y otras numerosas aplicaciones de comunicaciones.
La mayoría de las ondas de radio pasan libremente a través de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, algunas frecuencias pueden ser reflejadas o absorbidas por las partículas cargadas de la
ionosfera.
Nuestra sociedad contemporánea vive inmersa en la tecnología, de tal modo que no nos sorprende en absoluto el milagro de la televisión, los teléfonos celulares o las comunicaciones por satélite. Pero, en sus primeras aplicaciones las ondas de radio fueron una auténtica revolución, algo que para los profanos de la ciencia se identificaba más con un hecho sobrenatural que con un descubrimiento científico.
Guglielmo Marconi fue el primero en dar aplicación práctica a las ondas de radio, un fenómeno electromagnético que fuera estudiado anteriormente por el físico alemán Heinrich Hertz, de ahí que hoy en día se les denomine “ondas herzianas”.
Para entender qué es una onda herziana, tendríamos que comenzar por explicar cómo se mueven los electrones en un conductor y cuáles son sus efectos sobre él. En el Blog de Natureduca, puedes leer el artículo “
Qué es la electricidad“, donde se describe la electricidad básica con términos asequibles a los menos entendidos. A partir de ahí, intentaré explicar el fenómeno herziano.
Cuando los electrones circulan a través de un conductor producen a su alrededor un campo magnético. En la corriente alterna que utilizamos en nuestros hogares, esos electrones “alternan” su sentido 50 veces por segundo, es decir, primero circulan por el conductor en un sentido y después regresan en sentido contrario, así hasta completar 50 ciclos de ida y vuelta. La “frecuencia”, un término que seguramente utilizaremos muy a menudo en lo sucesivo, es precisamente el número de ciclos de ida y vuelta que se desarrollan en un segundo.


La frecuencia es el número de ciclos de ida y vuelta que se desarrollan en un segundo.
Cuando la electricidad se mueve por los conductores de nuestra instalación eléctrica, se está comportando como una emisora de radio muy rudimentaria, emitiendo en la frecuencia de 50 ciclos por segundo (50 cps). De hecho, si sintonizamos un receptor de radio en la banda de onda media, y lo acercamos a algún electrodoméstico, especialmente allí donde contenga bobinados, como un transformador o un motor, observaremos que al mover el dial aparece en alguno de sus puntos un armónico en forma de zumbido o ruido de sierra, producido por las ondas electromagnéticas que emiten los cables. Este zumbido es captado en ocasiones de forma indeseada por los receptores de radio, televisión y otros aparatos, como los ordenadores, de ahí que la mayoría de estos equipos se fabriquen con filtros de red (a veces integrados en el propio cable), con objeto de que estas ondas no interfieran en su funcionamiento.
En esta base de un monitor plano se puede observar un filtro de red insertado en medio del cable
Pero, la frecuencia de 50 cps no es apta para ser utilizada en la radiodifusión. Es tan baja, que aunque su señal sólo alcanzara unos pocos metros de distancia, los equipos emisores serían inmensamente grandes, e igualmente sus antenas. Además, no podrían enviar señales de audio (voz u otro tipo audible), ya que la propia frecuencia de 50 cps se encuentra dentro de la banda audible, que es de 20 a 20.000 ciclos; un violín, por ejemplo, sonaría entre los 10.000 y 15.000 ciclos.
Así pues, para que una onda de radio pueda desplazarse, llevar información y ser captada a larga distancia, es necesario elevar su frecuencia mucho más allá de los 20.000 ciclos, alejándola de la banda audible. La banda comercial de radio de onda media (OM), por ejemplo, trabaja en frecuencias que van desde 535.000 hasta 1.700.000 ciclos -el término más apropiado sería herzios (Hz), y así lo describiré en lo sucesivo-.
Para manejar mejor estas frecuencias matemáticamente, se utilizan múltiplos: 1000 Hz = 1 Khz; 1000 Khz = 1 Mhz; 1000 Mhz = 1 Ghz.
Entre 3 y 30 Mhz (3 y 30 millones de herzios) las ondas pueden desplazarse en mayor o menor grado a lo largo de la Tierra, rebotando en la atmósfera (en una capa llamada ionosfera), dando la vuelta al globo y pudiendo ser recibida por receptores que se encuentran en las antípodas del emisor. En este margen de frecuencias se encuentra la onda corta (OC), que tiempos atrás tuvo mayor protagonismo, durante las guerras y posguerras, entre desplazados y emigrantes que seguían los sucesos en sus países de origen gracias a los aparatos de radio que cubrían esta banda de frecuencias.
Conforme vamos elevando la frecuencia más allá de los 30 Mhz las ondas se van comportando de forma más direccional, es decir, se desplazan preferentemente en línea recta y pierden paulatinamente su capacidad de rebotar en los obstáculos, o en la ionosfera, por tanto cualquier receptor que se encuentre al otro lado de una barrera física para las ondas de esta banda, no las podrá captar.
Sin embargo, las ondas direccionales tienen otras importantes ventajas: cuanto más alta sea su frecuencia, más pequeñas pueden ser sus antenas y menos potencia se necesitará para llegar al mismo lugar, lo que se traduce en aparatos más pequeños y manejables. Además, estas ondas son menos vulnerables a las interferencias y a los efectos de la radiación electromagnética del Sol. Así, por ejemplo, las microondas son ondas que se mueven en frecuencias de centenas de millones de herzios; la televisión terrestre utiliza estas frecuencias para distribuir sus señales por todo un territorio antes de que llegue hasta nuestros hogares. Lógicamente, cualquier obstáculo en su camino impediría su avance, por eso se utilizan repetidores que enlazan unos con otros en cadena, normalmente situados en las cúspides de las montañas; en la actualidad, esta operación de enlace se realiza incluso mediante repetidores a bordo de satélites artificiales.
Una de las aplicaciones más interesantes de las microondas de radio es la exploración del espacio exterior. Normalmente, se utilizan frecuencias que superan el Gigaherzio (1.000 Mhz o mil millones de herzios). Gracias a ellas se pueden controlar ingenios espaciales, enviarles órdenes y recibir señales con variados tipos de datos (fotografía, video, telemetría…), con un consumo energético muy pequeño, en comparación con las grandes distancias a las cuales pueden ser enviados. Por supuesto, las comunicaciones entre tierra y los vehículos espaciales tripulados se realizan en esta banda de las microondas. Igualmente, la televisión por satélite es un hecho en nuestros hogares, gracias a estas ondas ultracortas.
Pero, la aplicación más cercana a nosotros, y que recibió un gran impulso en los últimos años, son los teléfonos móviles o celulares. Cuando hablamos o enviamos datos a través de estos aparatos, estamos utilizando una sofisticada expresión de las ondas de radio. Su banda de frecuencias suele estar en los 800-1000 Mhz, por eso las compañías telefónicas que sirven a los móviles requieren de múltiples antenas reemisoras distribuidas por toda la orografía de un territorio, de los cuales cuelgan los teléfonos móviles en forma de “células” dependientes de una central de conmutación automática. Esa central sabe en todo momento dónde se encuentra cada célula activa, y según su movimiento, acercándose o alejándose a una antena, irá conmutando la célula a aquella antena que le envíe la señal más clara o potente, e incluso realizando los cambios de frecuencia si fuera pertinente, todo ello automáticamente, y sin que el usuario se percate de toda la tecnología que se mueve detrás de una conversación o un simple mensaje SMS a través de un teléfono móvil.
He de decir, que las ondas de radio sólo son una mínima expresión del extenso espectro de ondas electromagnéticas, en realidad se encuentran en la parte más baja del espectro. Por encima de las ondas de radio se encuentran las ondas infrarrojas (un uso típico de ellas es el mando a distancia del televisor); le siguen las ondas de luz visible, es decir, las que nos permiten ver los objetos que nos rodean, y que sólo ocupan un estrecho margen de todo el espectro; por encima se encuentran las ondas ultravioleta, muy peligrosas para los seres vivos, y una parte de la cual es emitida por el Sol
Más allá de las emisiones ultravioleta se encuentran los rayos X, cuya utilización práctica más conocida es el diagnóstico médico mediante la técnica de la radiografía; finalmente, en el extremo del espectro electromagnético se encuentran los rayos gamma, las que llegan a la Tierra son el resultado de los violentos procesos cósmicos que se produjeron en el espacio profundo, como las supernovas.
Hemos sabido qué son y cómo se mueven las ondas electromagnéticas de radio, en los siguientes artículos haré una retrospectiva de las primeras experiencias en las emisiones de radio, e intentaré explicar cómo se envía la información a través de estas ondas.

  • Propiedades de las Ondas
Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c = 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (l) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión l·f = c son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.
Siendo las siguientes, las propiedades mas características de las ondas electromagnéticas.

Reflexión y Refracción
Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia (véase figura 1). El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo.
Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en un mismo plano. Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada (figura 2). En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma distancia que hay entre éste y el objeto que está delante.

Polarización
Los átomos de una fuente de luz ordinaria emiten pulsos de radiación de duración muy corta. Cada pulso procedente de un único átomo es un tren de ondas prácticamente monocromático (con una única longitud de onda). El vector eléctrico correspondiente a esa onda no gira en torno a la dirección de propagación de la onda, sino que mantiene el mismo ángulo, o acimut, respecto a dicha dirección. El ángulo inicial puede tener cualquier valor. Cuando hay un número elevado de átomos emitiendo luz, los ángulos están distribuidos de forma aleatoria, las propiedades del haz de luz son las mismas en todas direcciones, y se dice que la luz no está polarizada. Si los vectores eléctricos de todas las ondas tienen el mismo ángulo acimutal (lo que significa que todas las ondas transversales están en el mismo plano), se dice que la luz está polarizada en un plano, o polarizada linealmente.
Cualquier onda electromagnética puede considerarse como la suma de dos conjuntos de ondas: uno en el que el vector eléctrico vibra formando ángulo recto con el plano de incidencia y otro en el que vibra de forma paralela a dicho plano. Entre las vibraciones de ambas componentes puede existir una diferencia de fase, que puede permanecer constante o variar de forma constante. Cuando la luz está linealmente polarizada, por ejemplo, esta diferencia de fase se hace 0 o 180°. Si la relación de fase es aleatoria, pero una de las componentes es más intensa que la otra, la luz está en parte polarizada. Cuando la luz es dispersada por partículas de polvo, por ejemplo, la luz que se dispersa en un ángulo de 90°. Con la trayectoria original del haz está polarizada en un plano, lo que explica por qué la luz procedente del cenit está marcadamente polarizada.

Difracción
Es el fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se extiende después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una rendija estrecha, en lugar de seguir avanzando en línea recta. La expansión de la luz por la difracción produce una borrosidad que limita la capacidad de aumento útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos. Sólo un microscopio óptico de barrido de campo cercano puede superar el límite de la difracción y visualizar detalles ligeramente menores que la longitud de onda de la luz.
Superposición e Interferencia

Es el efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. Cuando las ondas interfieren entre sí, la amplitud (intensidad o tamaño) de la onda resultante depende de las frecuencias, fases relativas (posiciones relativas de crestas y valles) y amplitudes de las ondas iniciales .
Por ejemplo, la interferencia constructiva se produce en los puntos en que dos ondas de la misma frecuencia que se solapan o entrecruzan están en fase; es decir, cuando las crestas y los valles de ambas ondas coinciden. En ese caso, las dos ondas se refuerzan mutuamente y forman una onda cuya amplitud es igual a la suma de las amplitudes individuales de las ondas originales. La interferencia destructiva se produce cuando dos ondas de la misma frecuencia están completamente desfasadas una respecto a la otra; es decir, cuando la cresta de una onda coincide con el valle de otra.

Interferencia de fuentes puntuales
Este diagrama de interferencias se formó moviendo dos varillas rítmicamente arriba y abajo en una bandeja de agua. Se pueden observar efectos similares al meter y sacar del agua dos dedos u observando a dos patos nadando en un estanque cerca uno de otro. Las ondas procedentes de una de las fuentes puntuales (la varilla, el dedo o el pato) interfieren con las que proceden de la otra fuente. Si dos crestas llegan juntas a un punto, se superponen para formar una cresta muy alta; si dos valles llegan juntos, se superponen para formar un valle muy profundo (interferencia constructiva). Los anillos brillantes y oscuros son zonas de interferencia constructiva. Si la cresta de una fuente llega a un punto a la vez que el valle de la otra, se anulan mutuamente (interferencia destructiva). Las líneas oscuras radiales son zonas de interferencia destructiva.



Dispercion
Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan expuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac Newton: violeta, índigo, azul, verde, anaranjado y rojo (Así como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que no son directamente visibles por el ojo humano, pero que impresionan las placas fotográficas.
Absorción
Es la captación de luz, calor u otro tipo de energía radiante por parte de las moléculas. La radiación absorbida se convierte en calor; la radiación que no se absorbe es reflejada, y sus características cambian. Por ejemplo, cuando la luz solar incide sobre un objeto, suele ocurrir que algunas de sus longitudes de onda son absorbidas y otras reflejadas. Si el objeto aparece blanco, es porque toda o casi toda la radiación visible es reflejada. Pero cuando el objeto presenta un color distinto del blanco, significa que parte de la radiación visible es absorbida, mientras otras longitudes de onda son reflejadas y causan una sensación de color cuando inciden en el ojo. Un objeto que absorbe toda la radiación que incide sobre él se conoce como cuerpo negro.
En química, la absorción es la captación de una sustancia por otra. Por ejemplo, un gas como el oxígeno puede absorberse, o disolverse, en agua.
La adsorción, que frecuentemente se confunde con la absorción, hace referencia a la adhesión de moléculas de gases o líquidos a la superficie de sólidos porosos. La adsorción es un fenómeno de superficie; la absorción es una mezcla o interpenetración de dos sustancias.

2 comentarios:

  1. "Disperción" se escribe "Dispersión" en un español correcto. Gracias.

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  2. Realizo una investigación y me gustaría saber tus fuentes y referencias para saber con certeza de que se trata de información confiable. Gracias de antemano muy buen trabajo.

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