El espectro electromagnético

Se conoce como espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de todas las ondas electromagnéticas.

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De las ecuaciones de Maxwell se desprende que cualquier onda electromagnética constituye una propagación de una perturbación de un campo eléctrico y otro magnético, simultáneos y perpendiculares entre sí. Además, también predice que su velocidad en el vacío es una constante, cuyo valor es:

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Teóricamente son posibles todas las frecuencias o longitudes de onda, por lo que el espectro electromagnético es continuo. La relación entre frecuencia (f) y longitud de onda (λ) viene dada por:

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Teniendo en cuenta esta expresión podemos afirmar que las ondas de mayor frecuencia son las que tienen menor longitud de onda, y viceversa. Además, según la ecuación de Planck, la energía de una onda electromagnética es directamente proporcional a su frecuencia (o inversamente proporcional a su longitud de onda):

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Así, el espectro electromagnético abarca todas las ondas electromagnéticas, ordenadas en función de su frecuencia (o longitud de onda) y, por tanto, en función de su contenido energético:

  • Las ondas de radio o radiofrecuencias (RF) son las menos energéticas, con un intervalo muy amplio de frecuencias, que van desde los 3 Hz hasta los 300 GHz (longitudes de onda superiores a 1 mm, hasta miles de kilómetros). A pesar de su nombre, además de en las transmisiones de radio, tamboén son usadas para la televisión, el radar o la telefonía móvil.

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  • Las microondas se encuentran entre 1 y 300 GHz, por lo que son el tramo más energético de las radiofrecuencias, empleadas en radares, televisión vía satélite, telefonía móvil, conexiones inalámbricas y hornos microondas.

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  • Los infrarrojos (IR) se encuentran entre los 300 GHz hasta 400.000 GHz (longitudes de onda comprendidas entre 750 nm y 1 mm). Son emitidas por todos los cuerpos, aumentando con la temperatura. Son utilizados en dispositivos de visión nocturna o en mandos a distancia (así no interfieren con las radiofrecuencias), además de interesantes aplicaciones en la industria y en astronomía.

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  • La luz visible constituye una pequeña parte del espectro electromagnético, con frecuencias comprendidas entre 4 ˑ 1014  y 7’9 ˑ 1014 Hz (longitudes de onda comprendidas entre 380 y 750 nm). Estas frecuencias son las únicas que pueden ser percibidas por el ojo humano:

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  • Los ultravioletas (UV) tienen frecuencias mayores a las de la luz visible, desde 7’9 ˑ 1014 Hz a 3 ˑ 1016 Hz (longitudes de onda desde 10 a 380 nm, aproximadamente). Forma parte de los rayos solares, y resulta perjudicial para la vida, aunque la capa de ozono filtra la mayor parte, evitando que llegue a la superficie terrestre. Se emplea en las lámparas de luz negra (que se hace visible al iluminar ciertos materiales fluorescentes), como las que sirven para detectar billetes falsificados.

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  • Los rayos X tienen frecuencias aún mayores, entre 3 ˑ 1016 y 3 ˑ 1019 Hz (con longitudes de onda comprendidas entre 0’01 y 10 nm). Son muy energéticos y son capaces de atravesar cuerpos opacos. Tienen importantes aplicaciones médicas (radiología).

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  • Los rayos γ (gamma) son los más energéticos (y peligrosos), con frecuencias superiores a 3 ˑ 1019 Hz (longitudes de onda inferiores a 0’01 nm). Se producen en procesos radiactivos o en la desintegración de partículas subatómicas, y se encuentran también en el espacio interestelar. Son muy penetrantes e ionizantes, por lo que pueden resultar tremendamente dañinos.

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¿Qué es la luz?

Esta inocente pregunta ha causado grandes quebraderos de cabeza a los más importantes científicos de los últimos siglos. Christian Huygens propuso, en su Tratado de la Luz, publicado en 1678, que la luz tenía una naturaleza ondulatoria, igual que el sonido o las ondas en la superficie del agua. Esta idea también fue defendida por Robert Hooke, lo que le llevó a enfrentarse con el gran Isaac Newton, partidario de un modelo corpuscular de la luz, que quedaría recogido en su tratado Opticks, de 1704. Para Newton la luz estaba formada por pequeñísimas partículas que avanzan a través de un medio gracias a la propia inercia de su movimiento, lo cual podía explicar fenómenos como las sombras de los cuerpos, la reflexión o la refracción, bajo el supuesto de que su velocidad aumentaba al pasar de un medio a otro de mayor densidad.

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La relevancia de la figura de Newton hizo que su teoría de la luz dominase el panorama científico hasta que unos cien años después, en 1801, Thomas Young demostrase que la luz tenía un comportamiento ondulatorio, ya que su famoso experimento de la doble rendija mostraba cómo el fenómeno de interferencia, característico de las ondas, también lo experimentaba la luz:

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En los años posteriores otros muchos científicos, como Augustin Fresnel, realizaron experiencias que respaldaban la teoría ondulatoria de la luz, y determinaron, cada vez con más precisión, la velocidad a la que ésta se propagaba. En 1849, el parisino Hippolyte Fizau había atrapado un rayo de luz en un laberinto de espejos y, armado con un delicado mecanismo, logró medir su velocidad en el aire, obteniendo un valor de unos 315 000 000 m/s, que su compatriota Foucault afinó hasta los 298 000 000 m/s. El golpe definitivo a la teoría corpuscular vino cuando se observó que su velocidad disminuía al pasar de un medio a otro de mayor densidad, lo que contradecía las explicaciones de Newton.

A lo largo del siglo XIX se realizaron grandes avances en el conocimiento de los campos eléctricos y magnéticos, que culminaron en el año 1865 cuando el físico James Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos en una única teoría electromagnética. De ellas se desprendía que las perturbaciones del campo electromagnético se propagaban a una velocidad constante, próxima a los 300 000 000 m/s.

Este valor era sospechosamente cercano al de las mediciones que se habían hecho de la velocidad de la luz. Ante tan asombrosa coincidencia, Maxwell se atrevió a anunciar: la velocidad se aproxima tanto a la de la luz que, según parece, existen poderosas razones para concluir que la propia luz es una perturbación electromagnética que se propaga en forma de ondas a través del campo electromagnético, de acuerdo con las leyes electromagnéticas.

Todas las ondas se pueden describir mediante una expresión llamada ecuación de onda. A partir de las ecuaciones de la teoría electromagnética de Maxwell es posible obtener una ecuación de onda, análoga a la que describe las ondas sonoras, por lo que es posible deducir que:

La luz es una onda electromagnética, ya que se produce por la propagación de una perturbación de un campo eléctrico y un campo magnético simultáneos y perpendiculares entre sí.

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Las ondas electromagnéticas son ondas transversales, ya que las perturbaciones son perpendiculares a su dirección de propagación. Además, los campos eléctrico y magnético están en fase, es decir, ambos alcanzan su valor máximo (o mínimo) simultáneamente. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no requieren un medio material para su propagación. Por eso, la luz del Sol llega a la Tierra después de recorrer una gran distancia en el vacío.

Las ondas electromagnéticas que acabamos de definir se caracterizan por los mismos parámetros que las demás ondas, que son la amplitud, el periodo, la frecuencia y la longitud de onda. Cuando hablamos de luz, en general, hacemos referencia a aquellas ondas electromagnéticas que somos capaces de percibir. Al igual que existe un rango de sonidos audibles, la luz visible se corresponde con las ondas electromagnéticas que son capaces de estimular la retina, y son aquellas que tienen una longitud de onda comprendida entre 400 y 700 nm, aproximadamente. En realidad, existen muchísimas ondas o radiaciones electromagnéticas, que en conjunto forman lo que se conoce como espectro electromagnético:

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P.D.: En el año 1900 Max Planck dio una vuelta de tuerca al estudio de la naturaleza de la luz, abriendo el camino de la mecánica cuántica, aunque esa historia la dejaremos para otro momento…

¿Cómo medir la velocidad de la luz en casa?

Sencillo: ¡con un tranchete y un microondas! Veamos cómo con este curioso experimento casero.

Las microondas son ondas electromagnéticas, igual que la luz, y como tales se mueven a la misma velocidad. En el horno microondas, al igual que ocurre en una cuerda, las ondas se reflejan una y otra vez,  produciéndose ondas estacionarias:

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La reflexión provoca una interferencia constructiva, de modo que la onda resultante muestra nodos y picos de máxima intensidad a distancias regulares:

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Donde aparecen los picos la energía de la onda es mayor, y para que la comida se caliente de manera más uniforme el plato del microondas gira. Si quitamos el plato giratorio de nuestro microondas y colocamos en él un plato con una tira de queso y calentamos a baja potencia, conseguiremos que los puntos en los que incide más energía se calienten primero y se derritan:

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La distancia entre esos dos puntos es la distancia entre dos picos, es decir, la mitad de la longitud de onda de la radiación:

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Como se puede apreciar en la imagen, la distancia entre dos picos consecutivos es de unos 6 cm, es decir, que la longitud de onda es de 12 cm:

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Teniendo en cuenta la frecuencia a la que trabaja nuestro microondas (unos 2 450 MHz) podremos determinar la velocidad de la radiación electromagnética, ya que:

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Por tanto:

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El valor logrado es razonablemente bueno si tenemos en cuenta los medios con los que se ha realizado.

¡Ah! Si eres más de dulces, también puedes hacerlo con chocolate o con un regaliz. ¡Inténtalo y me cuentas!