Espectro electromagnético

¿Qué es el espectro electromagnético?

Hay muchoas variedades diferentes de ondas electromagnéticas. Por ejemplo:

Asimismo, sus usos y aplicaciones pueden ser muy diferentes. Sin embargo, todas las ondas electromagnéticas son, sencillamente, casos del mismo fenómeno que la luz que vemos. Por esta razón, tienen muchas propiedades en común:

• Las ondas electromagnéticas son ondas transversales; las vibraciones que crean son siempre perpendiculares a la dirección en que estas se propagan.

• Las ondas electromagnéticas pueden propagarse en el espacio vacío.

• Las ondas electromagnéticas transfieren energía de la fuente al receptor. Esta forma de transferencia de energía también se denomina radiación electromagnética.

• Todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad: la velocidad de la luz. Esta es, aproximadamente, \(3\cdot 10^{8}\,\mathrm{m/s}\) en el vacío.

Espectro electromagnético según la longitud de onda

Podemos clasificar los distintos tipos de ondas electromagnéticas que forman el espectro según su longitud de onda. Pero antes de hacerlo, repasemos algunos de los términos que utilizamos para describir las ondas.

Propiedades de las ondas

Fig. 1: La amplitud de una onda puede medirse desde la posición de equilibrio hasta una cresta/pico o un valle. Además, aunque podemos hallar la longitud de onda midiendo la distancia desde dos puntos equivalentes cualesquiera, a menudo es más fácil medir la distancia entre dos crestas o valles consecutivos.

Ahora que tenemos una buena idea de lo que entendemos por longitud de onda de una onda, veamos cómo clasificamos las ondas electromagnéticas según rangos específicos de longitud de onda.

Tabla 1: Tipo y rango de ondas electromagnéticas.

Ten en cuenta que estos rangos no son muy estrictos y puede haber un pequeño solapamiento entre los distintos tipos de ondas electromagnéticas.

Frecuencias del espectro electromagnético

Otra alternativa habitual para clasificar los tipos de ondas del espectro electromagnético es por la frecuencia de las ondas. La frecuencia de una onda es una propiedad estrechamente relacionada con su periodo. Repasemos primero esta última propiedad.

Fig. 2: El periodo de una onda es el tiempo que tardan en producirse dos máximos consecutivos o dos mínimos consecutivos.

Ahora, ya estamos preparados para entender qué es la frecuencia.

Para calcular la frecuencia, podemos utilizar la fórmula siguiente.

\[f=\dfrac{1}{T}\]

Aquí:

• \(f\) es la frecuencia en hercios \(\mathrm{Hz}\)
• \(T\) es el periodo en segundos \(s\).

Ahora podemos ver la clasificación de los distintos tipos de ondas que forman el espectro electromagnético en función de sus longitudes de onda y frecuencias.

Tabla 2: Clasificación de ondas ondas electromagnéticas, según rangos de frecuencia y longitud de onda.

Hemos definido rangos de frecuencias y longitudes de onda para decir el tipo de una onda electromagnética. Estos rangos también se llaman longitudes de onda y bandas de frecuencia. Si estas dos clasificaciones son equivalentes, ¿hay alguna forma de que estas dos propiedades estén relacionadas? La respuesta es ¡sí!

Velocidad de las ondas y la relación entre frecuencia y longitud de onda

Podemos calcular la velocidad de una onda mediante la siguiente fórmula:

\[v=f\cdot\lambda\]

Donde:

• \(v\) representa la velocidad de la onda, en metros por segundo (\(\mathrm{m/s}\))
• \(f\) representa la frecuencia, en hercios (\(\mathrm{Hz}\))
• La letra griega lambda \(\lambda\) representa la longitud de onda, en metros (\(\mathrm{m}\)).

Todas las ondas obedecen a la ecuación anterior, y esto incluye a las ondas electromagnéticas. Pero sabemos que todas las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz (\(c\)), por lo que podemos escribir la siguiente ecuación para las ondas electromagnéticas:

\[c=f\cdot\lambda\]

Pero, podemos hacerlo aun mejor: podemos aislar la frecuencia

\[f=\dfrac{c}{\lambda}\]

o la longitud de onda

\[\lambda=\dfrac{c}{f}\].

Como muestran estas ecuaciones, la frecuencia y la longitud de onda son inversamente proporcionales. Una onda con una frecuencia mayor tiene una longitud de onda menor, y viceversa.

Diagrama del espectro electromagnético

Ahora que ya conocemos los términos utilizados para describir las ondas electromagnéticas, podemos presentar un diagrama del espectro electromagnético clasificado en términos de frecuencias y longitudes de onda. La figura siguiente muestra algunos objetos cotidianos dentro del mismo orden de magnitud en tamaño que las ondas correspondientes. Observa lo pequeña que es la parte del espectro que podemos ver:

Fig. 3: Las ondas que forman el espectro electromagnético pueden clasificarse por su longitud de onda o por su frecuencia.

Como puedes ver en la imagen, el espectro electromagnético no tiene interrupciones o huecos aparentes en toda su gama de longitudes de onda —o frecuencias—. Por eso decimos que el espectro electromagnético es continuo.

Ahora, únicamente ciertos tipos de ondas electromagnéticas de la imagen anterior se clasifican como radiaciones ionizantes. ¿Sabes qué significa esto?

Energía del espectro electromagnético

Recuerda que las ondas electromagnéticas transportan energía desde su fuente hasta un receptor. Las ondas electromagnéticas clasificadas como radiaciones ionizantes transportan tanta energía que, cuando interactúan con átomos y moléculas, pueden quitarles electrones. Este proceso conveirte a ese átomo o molécula en un ion.

Vuelve a mirar la imagen: Las ondas eléctricas ionizantes son las que tienen frecuencias más altas, y esto no es casualidad. La energía de una onda electromagnética es directamente proporcional a su frecuencia. Cuanto mayor es la frecuencia de una onda electromagnética —o, lo que es lo mismo, cuanto menor es su longitud de onda—, más energía transmite.

Por tanto, el peligro potencial de estar expuesto a una onda electromagnética aumenta a medida que aumenta su frecuencia:

• Las microondas pueden provocar un calentamiento interno en las células de nuestro cuerpo.

• Los infrarrojos pueden causarnos quemaduras en la piel.

• Los rayos X y gamma pueden dañar las células de nuestro cuerpo y provocar mutaciones en ellas.

• La radiación ultravioleta puede dañar las células de la superficie de nuestra piel y nuestros ojos; esto provoca cáncer de piel y afecciones oculares.

  • Por eso es tan importante llevar crema de protección solar, que puede bloquear parte del espectro ultravioleta; así, protege nuestra piel.

Ten en cuenta que los riesgos relacionados con la exposición a las radiaciones electromagnéticas aumentan a medida que aumenta la exposición. En otras palabras, el riesgo de exposición a la radiación es acumulativo.

Pero, así como esta radiación puede ser muy peligrosa, también puede tener muchas aplicaciones prácticas, si se utiliza correctamente.

Aplicaciones del espectro electromagnético

Debido a sus diferentes características —como su capacidad de penetración, la energía que transportan o cómo interactúan con la materia—, tenemos diferentes aplicaciones para las distintas ondas electromagnéticas del espectro. Veamos algunos ejemplos de aplicaciones y aprendamos por qué vemos diferentes colores en los objetos que nos rodean.

Ondas de radio

Estas ondas electromagnéticas se utilizan para la radiodifusión, las comunicaciones y las transmisiones por satélite.

Microondas

Se utilizan habitualmente para cocinar y calentar nuestros alimentos, pero también se emplean en comunicaciones y transmisiones por satélite.

Infrarrojos

Aunque también se utilizan para cocinar, tienen aplicaciones en imágenes térmicas, comunicaciones de corto alcance, fibras ópticas, mandos a distancia y sistemas de seguridad.

En general, todos los cuerpos emiten energía en forma de radiación electromagnética. La temperatura de un objeto determina el tipo principal de ondas electromagnéticas que emite.

A estas altas temperaturas, la radiación emitida por el filamento incluye una cantidad importante de luz visible.

Temperaturas mucho más bajas, como la de nuestro cuerpo o la de un teléfono caliente después de ser cargado, tienen una emisión que predomina en la parte infrarroja del espectro electromagnético, por lo que no podemos verla. Sin embargo, podemos fabricar cámaras que nos permiten ver esta radiación indirectamente utilizando sensores especiales. La imagen siguiente muestra una foto de un perro tomada con una cámara de infrarrojos.

Fig. 4: Una cámara de infrarrojos puede registrar las distintas ondas infrarrojas y hacer una foto que muestre la distribución de temperaturas de un objeto.

Observa que los colores de la imagen no son los colores de las ondas infrarrojas. No podemos ver las ondas infrarrojas, pero la cámara puede percibirlas. Entonces, registra la información de la radiación infrarroja y crea una imagen utilizando los colores que podemos ver, para que notemos las diferentes temperaturas de las distintas partes del objeto o sujeto.

Hablemos ,entonces, con más detalle de las ondas electromagnéticas que podemos ver y de cómo percibimos los distintos colores.

Luz visible

Todo lo que podemos ver refleja o emite luz visible. También nos referimos a la luz visible, simplemente, como luz.

Las frecuencias correspondientes a esta luz que podemos ver van de \(380\) a \(750\,\mathrm{nm}\). Esto equivale al rango de \(3,8\cdot 10^{-11}\, - \, 7,5\cdot 10^{-11}\,\mathrm{m}\). Percibimos colores distintos según la frecuencia de la luz que llega a nuestros ojos.

Fig. 4: Las distintas frecuencias de la parte de luz visible del espectro electromagnético se perciben como colores diferentes.

Cuando vemos que un objeto es de un color determinado, en general, es porque refleja la frecuencia de luz correspondiente a ese color y absorbe el resto de la luz visible.

Fig. 5: En general, un objeto tendrá el aspecto de un color determinado porque refleja la frecuencia de ese color de la luz visible y, al mismo tiempo, absorve el resto.

Algunos otros animales e insectos pueden ver una parte distinta del espectro electromagnético.

Como ya hemos explicado, todos los cuerpos emiten radiación de una forma que depende de su temperatura. Para las temperaturas típicas del cuerpo de una persona, un perro o un ratón, la radiación cae en la parte infrarroja del espectro electromagnético. Por lo tanto, tenemos dificultades para ver un ratón en la oscuridad, porque necesitamos que la luz visible se refleje desde el ratón hasta nuestros ojos para verlo.

Fig. 6: Una persona solamente puede ver un objeto cuando emite luz visible, o cuando la luz visible se refleja en él. Sin embargo, las abejas y las serpientes pueden percibir distintas partes del espectro electromagnético que nosotros no podemos.

El diagrama muestra cómo una serpiente puede percibir al ratón y cómo la abeja puede percibir un patrón ultravioleta en las flores. Sin embargo, estas imágenes son representaciones que utilizan los colores que podemos ver. Esto no significa que las serpientes o las abejas vean estos objetos con estos colores precisos.

Ultravioleta

Estas ondas electromagnéticas se utilizan en las lámparas fluorescentes, detección de billetes y dinero falso, la desinfección del agua y el curado de la resina para aplicaciones dentales.

Una sustancia fluorescente puede absorber radiación en la parte ultravioleta del espectro que no podemos ver. Pero entonces, la sustancia emite luz con una frecuencia diferente. Esta luz emitida es visible para nosotros. Por tanto, una sustancia fluorescente tiene un color diferente que solamente puede verse cuando se expone a la radiación ultravioleta.

Fig. 7: Imagen de un escorpión de Arizona tomada bajo luz ultravioleta.

Rayos X

Se utilizan para observar la estructura interna de los objetos. Puede que lo hayas visto en los escáneres de seguridad de los aeropuertos o en las radiografías médicas.

Fig. 8: Los rayos X pueden penetrar en la piel de nuestro cuerpo, pero no en los huesos, que son más densos. Por tanto, utilizando una película sensible a los rayos X, podemos formar una imagen de los huesos.

Rayos gamma

Este tipo de radiación electromagnética tiene muchos usos, desde la esterilización de alimentos y equipos médicos hasta la detección del cáncer y su tratamiento.

Fig. 10: Cuando la radiación llega a las bacterias de la fruta, daña su ADN irreparablemente y provoca la muerte de las bacterias.