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T3: Vibraciones y ondas
Ondas electromagnéticas
Teoría
2017 · Ordinaria · Titular
3A-a
Examen
a) Explique la naturaleza de las ondas electromagnéticas e indique las distintas zonas en las que se divide el espectro electromagnético, indicando al menos una aplicación de cada una de ellas.
Espectro electromagnéticoPropiedades de las ondas
a) Naturaleza de las ondas electromagnéticas y espectro electromagnético
Naturaleza de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas son perturbaciones que se propagan en el espacio mediante la oscilación acoplada de un campo eléctrico E⃗\vec{E} y un campo magnético B⃗\vec{B}, ambos perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación. Por esta razón son ondas transversales.Sus características fundamentales son:

• No necesitan medio material para propagarse: se propagan incluso en el vacío.• En el vacío se propagan a la velocidad de la luz: c=3×108 m/sc = 3 \times 10^8 \ \text{m/s}.• Transportan energía y cantidad de movimiento, pero no masa.• Verifican la relación: c=λ⋅fc = \lambda \cdot f, donde λ\lambda es la longitud de onda y ff la frecuencia.

Fueron predichas teóricamente por Maxwell (1865) a partir de sus ecuaciones del electromagnetismo, que mostraron que un campo eléctrico variable genera un campo magnético variable, y viceversa, dando lugar a una onda que se autopropaga. Hertz las verificó experimentalmente en 1887.

El espectro electromagnético

El espectro electromagnético es el conjunto ordenado de todas las ondas electromagnéticas clasificadas según su frecuencia (o longitud de onda). De menor a mayor frecuencia (y menor a mayor energía) se distinguen las siguientes zonas:

1) Ondas de radio (λ>0,1 m\lambda > 0{,}1 \ \text{m}, f<3 GHzf < 3 \ \text{GHz}): Son las de menor frecuencia y mayor longitud de onda. Aplicación: radiodifusión AM/FM, televisión, comunicaciones.2) Microondas (1 mm<λ<0,1 m1 \ \text{mm} < \lambda < 0{,}1 \ \text{m}): Aplicación: hornos microondas (calientan alimentos al hacer vibrar moléculas de agua), telefonía móvil y comunicaciones por satélite.3) Infrarrojo (700 nm<λ<1 mm700 \ \text{nm} < \lambda < 1 \ \text{mm}): Emitido por los cuerpos calientes. Aplicación: mandos a distancia, visión nocturna, termografía médica.4) Luz visible (400 nm<λ<700 nm400 \ \text{nm} < \lambda < 700 \ \text{nm}): La única zona detectable por el ojo humano, desde el rojo (≈700 nm\approx 700 \ \text{nm}) al violeta (≈400 nm\approx 400 \ \text{nm}). Aplicación: visión, iluminación, fotografía.5) Ultravioleta (10 nm<λ<400 nm10 \ \text{nm} < \lambda < 400 \ \text{nm}): Emitido principalmente por el Sol. Aplicación: esterilización (desinfección), diagnóstico de minerales fluorescentes, producción de vitamina D en la piel.6) Rayos X (10−2 nm<λ<10 nm10^{-2} \ \text{nm} < \lambda < 10 \ \text{nm}): Alta energía y gran poder de penetración en la materia. Aplicación: diagnóstico médico (radiografías), control de equipaje en aeropuertos.7) Rayos gamma (λ<10−2 nm\lambda < 10^{-2} \ \text{nm}): Las de mayor frecuencia y energía; se originan en procesos nucleares y radiactivos. Aplicación: radioterapia para el tratamiento del cáncer, esterilización de instrumental médico.

En todos los casos la energía transportada por cada fotón viene dada por la expresión de Planck:

E=h⋅f=h⋅cλE = h \cdot f = \frac{h \cdot c}{\lambda}

donde h=6,626×10−34 J⋅sh = 6{,}626 \times 10^{-34} \ \text{J·s} es la constante de Planck. Esto pone de manifiesto que cuanto mayor es la frecuencia (o menor la longitud de onda), mayor es la energía del fotón y, en general, mayor su capacidad ionizante.