INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA EXTENSIÓN MATURÍN
ENSAYO
PROPIEDADES ÓPTICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Profesor: Ing. Nelson Montero
Realizado por: Br. Jesús Figueras
Materia: Radiación y Propagación.
Semestre: Sección: Maturín, julio del 2017.
VIII Aula Virtual
PROPIEDADES ÓPTICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Tras la obtención de Hertz de las ondas electromagnéticas en 1888, varios científicos e inventores en diversos países trabajaron en su desarrollo. El ingeniero e inventor italiano G. Marconi perfeccionó el sistema y en 1901 consiguió la primera transmisión entre Europa y América. La transmisión de la voz humana y de la música se consiguió cuando se descubrió como modular la amplitud de las ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas se originan por la perturbación de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí que pueden propagarse en el vacío. El conjunto de radiaciones electromagnéticas se puede ordenar en un espectro que se extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas y longitudes de onda pequeñas, hasta frecuencias muy bajas y longitudes de onda altas. Es sabido que las ondas luminosas son ondas electromagnéticas de alta frecuencia, por lo que resulta justificable y licito que las propiedades ópticas también se apliquen a las ondas de radio. De acuerdo con lo anterior se entiende entonces que la propagación de ondas y rayos, en el medio ambiente, puede diferir del comportamiento en el espacio libre, debido a efectos ópticos, como refracción, reflexión, difracción e interferencia. La refracción es el cambio de dirección que sufre una onda cuando pasa de un medio con una determinada densidad, a otro con una densidad diferente. Así mismo, la magnitud de la refracción presente en la interfaz de dos materiales, es cuantificable y depende del índice de refracción de ambas sustancias; siendo este la relación de la velocidad de propagación del rayo de luz en el espacio libre con la velocidad de la propagación de un rayo de luz en un material específico. Por otra parte, la reflexión (que hace referencia a “reflejar”) ocurre cuando una onda incidente choca con una barrera de dos medios y toda la potencia incidente, o parte de esta (incluso vibrando si entra en resonancia), no entra al segundo material reflejándose o rebotando. La reflexión también puede ocurrir, cuando la superficie reflejante es irregular o áspera, puesto que al frente de onda golpear esta superficie se dispersará aleatoriamente en diferentes direcciones (reflexión difusa); la reflexión en una superficie perfectamente lisa se llama reflexión especular.
La siguiente propiedad a mencionar es la difracción, que viene a ser la modulación o redistribución de energía, dentro de un frente de onda, cuando pasa cerca del extremo de un objeto opaco. Cuando un frente de onda pasa cerca de un obstáculo con discontinuidad de dimensiones comparables en tamaño a una longitud de onda, se debe acudir a el principio de Huygens, el cual permite predecir la posición futura de un frente de onda cuando se conoce su posición anterior; establece que los frentes de onda están formados por frentes de onda más pequeños, es decir, que cada punto de un frente de ondas primario se comporta como un emisor de ondas secundarias. Cabe destacar que el principio antes mencionado también sirve para estudiar las dos primeras propiedades antes descritas, refracción y reflexión. Finalmente, la última propiedad básica a describir es la interferencia de ondas de radio; ésta ocurre cuando dos o más ondas electromagnéticas se combinan de tal forma que el funcionamiento del sistema se degrada. La interferencia está sujeta al principio de superposición lineal de ondas electromagnéticas y ocurre cada vez que dos o más ondas ocupan, simultáneamente, el mismo punto en el espacio e indica que la intensidad total del voltaje, en un punto determinado del espacio, es la suma de los dos vectores de ondas individuales. Con el pasar de los años el estudio de las propiedades ópticas de las ondas electromagnéticas ha ayudado a ampliar el campo de aplicación las mismas. El uso más habitual de las ondas de radio es la transmisión de señales para comunicaciones. Para las emisiones de radio y televisión se utilizan ondas de radio largas, que pueden reflejarse en la ionosfera y permiten detectar antenas situadas en lugares lejanos de la fuente emisora. Las ondas de radios medias, si bien sufren menos reflexión, también se utilizan para llegar a grandes distancias. Las ondas cortas no tienen esta propiedad, con lo cual, para reiterar la señal se utilizan satélites artificiales. A nivel terapéutico las ondas electromagnéticas se aplican mediante el uso de corrientes alternas de frecuencia superior a los 100 KHz. En la actualidad, las ondas de radio se emplean sobre todo en el tratamiento denominado “onda corta”. Aparte de su efecto térmico, la onda corta posee otros efectos como son el aumento de la circulación (hiperemia), aumento leucocitario pasajero y acción analgésica y antiinflamatoria.
De igual forma, las radiaciones infrarrojas se utilizan para la construcción de alarmas, armas y cámaras de fotos que pueden detectar imágenes que no se observan con luz visible. Los rayos infrarrojos se utilizan comúnmente en nuestra vida cotidiana cuando se enciende el televisor y se cambia de canal con el mando a distancia; en el supermercado, cuando los productos se identifican con la lectura de los códigos de barras; y en las dispositivos de lectura y escritura de CD; siendo estas sólo algunas de las aplicaciones más simples, ya que se utilizan también en sistemas de seguridad, estudios oceánicos, medicina, etc; la radiación ultravioleta se utiliza para la esterilización de instrumentos de cirugía. Dentro de los rayos infrarrojos se encuentran las ondas de microondas, que vendrían siendo ondas con altas frecuencias y cortas longitudes, y que tienen muchas aplicaciones. Una de ellas es la de los hornos, cuyo funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación electromagnética de muy alta frecuencia agita las moléculas de agua contenidas en los alimentos y logra que vibren a gran velocidad, lo que se traduce en un aumento de su temperatura que produce su cocción. Las comunicaciones y el radar son otras dos aplicaciones de las microondas. Por último, y la que puede ser considerada como una de las aplicaciones más trascendentes de las ondas electromagnéticas, están los rayos X. Los rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación científica, la industria y la medicina. Como herramienta de investigación, los rayos X han permitido confirmar experimentalmente las teorías cristalográficas. Utilizando métodos de difracción de rayos X es posible identificar las sustancias cristalinas y determinar su estructura. Existen además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la identificación de gemas falsas o la detección de mercancías de contrabando en las aduanas; también se utilizan en los aeropuertos para detectar objetos peligrosos en los equipajes. Los rayos X ultrablandos se emplean para determinar la autenticidad de obras de arte y para restaurar cuadros. En la radioterapia se emplean rayos X para tratar determinadas enfermedades, en particular el cáncer, exponiendo los tumores a la radiación. También, en las tomografías TAC, la radiación X se utiliza para obtener cortes o secciones de objetos anatómicos con fines diagnósticos.
Para finalizar la presente disquisición, a modo de conclusión y síntesis, se puede aplicar un analogía muy básica a las cuatro propiedades ópticas explicadas en el contenido de este opúsculo, de acuerdo con la cual se puede imaginar la refracción como la flexión de un frente de ondas, la reflexión como rebote, la difracción como dispersión y la interferencia como choques. Cabe destacar, que se dice que la refracción, la reflexión, la difracción y la interferencia son propiedades ópticas porque se observaron primero en la ciencia de la óptica, que estudia el comportamiento de las ondas luminosas; así mismo la refracción, la reflexión y la difracción se catalogan como óptica geométrica, lo cual significa que su comportamiento se analiza, principalmente, en términos de rayos y frentes de ondas. Por otro lado la interferencia ocurre cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. En cuanto a las aplicaciones de las ondas electromagnéticas, se pudo dilucidar su versátilidad gracias a la diversidad existente y a sus propiedades ópticas, cada una de ellas con funciones igual de importantes, como por ejemplo: por medio de la reflexión y refracción se pueden utilizar las ondas electromagnéticas para transmitir información a largas distancias o a través de sistemas como la fibra óptica; en el caso de los rayos X la difracción permite imprentarlos como herramienta de investigación en el estudio de sustancias, así como también en el campo de la medicina en los concerniente al diagnóstico y prevención de enfermedades, utilizando Rayos X de alto poder de penetración. Todo lo anterior permite inferir y derivar en que el estudio de las ondas electromagnéticas ha sido un fuerte elemento de impulso para el desarrollo de la sociedad, desde sus inicios en 1888 con Hertz, hasta la actualidad.
