Cómo funciona el Infrarrojo

X V .
H E R T Z .
O N D A S
E L E C T R O M A G N É T I C A S
HEINRICH HERTZ (1857-1894), profesor de la Escuela Politécnica de Karlsruhe, en
Alemania, se interesó en la teoría electromagnética propuesta por Maxwell. La
reformuló matemáticamente logrando que las ecuaciones fueran más sencillas, y
simétricas. Desde 1884 Hertz pensó en la manera de generar y detectar en un
laboratorio las ondas electromagnéticas que Maxwell había predicho. Después de
mucho trabajo y de experiencias sin éxito, en 1887 construyó un dispositivo con el
que logró su fin. El experimento que realizó fue a la vez genial y sencillo.
Utilizó un carrete o bobina de Ruhmkorff; que es un transformador que produce un
voltaje muy alto. En seguida conectó el carrete a un dispositivo formado por dos
varillas de cobre (Figura 29); en uno de los extremos de cada varilla añadió una
esfera grande y en el otro una pequeña. Cada una de las esferas grandes servía
como condensador para almacenar carga eléctrica. Una vez hecha la conexión, en
cierto instante el voltaje entre las esferas chicas era lo suficientemente grande
para que saltara una chispa entre ellas. Hertz razonó que al saltar estas chispas
se produciría un campo eléctrico variable en la región vecina a las esferas chicas,
que según Maxwell debería inducir un campo magnético, también variable. Estos
campos serían una perturbación que se debería propagar, es decir, debería
producirse una onda electromagnética. De esta forma, Hertz construyó un radiador
de ondas electromagnéticas. Efectivamente, al conectar el carrete de Ruhmkorff a
su dispositivo; Hertz observó que saltaban chispas entre las esferas chicas de
manera intermitente. Así logró construir un generador de ondas electromagnéticas.
El siguiente paso fue construir un detector de las ondas electromagnéticas que
supuso eran emitidas por su dispositivo. Para este fin construyó varios detectores.
Uno de ellos era simplemente otro dispositivo similar al radiador; otro tipo fue una
espira metálica en forma circular que tenía en sus extremos dos esferas, también
conductoras, separadas una pequeña distancia. El argumento de Hertz fue el
siguiente: si en efecto existen ondas electromagnéticas, al ser emitidas por el
circuito se propagarán en todo el espacio circundante. Al llegar las ondas al
detector, se inducirá en él un campo eléctrico (además del magnético) y por tanto,
en las varillas conductoras o en la espira se inducirá una corriente eléctrica. Esto
hará que a través de sus extremos se induzca un voltaje, que si llega a tener un
valor suficientemente grande, dará lugar a que salte una chispa entre las esferas.
Mientras mayor sea el valor de la amplitud de la corriente eléctrica en el circuito
emisor, mayor será la magnitud del campo eléctrico inducido y por lo tanto, mayor
será la diferencia de potencial entre los extremos de la espira del receptor. Esto es
precisamente lo que encontró Hertz en su experimento. Con su detector situado a
una distancia de alrededor de 30 m del radiador, observó que saltaba una chispa
entre las esferas del detector, con lo que demostró que las ondas
electromagnéticas ¡efectivamente existen! Más tarde, el mismo Hertz pudo
demostrar que estas ondas se reflejan, se refractan y se comportan como las
ondas de luz (véase el capítulo XIV), hecho considerado por la teoría de Maxwell.
Así lo reportó Hertz en 1888: "Es fascinante que los procesos que investigué
representan, en una escala un millón de veces más amplia, los mismos
fenómenos que se producen en la vecindad de un espejo de Fresnel, o entre las
delgadas láminas para exhibir los anillos de Newton." Con esto, Hertz se refería a
que la longitud de onda de las ondas que su aparato produjo eran un millón de
veces la longitud de onda de la luz visible.
Figura 29. Esquema del aparato generador de ondas electromagnéticas construido por
Hertz.
De los valores que utilizó para los elementos del circuito, Hertz estimó que la
frecuencia f de la onda era de alrededor de 3 x 107 Hz. Además Hertz determinó
que la longitud de la onda  era de 10 m. Con estos valores determinó que la
velocidad v de la onda es:
v = f = (3 X 10 Hz) X (10 m) = 3 X 10 m/s = 300 000 km/s
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igual que el valor predicho por Maxwell, o sea, la velocidad de la luz.
De esta manera se realizó en forma brillante la primera demostración experimental
de la existencia de ondas electromagnéticas, generadas para una frecuencia (y
por tanto, longitud de onda) particular. Recordemos que como hay una relación
entre la frecuencia y la longitud de onda dada por la ecuación antes mencionada,
si se conoce una se puede obtener la otra.
No había motivo por el cual no se pudiesen generar ondas con diferentes
frecuencias, desde las más bajas hasta las más altas. Al conjunto de posibles
valores de la frecuencia (o de la longitud de onda) se le llama el espectro
electromagnético. Posteriormente, con diferentes tipos de técnicas electrónicas ha
sido posible generar, detectar y analizar casi todo el dominio de valores de las
ondas electromagnéticas. En la figura 30 se muestra, esquemáticamente, un
diagrama del espectro electromagnético, con los nombres que reciben los
diferentes dominios. Se presentan tanto los valores de la frecuencia como de su
longitud de onda.
Figura 30. El espectro de ondas electromagnéticas
.
Dentro del espectro electromagnético hay una región, entre las longitudes de onda
de 4 x 10-5 cm hasta 7 x 10-5 cm, que constituye la luz visible (Figura 31). La
retina humana es sensible a ondas electromagnéticas dentro de este dominio. Al
llegar ondas de estas longitudes de onda a nuestros ojos nos dan la sensación de
luz. El ojo humano no ve las ondas electromagnéticas que están fuera de este
dominio.
Figura 31. El espectro de la luz visible. A cada color le corresponde una longitud de
onda.
A cada longitud de onda le corresponde un color particular. Si por ejemplo, su
valor es de 5.7 x 10-5 cm, entonces nuestros ojos perciben esta onda de color
amarillo. Hay muchas tonalidades de amarillo, cada una con su longitud de onda
particular. De hecho, los amarillos quedan comprendidos entre longitudes de onda
de 5.56 x 10-5 cm. Algo análogo ocurre con los demás colores.
Nótese que las longitudes de onda de la radiación de la región visible son
extremadamente pequeñas. Así, la de uno de los amarillos arriba mencionados es
de 5.7 x 10-5 cm = 0.000057 cm. En el caso del experimento de Hertz, la longitud
de onda fue de 10 m, que está fuera de la región visible, por lo que él no pudo
verla con sus ojos. La pudo detectar con el receptor que ya describimos.
El experimento de Hertz fue muy bien recibido y dio lugar a que se aceptara
rápidamente el trabajo de Maxwell. La teoría se aplicó a una gran variedad de
fenómenos, todos con gran éxito. De esta forma, a principios del siglo XX la teoría
electromagnética de Maxwell ocupó una posición equivalente a la de la mecánica
de Newton, como una parte de las leyes fundamentales de la física.
Además, con base en la teoría de Maxwell se iniciaron posteriormente
aplicaciones prácticas espectaculares, como las comunicaciones inalámbricas,
campo que se desarrolló a partir de fines del siglo pasado y que ha logrado
extraordinarios avances y aplicaciones en nuestro siglo, convirtiéndose en una de
las características de la civilización contemporánea. En los siguientes capítulos
hablaremos de estos logros.
Cuaderno básico de protección radiológica en
radiodiagnóstico médico
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS.- Las ondas electromagnéticas están
constituidas por campos eléctricos y magnéticos variables, perpendiculares entre
sí. Las ondas electromagnéticas son ondas transversales. Las ondas
electromagnéticas son ondas que se propagan en el vacío. Con una velocidad en
el vacío de 3 m/s.
La radiación electromagnética tiene naturaleza de partículas, viniendo dada por la
teoría de los cuantos. Einstein postuló en 1905 que la radiación se propagaba en
forma de cuantos de radiación o fotones con esta energía. En esta teoría se
supone, por consiguiente, que la radiación electromagnética tiene naturaleza de
partícula por cuanto la considera como partículas a los fotones (sin masa).
La radiación electromagnética tiene una naturaleza dualista, debiendo
considerarse tanto como un movimiento ondulatorio como un fenómeno de
partículas.
Los rayos X, la radiación gamma y la luz son ondas electromagnéticas, que tienen
en común su velocidad de propagación en el vacío y se diferencian por su longitud
de onda. Así pues, la radiación gamma abarca longitudes de onda desde 10 -14 a
10-10 m, los Rayos X desde 6.10 m. a 10 y la luz de 3.8x10 .
La relación entre la velocidad de propagación y la longitud de onda coincide con la
frecuencia de la radiación electromagnética y la energía de los índice con la
frecuencia de la radiación electromagnética y la energía de los fotones que la
componen es directamente proporcional a su frecuencia por lo que la radiación
gamma es más energética que los rayos X y éstos a su vez más que la luz, lo que
hace que produzcan efectos distintos al interaccionar con la materia.
FOTÓN.- Partícula fundamental del campo electromagnético (sin masa). Hacia el
año 1900 empezaron a estudiarse ciertos fenómenos provocados por radiaciones
luminosas y que no podían ser explicados por la teoría electromagnética de la luz.
Uno de tales fenómenos era el llamado efecto fotoeléctrico, consistente en la
emisión de electrones por las superficies de los metales al ser iluminados por un
rayo de luz. A los electrones así emitidos se les suele llamar fotoelectrones.
Cuando los electrones desplazados de sus órbitas vuelven a sus órbitas normales,
se libera la energía correspondiente mediante la emisión de fotones de radiación
electromagnética.
EXCITACIÓN E IONIZACIÓN.- Para que un átomo se encuentre en estado de
excitación, será necesario que alguno de sus electrones ocupe una órbita en la
que tenga mayor energía que la que le corresponde en aquel. Cuando esto ocurre
se dice que el átomo está en un estado excitado. Un estado excitado puede
alcanzarse por diversas causas. Las colisiones son debidas a la agitación termina,
ocurre constantemente entre los átomos de una sustancia; un gas, por ejemplo,
puede ser causa de que algunos de ellos alcancen un estado excitado.
Un átomo excitado al cabo de cierto tiempo se desprende de su energía,
espontáneamente, emitiendo un fotón cuya energía coincide con la diferencia de
las correspondientes al estado excitado y al fundamental.
Cuando el átomo pierde un electrón, quedará ionizado positivamente.
Cuando el átomo gane un electrón, quedará ionizado negativamente.
FENÓMENO DE IONIZACIÓN.- Cuando las acciones exteriores, de un átomo,
son capaces de comunicar a uno de los electrones del átomo, una energía
suficiente, para que se aleje hasta el infinito; en otras palabras, para que se libere
del átomo dejando de orbitar en torno a su núcleo. Cuando esto ocurre, el sistema
atómico, tiene más protones que electrones. Es por lo tanto un sistema de carga
positiva: ION POSITIVO. El átomo se ha quedado ionizado.
NIVELES EXCITADOS EN EL ÁTOMO.- La energía que requiere cada electrón
orbital para liberarse de su ligadura nuclear es la denominada energía de
ionización. Esta energía varía según la capa que ocupe el electrón y según la
especie atómica de que se trate, entre unos 2 eV y unos 70 KeV.
RAYOS X.- Las partículas con carga eléctrica cuando se ven aceleradas emiten
radiación. El rango de energía de las transiciones que hace falta para producir
rayos X está entre 0.1 KeV y alrededor de 1 MeV. Cuando bombardeamos una
placa metálica con una corriente de electrones. El espectro que se obtiene tendrá
una componente debida a la radiación de frenado y que será continua ya que se
produce a todas las energías, y otra en forma de picos debido a las transiciones
electrónicas que el haz induce en los átomos del material bombardeado, la placa
metálica o ánodo.
RAYOS GAMMA.- Se producen en transiciones nucleares y por lo tanto, dado que
las energías que entran en juego en los procesos relativos al núcleo son mucho
mayores que las debidas a procesos electrónicos, la radiación emitida será más
energética. Cuando un núcleo se encuentra en un estado inestable se
descompone en dos cuyos estados suelen ser excitados, por lo que se desexcitan
emitiendo radiación gamma. La radiación emitida está en rangos desde los KeV
hasta los GeV.
Cómo funciona el Infrarrojo
Por: Steve Hill, OTS Corporation
El siguiente artículo fue escrito para explicar que significa Infrarojo (I/R) y cómo
trabaja. Aunque muy simplificado este articulo brindará al lector algún entendimiento
sobre el Infrarojo de manera que este pueda utilizar su poder para mejorar la
productividad en el laboratorio de fabricación.
Los hornos infrarrojos han sido utilizados en la industria Ortésico-Protésica por más
de diez años en diferentes formas. La Corporación OTS ha fabricado el horno
Infrarojo PDQ por más de ocho años y este es el único horno específicamente
construido para la fabricación de ortésis y miembros artificiales. Utilizando rayos
infrarrojos como fuente de calor, se puede calentar láminas plásticas de polipropileno
de 3/16" a temperatura de moldeado en tan poco como 6 minutos y láminas plásticas
de polipropileno de 5/8" para formar burbuja en 20 minutos.
La Corporación OTS está ubicada en Barnardsville, North Carolina, Estados Unidos.
Con ocho modelos diferentes, la compañía tiene un horno para cada necesidad.
Corta Historia de los Rayos Infrarrojos para el Profesional de O&P
Parece existir un manto de misterio alrededor del Infrarojo. Es en realidad algo muy
sencillo y que encontramos todos los días. Para entender mejor el Infrarojo debemos
empezar por el principio y establecer algunos antecedentes.
Primero, es importante entender que los objetos calientes no irradian calor. Irradian
ondas electromagnéticas que, al ser absorbidas por una superficie, provocan que esta
se caliente. Por ejemplo: en un día frío usted sale y se enfrenta al sol. Su cara se
calienta pero su espalda permanece fría. Si el sol irradiara calor, habría calentado el
aire antes de que usted se enfrentara a el. La radiación electromagnética puede pasar
a través del espacio sin calentarlo. Es por eso que el espacio exterior es tan frío a
pesar de estar más cerca del sol. Solo cuando las ondas electromagnéticas caen
sobre un objeto y son absorbidas por este, es que se transforman en el calor que
podemos sentir. No podemos sentir las ondas electromagnéticas pero podemos sentir
el calor que ellas producen.
Qué son ondas electromagnéticas?
Todos los materiales están compuestos de átomos que están en constante
movimiento. A medida que la energía es absorbida por un objeto, el movimiento de
sus átomos aumenta. La temperatura del objeto es directamente proporcional a la
vibración de sus átomos. * Mientras más vibran, más calientes se ponen. Los átomos
contienen protones y electrones que son partículas eléctricamente cargadas. Estas
partículas crean un campo eléctrico alrededor suyo y cuando se mueven este a su vez
crea un campo magnético. Los átomos de un objeto caliente vibran furiosamente. A
medida que estos átomos se mueven, los campos eléctricos y magnético que son
creados por las partículas cargadas se alteran. Esta alteración se llama, onda
electromagnética (muy parecidas a las ondas en un estanque). Los objetos que están
calientes, están irradiando ondas electromagnéticas. Cuando estas ondas llegan a un
objeto frío, los campos eléctricos y magnéticos de la onda electromagnética afectan
las partículas cargadas del objeto frío (átomos) y hacen que estas vibren. Mientras
más vibran, más calientes se ponen! Los átomos de un objeto frío absorben la
energía de las ondas electromagnéticas creadas por un cuerpo caliente que se
encuentra a distancia.
El Espectro Electromagnético:
Las ondas electromagnéticas, al igual que otro tipo
de ondas pueden ser descritas por su velocidad,
frecuencia y longitud de onda, pero son diferentes
porque no necesitan un medio por el cual viajar. Las
ondas del mar necesitan agua y las ondas sonoras
necesitan la atmósfera, pero las ondas
electromagnéticas pueden viajar a través del vacío del espacio. La luz visible, las
microondas, las ondas de radio, los rayos X, y las ondas infrarrojas son todos tipos
diferentes de ondas electromagnéticas. Todas viajan a la misma velocidad,
comúnmente conocida como la "velocidad de la luz". En lo único que difieren unas de
otras es en la longitud y frecuencia de sus ondas.
El espectro Electromagnético se divide en muchas frecuencias diferentes con
longitudes de onda diferente. La banda infrarroja colinda en un lado con la luz visible
y el otro con las microondas y se define como el área entre .72 y 1000 micrones. La
banda infrarroja tiene tres partes: infrarrojo cercano que se define como el área entre
.72 y 1.5 micrones, infrarrojo mediano entre 1.5 y 5.6 micrones e infrarrojo lejano de
5.6 a 1000 micrones. El micrón es la medida utilizada para medir longitudes de onda
y es equivalente a 1/1,000,000 de metro o 0.0004 pulgadas (el cabello humano
promedio mide 50 micrones de diámetro).
Toda energía es absorbida, transmitida o irradiada
cuando golpea un objeto y todos los materiales
tienen curvas de absorción que indican qué
longitudes de onda son mejor absorbidas por el
material. Para saber que frecuencia, longitud de onda
de radiación infrarroja queremos que nuestro horno
produzca, necesitamos establecer la curva de
absorción del material que queremos calentar. En órtesis y prótesis se requiere que el
horno caliente plástico de tipo poli-olefin. La curva de absorción indica que la unión
carbón/hidrógeno de la mayoría de los plásticos se rompe en el rango infrarrojo
mediano (aproximadamente a 3.5 micrones). Idealmente se prefiere que el horno
produzca la mayor parte de su energía en esta área, por tanto es importante
seleccionar un emisor infrarojo que haga esto.
Aumentar la Productividad:
Es importante qué longitud de onda será mejor absorbido por tus plásticos? O es
suficiente que el plástico se caliente? Conocer los efectos de los rayos infrarrojos, nos
permitirá procesar mejor los plásticos haciéndonos más eficientes y aumentando
nuestra productividad.
* Cero absoluto (-460 grados F, -273 grados C) es la temperatura a la cual la
vibración atómica se detiene.