El Láser

El término LÁSER, light amplification by stimulated emission of radiation; significa amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación. 

Un láser es un dispositivo que produce un tipo especial de luz, produce un rayo de luz coherente  y monocromática, que se caracteriza por ser una luz intensa y direccional, que no se dispersa de manera que puede proyectarse a largas distancias.

Es una luz coherente por qué los pulsos que emite tiene una diferencia de fase constante.

Y es una luz monocromatica, por qué emite luz de un solo color, es decir de una sola longitud de onda.

 

Utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente.

La historia comenzó en 1916, cuando Albert Einstein estudiaba el comportamientode los electrones en el interior del átomo. Einstein pensó que existía la posibilidad de estimular los electrones de un átomo para lograr que emitieran luz en una determinada longitud de onda (principio de emisión estimulada). Einstein descubrió la emisión estimulada, pero para fabricar un láser se precisa también amplificación de dicha emisión estimulada.

Partes del Láser

Un láser típico consta de tres elementos básicos. 

1.- Una cavidad òptica resonante, en la que la luz puede circular, que consta habitualmente de un par de espejos de los cuales uno es 100 % reflejante (reflector total) y otro parcialmente transparente, que permite la salida de la radiación láser de la cavidad.

2.- Un medio activo con ganancia óptica, que puede ser sólido, líquido o gas que es el encargado de amplificar la luz. El medio activo es donde ocurren los procesos de excitación electrónica  mediante bombeo de energía, emisión espontánea y emisión estimulada de radiación.

3.- El bombeo. Para poder amplificar la luz, el medio activo necesita un cierto aporte de energía, llamada comúnmente bombeo. Este bombeo es generalmente un haz de luz (bombeo óptico). Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, o una corriente eléctrica (bombeo eléctrico), o el uso de cualquier otro tipo de fuente.

Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. 

El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. 

La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocromatica, sino que también «amplifica» la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

Como podemos observar en la figura, los electrones del estado fundamental E₁ son elevados a un nivel superior E₃ gracias a la aportación de energia exterior (bombeo). Los electrones ceden energia rapidamente (decaimento rápido) y llega al estado E₂ que es un estado metaestable. Lo que logra el bombeo óptico es que la mayoría de los  electrones estén constantemente en el nivel superior. Este proceso se denomina inversión de población, y es absolutamente indispensable para que se produzca la emisión láser.

«Si un electrón está en el estado superior y recibe un fotón de la misma frecuencia del que emitiría si bajara al nivel inferior, desestabilizará a este átomo, induciéndolo a emitir inmediatamente.» 

Cuando el átomo  capta electrones de energia adecuada E f_oton = E₂ – E₁, los electrones volveran al estado fundamental emitiendo luz coherente y monocromática.

Después de esta emisión estimulada existirán dos fotones en lugar de uno, el que estimuló y el estimulado.

Naturalmente, para que la emisión estimulada tenga lugar se requiere que el electrón permanezca en el estado superior un tiempo suficientemente largo para darle oportunidad al fotón estimulador a que llegue al átomo. Por esta razón, el proceso de emisión estimulada es más fácil si el nivel superior tiene una vida media relativamente larga (estado metaestable).

Es fácil ver que se provocará una reacción en cadena, por lo que a la salida se tendrán no uno, sino una multitud de fotones. Dicho de otro modo, se habrá amplificado la luz mediante el mecanismo de emisión estimulada

A fin de que éste sea un proceso continuo, podemos colocar un espejo semitransparente a la salida, para regresar parte de los fotones que salen, y así seguir provocando la emisión estimulada. A la entrada se coloca otro espejo, totalmente reflector.

 

 

Usos y aplicaciones

Uso médico

El Láser se puede enfocar mejor y con una densidad de energía extremadamente alta hacia un punto microscópico. Esto lo hace útil en medicina, cada vez más usado al actuar muy selectivamente sobre la lesión, dañando mínimamente los tejidos adyacentes. Por eso produce muy pocos efectos secundarios en cuanto a destrucción de otro tejido sano de su entorno e inflamación. Un láser enfocado puede actuar como un bisturí extremadamente agudo para la cirugía delicada.

 

En la dermatología, éstos pueden eliminar casi todos los defectos de la piel bajo anestesia local. Los láseres de He-Ne han sido utilizados con éxito en dermatología para el tratamiento de manchas en la piel, o como auxiliares para estimular la regeneración de tejido en cicatrices.

En oftalmología son utilizados los láseres que eliminan capas submicrométricas de la córnea, modificando su curvatura. 

Por medio de radiación láser (en este caso con láser de argón ionizado) es posible en la actualidad tratar casos de desprendimiento de retina. Para parar la hemorragia y coser los desgarros de la retina

Los láseres de mayor potencia se usan en la cirugía de cataratas si la membrana que rodea la lente implantada se vuelve lechosa (pierde transparencia).

 

Soldadura y corte

Una interesante aplicación de los láseres de CO₂ para soldar asas de acero inoxidables sobre cacharos de cocina de cobre. Una tarea casi imposible en la soldadura convencional debido a la gran diferencia en la conductividad térmica entre el acero inoxidable y el cobre, se hace tan rapidamente con el láser que las conductividades térmicas son irrelevantes.

En el corte mediante láser se utiliza la radiación procedente de la fuente láser para calentar la pieza hasta alcanzar la temperatura de fusión, al tiempo que una corriente de gas a presión arrastra el material fundido. La utilización del láser en este campo ofrece muchos aspectos positivos. El haz láser focalizado sobre la pieza tiene unas dimensiones mínimas, de modo que actúa como una herramienta puntual.

Topografia y alcance

Los láseres de helio-neón y de semiconductores se han convertido en piezas estándares del equipo del topógrafo de campo. Se envia un rápido pulso de láser a un reflector de esquina en el punto a medir y se mide el tiempo de reflexión para obtener la distancia.

 

 

 

 

 

 

Escáners de código de barras y lectores CD

Aplicaciones más cotidianas de los sistemas láser son, por ejemplo, el lector del código de barras, el almacenamiento óptico y  la lectura de información digital en discos compactos (CD) o en discos versátiles digitales (DVD), que se diferencia en que éstos últimos utilizan una longitud de onda más corta (emplean láser azul en vez de rojo).

Los escáneres de supermercados usan normalmente láseres de helio-neón para escanear códigos de barra universales que identifican los productos. El rayo láser rebota en un espejo giratorio y escanea el código, enviando un haz modulado a un detector de luz y luego a un ordenador que tiene almacenada la información del producto.

Otra de las aplicaciones son las fotocopiadoras e impresoras láser, o las comunicaciones mediante fibra óptica. 

Efecto fotoeléctrico. Experimento de Millikan

Robert Millikan fue uno de los científicos más famosos de su época. Ganó el premio Nobel de física en 1923 por la medición de la carga del electrón y por el trabajo experimental que confirmó la teoría de Einstein de que la luz estaba constituida por partículas.

Einstein, en 1905 publicó un artículo, en el que afirmaba que la única manera de explicar cómo la luz cede energía a los electrones es asumiendo que la luz está hecha de partículas, de forma análoga a la corriente eléctrica.
Einstein encontró que la energía de una partícula de luz es igual a su frecuencia multiplicada por una constante, h, que terminó llamándose constante de Planck.

Ef = h.f

Los científicos llevaban 50 años convencidos de que la luz era una onda, y Millikan era uno de ellos. Por lo que se dispuso a demostrar que la teoría de Einstein era errónea.
Millikan en aquella epoca ya tenía una reputación de gran experimentador, tras haber sido capaz de medir la carga del electrón, demostrando así que los electrones eran realmente entes físicos con propiedades consistentes. Pero sólo porque aceptase que los electrones eran partículas no significaba que creyese que la luz podía ser algo parecido.

 

En la imagen anterior podemos observar una célula fotoelécctrica. Una célula fotoeléctrica esta formada por dos superficies metálicas A (ánodo) y C (cátodo) contenidas en un recipiente de vidrio en el que se ha hecho el vacío, y se hace incidir un haz de luz monocromática. Se genera una corriente fotoeléctrica que se se medirá con un amperímetro.

El potencial existente entre A y C es  la diferencia de potencial aplicada desde el exterior de forma controlada (pudiendo ser positiva o negativa).

Si se representa la Intensidad de corriente fotoeléctrica  que mide el amperímetro en función del potencial V para dos valores de intensidad luminosa incidente se obtiene:

Cuando la diferencia de potencial entre A y C es positiva se alcanza un valor de saturación Ic. Todos los electrones que abandonan C, por pequeña que sea su energía cinética, son recogidos por A.

Cuando el potencial (V) empieza a tomar valores negativos la corriente no se anula de forma brusca como sucedería si los fotoelectrones se desprendieran del metal con energía cinética nula. En este caso, la energía cinética que han adquirido gracias a la luz incidente les permite avanzar venciendo la fuerza repulsiva generada por el potencial V hasta un valor V0 a partir del cual Ic = 0 y ningún electrón consigue llegar a A. Este valor, se conoce como potencial de frenado (Vo) y es independiente de la intensidad de la radiación incidente.

e|V0| = Ec max

donde Ec max es la energía cinética de los electrones más rápidos que serán los únicos que dispondrán de energía suficiente para llegar.

Explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico.

Einstein consideraba que el efecto fotoeléctrico se produce cuando sobre la superficie metálica que hace de electrodo incide un número finito de cuantos de luz de energía hf que interaccionan con los electrones del cátodo. Cada cuanto de luz o fotón es absorbido por un único electrón al que le transfiere toda su energía. Los electrones excitados pierden parte de esta energía en el trabajo de extracción (Wext) que deben realizar para escapar de las fuerzas que les mantienen ligados al metal.

Los fotoelectrones con mayor energía cinética son los que se encuentran en la superficie metálica y no pierden energía en desplazamientos interiores. Si uno de esos fotoelectrones absorbe un fotón de energía hf, su energía cinética podrá expresarse de la forma:

Ec max = hf – Wext

donde Ec max no depende de la intensidad incidente puesto que cada electrón interactúa con un único cuanto de luz o fotón.

El experimento de Millikan medía la energía de los electrones que eran emitidos por una placa sobre la que incidía un rayo de luz.

e|V0| = Ec max = hf – Wext

Millikan intentaba demostrar que la teoria de Einstein era incorrecta, ja que estaba a favor de la teoria ondulatoria de la luz. Sin embargo, para su sorpresa, los resultados parecían confirmar la teoría de Einstein de la naturaleza corpuscular de la luz. No sólo eso, el experimento permitió la determinación más precisa hasta la fecha del valor de la constante de Planck.
Décadas más tarde, cuando Millikan describía su trabajo, todavía asomaba un punto de frustración: “Empleé diez años de mi vida comprobando la teoría de Einstein de 1905 y, en contra de todas mis expectativas, me vi forzado a afirmar su verificación sin ambages a pesar de lo irrazonable que era”.

La Bobina Tesla

Una bobina de Tesla, llamada así en honor a su inventor, Nikola Tesla, quien la patentó en 1891, es un tipo de transformador resonante que produce altas tensiones a elevadas frecuencias (radiofrecuencias). Con esta bobina Tesla consigió trasmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores.

Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. Generalmente las bobinas de Tesla generan tensiones de radiofrecuencia (RF) muy elevadas (de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios), por lo que dan lugar a coloridas descargas eléctricas en el aire de alcances que pueden llegar a ser del orden de varios metros, lo que las hace muy espectaculares, con efectos observables por el ojo humano como chispas, coronas y arcos eléctricos.

Aunque las bobinas de Tesla llegaron a usarse comercialmente en las primeras generaciones de radiotelégrafos, hoy su uso se limita al entretenimiento. Son dispositivos muy comunes en los museos de ciencia, pues generan espectaculares chispas y descargas eléctricas, e incluso se han adaptado para funcionar como instrumentos musicales. Su secreto está en que producen corriente alterna de alto voltaje, alta frecuencia y baja intensidad.

Tesla diseñó y construyó una serie de bobinas que produjeron corrientes de alto voltaje y alta frecuencia. Estas primeras bobinas usaban la acción de un explosor o chispero en su funcionamiento. Un explosor o chispero básicamente consiste en dos electrodos enfrentados próximos, típicamente esféricos, entre los cuales se origina una descarga eléctrica cuando se les aplica una diferencia de tensión eléctrica que sobrepasa un valor determinado, el valor de la tensión de ruptura del aire correspondiente a la separación entre electrodos. La tensión a la que salta la chispa en el explosor es elevada, de varios miles de voltios típicamente (depende de la separación entre electrodos del explosor), por lo que se debe disponer de una fuente de alta tensión para poder aplicar ésta al chispero y hacer saltar las chispas en éste.

La bobina Tesla funciona de la siguiente manera:

– El transformador de alta tensión carga al condensador de alta tensión y se establece una alta tensión entre sus placas.
– El voltaje tan elevado es capaz de romper la resistencia del aire, y hace saltar una chispa entre las terminales del explosor o chispero. Las chispas producidas en el explosor asociado a una bobina Tesla contienen impulsos de alta frecuencia (RF, radiofrecuencia) de gran amplitud, que alimentan el arrollamiento primario de la bobina Tesla propiamente dicha.
– La chispa descarga al condensador a través de la bobina o arrollamiento primario (con pocas espiras) y establece una corriente oscilante.
– Enseguida el condensador de alta tensión se carga nuevamente y repite el proceso. Así resulta un circuito oscilatorio de radio frecuencia al que llamaremos circuito primario.
– La energía que produce el circuito primario se induce en la bobina o arrollamiento secundario (con más vueltas).
– El circuito secundario oscila a la misma frecuencia que el circuito primario, entrando en resonancia. Lo interesante de esta bobina es que la condición de resonancia es como empujar a un niño en un columpio, si le das un empujón en el momento exacto, el niño irá cada vez más alto.
– Finalmente, el circuito secundario produce ondas electromagnéticas de muy alta frecuencia y voltajes muy elevados de decenas de miles e incluso cientos de miles de voltios, dependiendo del tamaño de la bobina.. Estas se propagan en el medio ionizando las moléculas del aire, convirtiéndolo en trasmisor de corriente eléctrica.

Debido a las altísimas tensiones que se desarrollan en el arrollamiento secundario de la bobina Tesla, el hilo con que está realizado debe ser un hilo que esté bien aislado eléctricamente para evitar daños por chispas que puedan saltar (además, la tensión entre espira y espira contigua puede alcanzar altos valores), y por el mismo motivo, el arrollamiento primario no está arrollado directamente sobre el arrollamiento secundario, sino que hay una separación suficiente entre las espiras de ambos arrollamientos (por ejemplo, el diámetro de las espiras del arrollamiento primario es bastante superior a las del arrollamiento secundario).

 

 

Ya que las bobinas Tesla pueden producir corrientes o descargas de muy alta frecuencia y voltaje, y son útiles para diferentes propósitos, entre los que se incluyen demostraciones prácticas en clases, efectos especiales para teatro y cine, y pruebas de seguridad de diferentes tecnologías. En su funcionamiento más común, se producen largas descargas de alta tensión en todas direcciones alrededor del toroide del extremo superior de la bobina, que resultan muy espectaculares.

Mientras se generan las descargas, se produce una transferencia de energía eléctrica entre la bobina secundaria y el toroide superior con el aire circundante, transferencia que se produce en forma de carga eléctrica, calor, luz y sonido. Las corrientes eléctricas que fluyen a través de estas descargas se deben a los rápidos cambios de la cantidad de carga que se transmite desde el terminal superior al aire circundante.

Olimpíada de Física 2018

 

 

El passat dimarts 13 de març es va realitzar la olimpíada de Física. La prova va tindre lloc a les 16:00 hores en el Aula 1.4 de l’Edifici Arenals de la Universitat Miguel Hernández en el campus d’Elx.
L’objectiu de la prova era seleccionar als tres primers classificats per anar a la Fase Nacional de les Olimpíades de Física, que aquest any es celebra en Valladolid del 13 al 16 de abril.
En representació del nostre centre van anar 6 alumnes de 2n de batxillerat acompanyats per els professors del departament de Física i Química Xavier Clar i Palomares i Mercedes Gonzàlez Mas.
El alumnes que han participat són:
– Tom Eric Braun
– Karina Diaz Sydorenko
– Luís Martínez Ferrer
– Ekaterina Panova
– Lluna Pérez Pérez
– Kerly Reina Cusicagua.
L’ experiència ens ha servit per conèixer el campus de la universitat Miguel Hernàndez. Donar les gràcies als alumnes per la seua participació, i encara que no han estat seleccionats agrair el seu esforç. Ha estat una experiència per a ells molt interessant.

 

EL ARCO IRIS

Un arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que consiste en la aparición en el cielo de un arco de luz multicolor, originado por la descomposición de la luz solar en el espectro visible, la cual se produce por refracción, cuando los rayos del sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre.

La formación del arcoíris ocurre cuando la luz blanca que proviene del Sol atraviesa las partículas de agua de la lluvia que se encuentran en la atmósfera. El agua de la atmósfera actúa como un prisma traslúcido a través del cual se descompone la luz blanca en los siete colores: partiendo del rojo, a su vez pasando por el naranja, amarillo, por el verde, por el azul y añil hasta llegar al violeta. Fenómeno conocido como dispersión de la Luz. para cada color se produce una desviació angular distinta. El color rojo es el que menos se refracta y el violeta el que más.

Casi siempre que observamos un arcoíris, notaremos que el sol está detrás de nosotros y que el arco (arcoíris) está siempre en la dirección opuesta al sol. Cuando estás viendo un arcoíris siempre tienes el sol a tu espalda y por encima de ti. La lluvia está formando una cortina delante de ti, y sobre ella ves el arco iris. Para que exista un arco iris tiene que haber gotas de agua suspendidas en la atmósfera. El arco iris lo vemos como un arco de un cono cuyo vértice está situado sobre el observador.

Cuando la reflexión / refracción se produce en millones de gotas suspendidas juntas en el aire se forma un arco de colores en el cielo (varios arcos de colores concéntricos). Cada gota se ve de un color. El grupo de gotas que se ve del mismo color se sitúa sobre un círculo de ese color.

 

En realidad el número de reflexiones internas dentro de las gotas de agua puede ser mayor de dos (dependiendo de por donde entra la luz en la gota) y puede dar lugar a la aparición de dos arcos iris:
– el primario más fuerte e interior.
– el secundario más débil y exterior. Paralelo al anterior, de mayor radio y con la secuencia de colores invertida.

Arcoíris primario

Descartes realizó un estudio experimental y demostró que el arcoíris primario está formado por los rayos que penetran en una gota refractándose, se reflejan una vez en su superficie interna y salen de la gota refractándose de nuevo (refracción-reflexión total-refracción). Siempre se forma al observar la “cortina de agua” con un ángulo de 42º, respecto a la dirección solar. El hecho de que el ángulo de observación sea constante explica la forma circular, ya que los ojos del observador se encuentran siempre en el vértice de un cono que indica la dirección de observación.

 

 

Arcoíris secundario

El arco iris secundario está formado por los rayos que penetran en la gota y se reflejan dos veces en su superficie interna (refracción- 2 reflexiones-refracción). Siempre se forma al observar la “cortina de agua” con un ángulo de 52º, respecto a la dirección solar. Al haber 2 reflexiones se produce una disminución de la intensidad de la luz.

 

 

La figura de abajo, es la explicación de Descartes a la formación del arco primario y secundario.

 

Como el ángulo para ver el arco iris siempre es de 42º, cuanto más bajo esté el sol más alto se ve el arco iris, llegando a convertirse el arco visible en una circunferencia cuando el sol está sobre el horizonte.

 

 

 

 

Radiofrecuecias y Microondas

Las microondas y las radiofrecuencias son radiaciones electomagnéticas que pertenecen a la categoria de no ionizantes. Son emitidas por aparatos eléctricos, electónicos, los utilizados en comunicaciones militares, navegación, emisiones de TV, radio AM-FM, radares, etc.

 

 

Radiofrecuencias

El término Radiofrecuencia (abreviado RF), se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético en el que se pueden generar ondas electromagnéticas aplicando corriente alterna a una antena.

La Radiofrecuencia se localiza en el espectro de la radiación electromagnética entre 10 kHz (longitud de onda de 3 km) y 300 GHz (longitud de onda de 1 mm).
La radiofrecuencia se puede dividir en las siguientes bandas del espectro en función de su frecuencia: Ultra-alta, Muy Alta, Onda Corta, Onda Media, Onda Larga y Muy Baja Frecuencia.

En este sentido, se puede hablar desde frecuencias extremadamente bajas hasta frecuencias extremadamente altas UHF (ultra-high frequency), pasando por otros tipos de frecuencias en el medio.

Usos y aplicaciones:

• Ondas de radio

La radiofonía de amplitud modulada (AM), por ejemplo, transmite en media frecuencia. Las ondas AM (amplitud modulada) son un tipo de onda de modulación no lineal que consiste en hacer variar la amplitud de una señal de alta frecuencia, denominada onda portadora, de tal forma que cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir.
La radiofonía de frecuencia modulada (FM), en cambio, realiza su transmisión en muy alta frecuencia. Las ondas FM (frecuencia modulada) son una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia, en contraste con las ondas de AM que varían la amplitud y mantienen la frecuencia constante.

Las diferentes frecuencias determinan el alcance de las ondas y la calidad de la transmisión, entre otras cuestiones. Las radios AM, en este sentido, pueden llegar con sus señales a mayores distancias en comparación con las radios FM.

Sistemas de radio AM y FM.

Aunque se emplea la palabra radio, las transmisiones de televisión, radio, radar y telefonía móvil están incluidas en esta clase de emisiones de radiofrecuencia.

Otros usos son audio, vídeo, radionavegación, servicios de emergencia y transmisión de datos por radio digital; tanto en el ámbito civil como militar.

También son usadas por los radioaficionados.

• Radioastronomía

La radioastronomía es el estudio de objetos en el espacio, tales como estrellas y galaxias, que emiten naturalmente ondas de radio.
Muchos de los objetos astronómicos emiten en radiofrecuencia, así que la radioastronomía ha dado muchas sorpresas al permitirnos detectar y representar lo que era invisible para los telescopios ópticos

Las ondas de radio tienen una longitud de onda mayor que la de la luz visible.

En la radioastronomía, para poder recibir buenas señales, se deben utilizar grandes antenas, o grupos de antenas más pequeñas trabajando en paralelo. La mayoría de los radiotelescopios utilizan una antena parabólica para amplificar las ondas, y así obtener una buena lectura de estas. Esto permite a los astrónomos observar el espectro de radio de una región del cielo.

 

• Radar

El radar es un sistema que usa ondas de radiofrecuencia para medir distancias, altitudes y velocidades de objetos tanto estáticos o móviles. Se utiliza para detectar aviones y aeronaves, barcos, coches y vehículos motorizados. También para el estudio de formaciones meteorológicas y del propio terreno.
Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. A partir de este «eco» se puede extraer gran cantidad de información.

Una de las aplicaciones  más importantes es el radar Doppler, es un dispositivo electrónico que emite una onda de radio con una frecuencia constante. La onda reflejada por el objeto en movimiento llegara con distinta frecuencia que la emitida y esta diferencia permite calcular la velocidad del vehículo aplicando el efecto Doppler.
Entre sus muchas aplicaciónes se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares.

• Resonancia Magnética Nuclear. RMN

La resonancia magnética nuclear estudia los núcleos atómicos al alinearlos a un campo magnético constante para posteriormente perturbar este alineamiento con el uso de un campo magnético alterno.
Se coloca al paciente dentro de un electroimán muy potente. Se le envía una onda de radiofrecuencia que entra en resonancia con los protones del hidrógeno, que están presente en todos los tejidos del cuerpo humano. Se interrumpe la onda y los protones vuelven a su estado natural emitiendo una señal que es recibida y utilizada para reconstruir una imagen del interior del paciente.

La resonancia magnética crea imágenes detalladas de los órganos, tejidos blandos, huesos y prácticamente toda la estructura interna del paciente.

 

• Medicina.

Es importante conocer que, en los últimos años, la radiofrecuencia ha ampliado sus “servicios” y ahora, además de seguir empleándose dentro del ámbito de las telecomunicaciones, ha pasado a ocupar un papel fundamental en el campo de la medicina.

La radiofrecuencia se ha usado en tratamientos médicos durante los últimos 75 años, generalmente para cirugía mínimamente invasiva, utilizando ablación por radiofrecuencia o crioablación.

La ablación es la destrucción completa de un órgano o de un tejido.

También estan los tratamientos en los que se usa la radiofrecuencia en contra la apnea durante el sueño o para arritmias cardiacas.
Otro uso es la diatermia, que es una técnica que utiliza el calor producido por la radiofrecuencia para tratamientos quirúrgicos, de tal forma que produce la coagulación de tejidos e impide que el tejido sangre tras la incisión quirúrgica. Además de cauterizar vasos sanguíneos para prevenir el sangrado excesivo, también se puede utilizar el calor producido por la diatermia para destruir tumores, verrugas y tejidos infectados. Esta técnica es particularmente valiosa en neurocirugía y cirugía del ojo. Los equipos de diatermia normalmente operan en la frecuencia de onda corta de radio o energía de microondas.

• Tratamientos de Belleza.

La radiofrecuencia, en niveles de energía que no producen ablación, se usa también como tratamiento cosmético para tensar la piel, reducir la grasa (lipolisis) o promover la cicatrización. Es una técnica usada en los centros de belleza y medicina estética.
El uso de la radiofrecuencia para tensar la piel tiene su base en que se produce energía que calienta el tejido, lo que estimula la producción de colágeno y elastina subcutánea, consiguiendo que se reduzcan las arrugas de la piel. En el rostro, la radiofrecuencia facial es una alternativa a un lifting quirúrgico y otras cirugías cosméticas.

Microondas

Las microondas son onas electromagnèticas que se localizan entre 300 MHz (longitud de onda de 1 m) y 300 GHz (longitud de onda de 1 mm).
El rango de las microondas está incluido en las bandas de radiofrecuencia, concretamente en las de UHF (ultra-high frequency – frecuencia ultra alta). Las microondas de mayor frecuencia y menor longitud de onda —en el orden de milímetros— se denominan ondas milimétricas.

Usos y aplicaciones:

• Horno Microondas

Una de las aplicaciones más conocidas de las microondas es el horno de microondas, que usa un magnetrón para producir ondas a una frecuencia de aproximadamente 2,45 GHz. Estas ondas hacen vibrar o rotar las moléculas de agua, lo cual genera calor. Debido a que la mayor parte de los alimentos contienen un importante porcentaje de agua, pueden ser fácilmente cocinados de esta manera.

 

• Telecomunicaciones

En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusión, ya que estas pasan fácilmente a través de la atmósfera con menos interferencia que otras longitudes de onda mayores. También hay más ancho de banda en el espectro de microondas que en el resto del espectro de radio. Usualmente, las microondas son usadas en programas informativos de televisión para transmitir una señal desde una localización remota a una estación de televisión mediante una camioneta especialmente equipada.

La televisión por cable y el acceso a Internet vía cable coaxial usan algunas de las más bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefonía celular también usan bajas frecuencias de microondas.

• El máser

Un máser es un amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación, un amplificador similar al láser pero que opera en la región de microondas del espectro electromagnético y sirve para recibir señales muy débiles. La palabra deriva del acrónimo en inglés MASER, por Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

El máser y el láser están basados en el fenómeno de emisión estimulada de radiación, estudiado por Albert Einstein en 1916: Cuando una molécula se halla en un estado excitado, de energía E2 mayor que la de su estado fundamental, E1, puede producirse la transición espontánea del nivel excitado al fundamental, emitiendo un fotón cuya frecuencia corresponde al salto energético ΔE = E 2 − E1 entre los dos niveles.
Pero si un fotón de esa misma frecuencia incide sobre una molécula en el estado excitado, se puede inducir o estimular la transición al fundamental, resultando dos fotones de la misma frecuencia, el incidente más el emitido. Cuando el fenómeno ocurre dentro de una cavidad de paredes reflectoras (cavidad resonante), se desencadena una cascada de emisiones estimuladas y se amplifica la radiación inicial, siempre que dentro de la cavidad se mantenga de alguna forma la población de moléculas excitadas. Un orificio en la cavidad resonante deja salir parte de la radiación (microondas en el máser o luz en el láser) en forma de un haz estable, unidireccional y muy monocromático, es decir de una frecuencia bien determinada.

Con un máser que amplifica señales sin agregar mucho ruido, se podrían crear detectores que funcionen en la astronomía y la medicina.

Hasta ahora esta tecnología es usada en misiones espaciales distantes como la de la sonda Voyager. Y es que la microondas atraviesan los materiales que la luz no puede penetrar, como las nubes y la piel.

Otra de las aplicaciones podría ser la de crear escáneres hipersensibles, gracias a la amplificación que logra el máser. Así se podría detectar un tumor cancerígeno con mayor facilidad y precisión.

• Armas

En la industria armamentística, se han desarrollado prototipos de armas que utilicen la tecnología de microondas para la incapacitación momentánea o permanente de diferentes enemigos en un radio limitado.

El rifle táctico de asalto Phasr (Personnel Halting and Stimulation Response) es un prototipo de arma no letalcreado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, La finalidad de esta arma es generar y enviar un pulso de microondas con diferente grado de intensidad y potencia, hacia uno o múltiples objetivos en un área concreta, el efecto del sistema térmico hace que se caliente la capa externa de la piel utilizando las microondas para repeler a los individuos de forma segura.

• Cámaras radiofrecuencia

Las cámaras de vigilancia inalámbricas se utilizan en instalaciones en las que no puede utilizarse cableado. Su instalación es muy sencilla, solo requieren un transmisor que va acoplado a la cámara y un receptor que se conecta directamente a la televisión, el monitor, un videograbador o un ordenador, de forma que puedan visualizarse las imágenes y montar un CCTV (Circuito Cerrado de Televisión).

• Detector de radiofrecuencia

El Detector de RF Digital funciona con tecnología de escaneo de radio frecuencias para detectar y localizar camaras ocultas, microfonos espias, telefonos celulares y otros dispositivos que operen con radio frecuencia (hasta 6 Ghz). Esta unidad fue diseñada para que pueda ser utilizada por cualquier persona sin conocimientos en contramedidas electronicas logrando resultados sorprendentes.

 

El color

¿Qué es el color?

Lo primero que debemos saber es que el color no existe. No es una propiedad física de los objetos. En contra de lo que generalmente se piensa, las cosas no son de un color determinado. La hierba no es verde, sino que nos parece verde.
El color es una sensación subjetiva del cerebro y sólo perceptible para los humanos y algunos primates.

Los colores no son más que un producto de la mente.

El color no existe en la naturaleza, ni siquiera en nuestros ojos; sólo en nuestro cerebro. El cerebro ve diferentes colores cuando el ojo humano percibe diferentes frecuencias de luz. La luz es una radiación electromagnética, igual que una onda de radio, pero con una frecuencia mucho mas alta y una longitud de onda más corta.
El ojo humano sólo está capacitado para percibir un rango limitado de estas frecuencias, intervalo que se denomina “espectro visible de la luz”, y que abarca desde los tonos rojos del orden de los 700 nanómetros (nm) hasta los tonos azul violáceos del orden de los 400 nm, pasando por todos los colores intermedios.

El espectro visible de los humanos está entre la luz violeta y la luz roja. Los científicos calculan que los humanos pueden diferenciar hasta 10 millones de colores.

El ojo humano

El ojo humano no es más que un dispositivo receptor de ondas electromagnéticas (luz visible) que responde a un cierto tipo de radiación y no a otros, de la misma forma que un receptor de radio es sensible a las ondas de radio, pero no lo es a las ondas emitidas por una bombilla, que también son electromagnéticas.

Cuando la luz golpea un objeto, como un limón, el objeto absorbe parte de esa luz y refleja el resto.

La luz reflejada entra al ojo humano primero a través de la córnea, la parte más externa del ojo. La córnea refleja la luz hacia la pupila, que controla la cantidad de luz que entra al cristalino. El cristalino entonces enfoca la luz en la retina, la capa de células nerviosas de la parte posterior del ojo.
La retina tiene dos tipos de células que detectan y responden a la luz, los bastones y los conos. Estas células, sensibles a la luz, se conocen como fotorreceptores.
– Los bastones de los cuales poseemos mas de 120 millones, se activan en baja iluminación y no detectan colores.

– Los conos de los cuales poseemos 5 millones, se estimulan en entornos de mayor iluminación y detectan los colores.

Los bastones es el único tipo de fotoreceptor que se encuentra en la mayoría de los animales, a causa de lo cual sólo pueden percibir el mundo que les rodea en blanco y negro.

Los conos contienen fotopigmentos, o moléculas detectoras de color. Normalmente, los humanos tienen tres tipos de fotopigmentos, rojo, verde y azul (Sistema RGB). Cada tipo de cono es sensible a distintas longitudes de onda del espectro de luz visible.

Durante el día, la luz que se refleja del limón activa tanto los conos rojos como los verdes. Entonces, los conos envían una señal por el nervio óptico a la corteza visual del cerebro. El cerebro procesa el número de conos que se activaron y la fuerza de su señal. Después de procesar los impulsos nerviosos, se percibe un color, en este caso, amarillo (50 % verde +50% rojo).

En un entorno más oscuro, la luz reflejada por el limón estimularía únicamente los bastones del ojo. Si sólo se activan los bastones no se ve color, sólo se perciben tonos de gris.

Cuando el ojo humano recibe luz que contiene igual cantidad de cada una de las longitudes de onda de la parte visible del espectro, ésta es percibida como luz blanca. La luz diurna, por ejemplo, contiene todas las longitudes de onda y por eso se percibe como blanca.
Otra cuestión importante, sobre todo a nivel de aplicaciones, es la del porcentaje y distribución en la retina de los 3 tipos de conos: alrededor del 60% son rojos, el 30% verdes y sólo el 10% azules. Como podemos ver su distribución no es uniforme.
Es cierto que teniendo en cuenta la escasez de conos azules, somos mucho menos sensibles a los azules que a los verdes o los rojos. Por otra parte, tenemos máxima sensibilidad a los verdes, dado que los conos rojos son a su vez muy sensibles al verde, con lo que aportan información adicional «verde» a la obtenida por los conos verdes.

 

Cada persona percibe los colores de forma distinta. Hay personas que tienen mayor dificultad para percibir determinados colores que otras. A menudo se habla de diferentes grados de daltonismo, problema que es más frecuente entre los hombres que entre las mujeres; estas personas no pueden distinguir entre sombras de tonos rojos y verdes.

El daltonismo puede presentarse cuando uno o más tipos de conos no funcionan en la forma esperada. Es posible que estén ausentes, que no funcionen, o que detecten un color distinto del normal. La ceguera del rojo y el verde es la más común, seguida de la ceguera de azul y amarillo. Los hombres son más propensos a la ceguera de color que las mujeres.
Los investigadores calculan que hasta un 12 % de las mujeres tienen hasta 4 tipos de conos en sus retinas, en lugar de tres. Estas personas tienen el potencial de percibir 100 veces más colores que el resto de nosotros.

Muchos pájaros, insectos y peces tienen cuatro tipos de conos. Con sus distintos conos, pueden ver luz ultravioleta. La luz ultravioleta tiene una longitud de onda más corta de la que el ojo humano puede percibir. Otros animales, como los perros, tienen menos tipos y menos números de conos de manera que es posible que vean menos colores que los que perciben los humanos.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Infrarrojos

Dentro del espectro electromagnético, la radiación infrarroja se encuentra comprendida entre el espectro de luz visible y las microondas. Tiene longitudes de onda mayores o más largas que el rojo.

Los rayos infrarrojos, por lo tanto, constituyen una clase de radiación electromagnética con una longitud de onda que resulta superior a la longitud de onda de la luz visible (por lo tanto, tiene una frecuencia menor), aunque inferior a la longitud de onda de las microondas (la frecuencia de los rayos infrarrojos es superior a las microondas).

 

Los rayos infrarrojos son clasificados, de acuerdo a su longitud de onda, de este modo
• infrarrojo cercano se refiere a la parte del espectro infrarojo que ese encuentra más próximo a la luz visible (de 780 nm a 1100 nm)
• infrarrojo medio (de 1,1 µm a 15  µm)
• infrarrojo lejano se refiere a la sección más cercana a la región microondas. (de 15 µm a 100 µm)

La fuente primaria de la radiación infrarroja es el calor o radiación térmica. La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que cero absoluto. (0 Kelvin, es decir, −273,15 grados Celsius). Incluso los objetos que consideramos muy frios emiten en el infrarrojo. Cuando un objeto no es suficientemente caliente para irradiar ondas en el espectro visible, emite la mayoria de su energia como ondas infrarrojas. En el caso de los seres vivos, la mayor parte de la radioación emitida es infrarroja.

La radiación infrarroja es debida a las vibraciones de los electrones, átomos y moléculas, y se propaga con la velocidad de la luz, calentando los objetos que encuentra a su paso, ya que origina que los electrones, átomos y moléculas que constituyen los objetos, comiencen a vibrar.
Cuanto mayor es la energía de las vibraciones que origina la radiación infrarroja, más corta es la longitud de onda de la radiación emitida. Las ondas de infrarrojo se trasmiten, al igual que cualquier otra radiación electromagnética, en línea recta, y, de la misma manera que sucede en el visible y en el ultravioleta, la radiación calorífica del infrarrojo sólo puede detectarse por algún instrumento sometido directamente a su acción, las cámaras de infrarrojos. 

La imagen muestra la fotografia de un perro tomada en la banda infrarroja. Las áreas de colores naranja y blanco son las zonas más calientes, en tanto que las azules son las mas frias. Esta información no la podríamos obtener a partir de la luz visible.

La siguiente imagen la he tomado en el Museo de las Ciencias Principe Felipe de Valencia. Recomiendo su visita. En la foto aparezco en el centro junto a mis dos hijas.

 

Aplicaciones:

• Sentimos los efectos de la radiación infrarroja cada día. El calor de la luz del sol, del fuego, de un radiador o estufa provienen del infrarrojo. Aunque no podemos ver esta radiació, los nervios de nuestra piel pueden sentirla como calor.

 

• Visión en la oscuridad. Los detectores de infrarrojos pueden ver objetos que no es posible ver con luz visible. Hay animales como las viboras que pueden detectar animales de sangre caliente por los infrarrojos que irradian, incluso en la oscuridad.

 

• Lamparas de infrarrojos. Este tipo de lámpara es, en todo, similar a las lámparas corrientes utilizadas en el alumbrado. Para dirigir convenientemente la radiación infrarroja, se recubre parte de la superfieie interior del bulbo con un material que refleja los rayos infrarrojos y que ayuda a enfocar en una dirección la totalidad de la radiación emitida. El filamento de una lámpara de rayos infrarrojos está a una temperatura inferior a la del filamento de una lámpara ordinaria (2.400° C comparados con unos 3.000° C) y la intensidad máxima de la gama de radiación que emite corresponde a unas 15.000 unidades Angstróm. Los objetos sometidos a una lámpara de infrarrojos de calientan muy rapidamente.

 

• Utilizamos rayos infrarrojos cuando usamos un mando a distancia de un televisor. Los  mandos a distancia de uso doméstico emiten una señal infrarroja.
• El termómetro de infrarrojos de precision cón con laser es ligero, compacto y fácil de usar. Simplemente presionar el botón para visualizar en la pantalla la temperatura del objeto medido.
• Para poder detectar fugas de agua y calefacción de una manera mucho más rápida y sin tener que acometer la rotura de ninguna instalación.

 

• Los militares también hacen uso de los rayos infrarrojos a través de determinados sistemas cuando están llevando alguna operación. Así pueden, por ejemplo, detectar a un blanco a larga distancia aún en condiciones de escasa o nula visibilidad.

 

• Las lámparas de rayos infrarrojos tienen aplicaciones industrialaes. Se utilizan para acometer lo que es el secado y esmaltado de pinturas u barnices.

 

• Los rayos infrarrojos se utilizan también como fuente calorífica en la destilación de líquidos volátiles o muy inflamables, evitándose, de este modo, los riesgos que se producirían si estos últimos, por ejemplo, se calentaran a la llama. En este sentido, ha de tenerse en cuenta que la parte incandescente de una lámpara de rayos infrarrojos está totalmente encerrada en el bulbo.

 

• Dentro del campo de la gastronomía, para poder acometer lo que es asado de ciertos platos de una manera más rápida y consiguiendo un resultado más homogéneo. En las conocidas parrillas de rayos infrarrojos, se consiguen asados más rápidos que en las parrillas ordinarias. La radiación infrarroja penetra, además, en el interior de la pieza de carne, con lo que resulta un asado más uniforme.

 

 

 

ondas electromagnéticas

Maxwell (1837-1879) sintetizó las leyes básicas de la electricidad y el magnetismo en unas ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell.
I. La ley de Gauss para el campo eléctrico. El flujo eléctrico a través de una superficie cerrada depende solo de la carga eléctrica que contiene esta superficie.
II. La ley de Gauss del magnetismo. El flujo magnético a través de una superficie cerrada siempre es nulo, lo que es consecuencia de la no existencia de polos magnéticos aislados.
III: La ley de Faraday-Lenz. Los flujos magnéticos variables con el tiempo originan fuerza electromotriz inducida que , a su vez, genera un campo eléctrico.
IV. La ley de Ampère-Maxwell. Indica la relación de simetría de los dos campos. Los campos eléctricos variables también origina campos magnéticos.

Las ecuaciones de Maxwell muestran que se genera una onda electromagnética cuando cargas eléctricas son aceleradas. Si las cargas eléctricas se mueven con velocidad constante no se genera una onda, aún cuando existe un campo eléctrico y un campo magnético.

«Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas.»

Una consecuencia fundamental es que los campos eléctricos y magnéticos son capaces de propagarse en forma de onda, cuya velocidad en el vacío fue calculada por Maxwell,

Cuando Maxwell reemplazó los valores de la permitividad y la permeabilidad del vacío, conocidos usando experimentos con bobinas y condensadores, obtuvo que

c = 3 × 10^8 m/s .

La velocidad de la luz en el vacío.
Basado en esto, Maxwell propuso que la luz es una onda electromagnética.

Un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable y este a su vez uno eléctrico, de esta forma las ondas electromagnéticas (o.e.m.) se propagan en el vacío sin soporte material.

La carga eléctrica en movimiento crea a su alrededor un campo electromagnético, cuyas componentes E y B son perpendiculares . Sus valores en cada punto y en función del tiempo son:

E = Eo sen( wt -kx)
B = Bo sen( wt -kx)

Entonces, ¿cómo se generan las ondas electromagnéticas(o.e.m.)?

Así pues, parece que si aceleramos una carga ya tenemos lo suficiente para poder generar un campo magnético variable y, como podemos ver a partir de la ley de Faraday, si tenemos un campo magnético que varía en el tiempo, podemos inducir un campo eléctrico. Si la variación es tal que el campo eléctrico inducido también varía en el tiempo, por la ley de Ampère se inducirá un campo magnético, y así sucesivamente.

En resumen, a partir de la carga acelerada podemos tener un campo eléctrico y un campo magnético que se alimentan mutuamente y dan lugar, así, a una onda electromagnética.

A partir de las ecuaciones de Maxwell; Hertz describe teoricamente (calcula y representa gráficamente) el proceso de formación de ondas elecotromagnéticas en torno a un dipolo oscilante, que constituye su emisor.
El dipolo oscilante, también conocido como antena dipolo de Hertz, idealmente está formado por dos cargas eléctricas opuestas que oscilan armónicamente con cierta frecuencia a lo largo de un segmento, estando siempre simétricamente situadas respecto al centro. El orden de magnitud de la frecuencia del dipolo de Hertz era de 100 MHz, que se correspondía con la frecuencia de las oscilaciones eléctricas con las que realizó.

Podemos elegir como modelo de formación de ondas electromagnéticas al dipolo eléctrico oscilante (dos cargas iguales y opuestas cuya separación varía armónicamente con el tiempo). Según la teoría electromagnética clásica una carga que oscila con Movimiento Armónico Simple de frecuencia » f » radia energía de la misma frecuencia. La energía que emite la transporta un campo eléctrico y otro magnético. Veamos como son y como se forman

El ejemplo más simple cuando hablamos de dipolo eléctrico es que hay una carga positiva y una carga negativa del mismo valor separadas una determinada distancia. Así, podéis tener una situación como la de la figura 1, donde tenemos dos alambres, cada uno con una carga diferente, separados una cierta distancia.

Los dos alambres están conectados a un generador de corriente alterna de alta frecuencia. Esto quiere decir, básicamente, que el generador hace circular las cargas “muy deprisa”. Por lo tanto, en un instante hay arriba las positivas y abajo las negativas; y en el instante siguiente la situación es la inversa.

La idea básica es que el generador crea una diferencia de potencial que “saca” los electrones de la porción A y los lleva a la porción B. Acto seguido, el efecto se invierte y “saca” los electrones de la porción B y los trae, otra vez, hacia la porción A, y así sucesivamente.

 

El espectro electromagnético.

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de todas las ondas electromagnéticas. La longitud de una onda (λ) es el período espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso. La frecuencia (f) es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. Se cumple que c = λ.f
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, las microondas, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

En el siguiente video podéis ver un resumen de las ondas electromagnéticas y el espectro electromagnético: