Ondas electromagnéticas / radiación electromagnética (EMR) - una perturbación (cambio de estado) del campo electromagnético que se propaga en el espacio .
Entre los campos electromagnéticos generados por las cargas eléctricas y su movimiento, se acostumbra atribuir a la radiación la parte de los campos electromagnéticos alternos que es capaz de propagarse más lejos de sus fuentes: cargas en movimiento, que se desvanecen más lentamente con la distancia.
El espectro electromagnético se subdivide en:
La radiación electromagnética puede propagarse en casi todos los entornos. En el vacío (un espacio libre de materia y cuerpos que absorben o emiten ondas electromagnéticas), la radiación electromagnética se propaga sin atenuación a distancias arbitrariamente grandes, pero en algunos casos se propaga bastante bien en un espacio lleno de materia (aunque cambiando un poco su comportamiento) .
Se considera que las principales características de la radiación electromagnética son la frecuencia , la longitud de onda y la polarización .
La longitud de onda está directamente relacionada con la frecuencia a través de la velocidad (de grupo) de la radiación. La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es igual a la velocidad de la luz , en otros medios esta velocidad es menor. La velocidad de fase de la radiación electromagnética en el vacío también es igual a la velocidad de la luz, en varios medios puede ser menor o mayor que la velocidad de la luz [1] .
La descripción de las propiedades y los parámetros de la radiación electromagnética como un todo es tratada por la electrodinámica , aunque ciertas secciones más especializadas de la física están involucradas en las propiedades de la radiación de regiones individuales del espectro (en parte sucedió históricamente, en parte debido a cambios significativos). detalles específicos, especialmente con respecto a la interacción de la radiación de diferentes rangos con la materia , en parte también los detalles de los problemas aplicados). Tales secciones más especializadas incluyen óptica (y sus secciones) y radiofísica . La física de alta energía se ocupa de la radiación electromagnética dura del extremo de onda corta del espectro [2] ; De acuerdo con las ideas modernas (ver el Modelo estándar ), a altas energías, la electrodinámica deja de ser independiente, uniéndose en una teoría con interacciones débiles y luego, a energías aún más altas, como se esperaba, con todos los demás campos de calibre.
Existen teorías que difieren en detalles y grados de generalidad, que permiten modelar e investigar las propiedades y manifestaciones de la radiación electromagnética. La más fundamental [3] de las teorías completadas y probadas de este tipo es la electrodinámica cuántica , de la cual, mediante ciertas simplificaciones, se pueden obtener en principio todas las teorías enumeradas a continuación, que son ampliamente utilizadas en sus campos. Para describir la radiación electromagnética de frecuencia relativamente baja en la región macroscópica, por regla general, se utiliza la electrodinámica clásica , basada en las ecuaciones de Maxwell , y existen simplificaciones en las aplicaciones aplicadas. La óptica se utiliza para la radiación óptica (hasta el rango de rayos X) (en particular, la óptica ondulatoria , cuando las dimensiones de algunas partes del sistema óptico están cerca de las longitudes de onda; la óptica cuántica , cuando los procesos de absorción, emisión y dispersión de los fotones son significativos ; óptica geométrica - el caso límite de la óptica ondulatoria, cuando la longitud de onda de la radiación puede despreciarse). La radiación gamma es con mayor frecuencia el tema de la física nuclear , desde otras posiciones médicas y biológicas, se estudia el efecto de la radiación electromagnética en radiología .
También hay una serie de áreas, fundamentales y aplicadas, como la astrofísica , la fotoquímica , la biología de la fotosíntesis y la percepción visual, una serie de áreas de análisis espectral , para las cuales la radiación electromagnética (la mayoría de las veces de un cierto rango) y su interacción con la materia desempeñar un papel clave. Todas estas áreas limitan e incluso se cruzan con las secciones de física descritas anteriormente.
Algunas características de las ondas electromagnéticas desde el punto de vista de la teoría de las oscilaciones y los conceptos de electrodinámica :
La radiación electromagnética generalmente se divide en rangos de frecuencia (ver tabla). No hay transiciones bruscas entre los rangos, a veces se superponen y los límites entre ellos son condicionales. Dado que la velocidad de propagación de la radiación (en el vacío) es constante, la frecuencia de sus oscilaciones está estrechamente relacionada con la longitud de onda en el vacío.
Nombre de rango | Longitudes de onda, λ | Frecuencias, f | Fuentes | |
---|---|---|---|---|
ondas de radio | Extra largo | más de 10 kilómetros | menos de 30kHz | Fenómenos atmosféricos y magnetosféricos . Comunicación por radio. |
Largo | 10 kilómetros - 1 kilómetro | 30kHz - 300kHz | ||
Medio | 1 kilómetro - 100 metros | 300kHz - 3MHz | ||
Corto | 100m - 10m | 3 MHz - 30 MHz | ||
Ultracorto | 10 m - 1 mm | 30 MHz - 300 GHz [4] | ||
Radiación infrarroja | 1 mm - 780 nanómetro | 300 GHz - 429 THz | Radiación de moléculas y átomos bajo influencias térmicas y eléctricas. | |
Radiación visible | 780nm - 380nm | 429 THz - 750 THz | ||
ultravioleta | 380 nanómetro - 10 nanómetro | 7.5⋅10 14 Hz - 3⋅10 16 Hz | Radiación de átomos bajo la influencia de electrones acelerados. | |
radiografía | 10 mn - 5 pm | 3⋅10 16 Hz — 6⋅10 19 Hz | Procesos atómicos bajo la influencia de partículas cargadas aceleradas. | |
Gama | menos de las 5 de la tarde | más de 6⋅10 19 Hz | Procesos nucleares y espaciales, decaimiento radiactivo. |
Las ondas de radio ultracortas generalmente se dividen en ondas de metro , decímetro , centímetro , milímetro y decimilímetro (frecuencias hiperaltas, HHF, 300-3000 GHz), bandas de ondas de radio estándar de acuerdo con la clasificación generalmente aceptada [4] . Según otra clasificación, estos rangos estándar de ondas de radio, excluyendo las ondas métricas , se denominan microondas o microondas (MW) [5] .
Radiaciones electromagnéticas ionizantes . Este grupo incluye tradicionalmente los rayos X y la radiación gamma, aunque, en sentido estricto, la radiación ultravioleta e incluso la luz visible pueden ionizar los átomos. Los límites de las regiones de rayos X y radiación gamma solo se pueden determinar de forma muy condicional. Para una orientación general, se puede suponer que la energía de los cuantos de rayos X se encuentra dentro de 20 eV - 0,1 MeV , y la energía de los cuantos gamma es superior a 0,1 MeV . En un sentido estricto, la radiación gamma es emitida por el núcleo y la radiación de rayos X es emitida por la capa de electrones atómicos cuando un electrón es expulsado de las órbitas bajas, aunque esta clasificación no es aplicable a la radiación fuerte generada sin la participación. de átomos y núcleos (por ejemplo, sincrotrón o bremsstrahlung ).
Debido a los grandes valores de λ, la propagación de ondas de radio puede considerarse sin tener en cuenta la estructura atomística del medio. Las únicas excepciones son las ondas de radio más cortas adyacentes a la parte infrarroja del espectro. En el rango de radio, las propiedades cuánticas de la radiación también tienen poco efecto, aunque aún deben tenerse en cuenta, en particular, cuando se describen generadores y amplificadores cuánticos en los rangos centimétrico y milimétrico, así como patrones de tiempo y frecuencia molecular. cuando el equipo se enfría a temperaturas de varios kelvin.
Las ondas de radio se generan cuando una corriente alterna de la frecuencia correspondiente fluye a través de los conductores . Por el contrario, una onda electromagnética que atraviesa el espacio excita una corriente alterna que le corresponde en el conductor. Esta propiedad se utiliza en ingeniería de radio cuando se diseñan antenas .
Las tormentas eléctricas son una fuente natural de olas en este rango . Se cree que también son la fuente de las ondas electromagnéticas estacionarias de Schumann .
Radiación de microondasAl igual que la radio y las microondas, la radiación infrarroja (IR) se refleja en los metales (así como la mayoría de las interferencias electromagnéticas en el rango ultravioleta ). Sin embargo, a diferencia de la radiación de microondas y de radio de baja frecuencia, la radiación infrarroja generalmente interactúa con los dipolos presentes en las moléculas individuales, que cambian cuando los átomos vibran en los extremos de un solo enlace químico.
En consecuencia, es absorbido por una amplia gama de sustancias, lo que provoca un aumento de su temperatura al disiparse las vibraciones en forma de calor. El mismo proceso a la inversa provoca la emisión espontánea de sustancias masivas en el infrarrojo.
La radiación infrarroja se divide en subrangos espectrales. Aunque existen varios esquemas de división, el espectro suele dividirse en infrarrojo cercano (0,75-1,4 µm), infrarrojo de onda corta (1,4-3 µm), infrarrojo de onda media (3-8 µm), infrarrojo de onda larga (8-15 µm). µm) e infrarrojo lejano (15-1000 µm).
Las radiaciones visible, infrarroja y ultravioleta constituyen la denominada región óptica del espectro en el sentido más amplio de la palabra. La selección de tal región se debe no sólo a la proximidad de las partes correspondientes del espectro , sino también a la similitud de los instrumentos utilizados para estudiarla y desarrollados históricamente principalmente en el estudio de la luz visible ( lentes y espejos para enfocar la radiación ). , prismas , rejillas de difracción , dispositivos de interferencia para estudiar la composición espectral de la radiación, etc.).
Las frecuencias de las ondas en la región óptica del espectro ya son comparables con las frecuencias naturales de los átomos y las moléculas , y sus longitudes son comparables con los tamaños moleculares y las distancias intermoleculares. Debido a esto, los fenómenos debidos a la estructura atomística de la materia se vuelven significativos en esta área. Por la misma razón, junto a las propiedades ondulatorias aparecen también las propiedades cuánticas de la luz.
La fuente más famosa de radiación óptica es el Sol. Su superficie ( fotosfera ) se calienta a una temperatura de 6000 K y brilla con luz blanca brillante (el máximo del espectro continuo de radiación solar - 550 nm - se encuentra en la región "verde", donde se encuentra la máxima sensibilidad del ojo situado). Precisamente porque nacimos cerca de tal estrella , esta parte del espectro de radiación electromagnética es percibida directamente por nuestros sentidos .
La radiación en el rango óptico surge, en particular, cuando los cuerpos se calientan (la radiación infrarroja también se llama radiación térmica) debido al movimiento térmico de átomos y moléculas. Cuanto más se calienta el cuerpo, mayor es la frecuencia en la que se encuentra el máximo de su espectro de radiación (ver: ley de desplazamiento de Wien ). Con cierto calentamiento, el cuerpo comienza a brillar en el rango visible ( incandescencia ), primero rojo, luego amarillo, y así sucesivamente. Por el contrario, la radiación del espectro óptico tiene un efecto térmico sobre los cuerpos (ver: Bolometría ).
La radiación óptica se puede crear y registrar en reacciones químicas y biológicas. Una de las reacciones químicas más famosas , que es receptora de radiación óptica, se utiliza en fotografía . La fuente de energía para la mayoría de los seres vivos en la Tierra es la fotosíntesis , una reacción biológica que ocurre en las plantas bajo la influencia de la radiación óptica del sol.
En el campo de los rayos X y la radiación gamma, las propiedades cuánticas de la radiación pasan a un primer plano .
La radiación de rayos X surge durante la desaceleración de partículas cargadas rápidamente ( electrones , protones , etc.), así como también como resultado de procesos que ocurren dentro de las capas de electrones de los átomos. La radiación gamma aparece como resultado de procesos que ocurren en el interior de los núcleos atómicos , así como también como resultado de la transformación de partículas elementales .
La propagación de las ondas electromagnéticas, las dependencias temporales de los campos eléctricos y magnéticos , que determinan el tipo de ondas (planas, esféricas, etc.), el tipo de polarización y otras características dependen de la fuente de radiación y de las propiedades del medio. .
La radiación electromagnética de diferentes frecuencias también interactúa con la materia de diferentes maneras. Los procesos de emisión y absorción de ondas de radio generalmente se pueden describir utilizando las relaciones de la electrodinámica clásica ; pero para las ondas del rango óptico y, en especial, los rayos duros , hay que tener en cuenta su naturaleza cuántica.
La radiación del rango electromagnético en ciertos niveles puede tener un efecto negativo en el cuerpo humano, otros animales y seres vivos, así como afectar negativamente el funcionamiento de los aparatos eléctricos. Los diferentes tipos de radiación no ionizante ( campos electromagnéticos , EMF) tienen diferentes efectos fisiológicos. En la práctica, se distinguen los rangos del campo magnético (constante y cuasi constante, pulsado), radiación HF y microondas , radiación láser, campos eléctricos y magnéticos de frecuencia industrial de equipos de alta tensión, etc.
Existen estándares de higiene nacionales e internacionales para los niveles de EMF, según el rango, para áreas residenciales y lugares de trabajo.
Rango ópticoExisten normas de higiene para la iluminación; También se han desarrollado estándares de seguridad para trabajar con radiación láser.
Ondas de radioLos niveles permisibles de radiación electromagnética (densidad de flujo de energía electromagnética) se reflejan en los estándares establecidos por las autoridades estatales competentes , según el rango de CEM . Estos estándares pueden variar significativamente de un país a otro.
Se han establecido las consecuencias biológicas de una fuerte exposición a campos de niveles elevados (muy por encima de 100 µT), que se explican por la acción de mecanismos biofísicos reconocidos. Los campos magnéticos externos de frecuencia extremadamente baja (ELF) inducen campos eléctricos y corrientes en el cuerpo humano que, a una intensidad de campo muy alta, tienen un efecto estimulante sobre los nervios y los músculos y provocan un cambio en la excitabilidad de las células nerviosas del sistema nervioso central. sistema.
Con respecto a los efectos a largo plazo, debido a la escasez de evidencia que respalde una asociación entre la exposición a campos magnéticos ELF y la leucemia infantil, los beneficios para la salud de los niveles reducidos de exposición no están claros. [ocho]
Varios estudios han examinado los efectos de los campos de RF en la actividad eléctrica del cerebro, la cognición, el sueño, la frecuencia cardíaca y la presión arterial en voluntarios. Hasta la fecha, los estudios no sugieren ninguna evidencia consistente de efectos adversos para la salud por la exposición a campos de RF a niveles por debajo de los niveles que causan el calentamiento de los tejidos. Además, la investigación no ha logrado encontrar una relación causal entre la exposición a campos electromagnéticos y los "síntomas de autoestima" o " hipersensibilidad electromagnética ". Los estudios epidemiológicos que examinan los riesgos potenciales a largo plazo de la exposición a la radiofrecuencia se han dirigido principalmente a encontrar un vínculo entre los tumores cerebrales y el uso de teléfonos móviles. Los resultados de los estudios con animales de laboratorio no muestran un mayor riesgo de cáncer debido a la exposición a largo plazo a los campos de RF. [9]
Estos datos no deberían ser motivo de radiofobia , sin embargo, existe una necesidad evidente de profundizar significativamente en la información sobre el efecto de la radiación electromagnética en los organismos vivos.
En Rusia, los documentos normativos que regulan los niveles máximos permisibles (MPL) de exposición a la radiación electromagnética son:
Los niveles permisibles de radiación de varios equipos de radio transmisores en frecuencias > 300 MHz en la zona residencial sanitaria en algunos países difieren notablemente:
El desarrollo paralelo de la ciencia de la higiene en la URSS y los países occidentales condujo a la formación de diferentes enfoques para evaluar el efecto de la EMR. Para algunos países del espacio postsoviético, el racionamiento en unidades de densidad de flujo de energía (PET) sigue siendo predominante, mientras que para los EE . UU. y los países de la UE , la evaluación del poder de absorción específico ( SAR ) es típica.
“Las ideas modernas sobre el efecto biológico de la EMR de los radioteléfonos móviles (MRI) no permiten predecir todos los efectos adversos, muchos aspectos del problema no están cubiertos en la literatura moderna y requieren investigación adicional. Al respecto, de acuerdo con las recomendaciones de la OMS , es recomendable adherirse a una política preventiva, es decir, minimizar el tiempo de uso de las comunicaciones celulares”.
Radiación ionizanteLos estándares permitidos están regulados por los estándares de seguridad de radiación - NRB-99 .
Existen organismos administrativos y reguladores: la Inspección de Radiocomunicaciones (en Ucrania, por ejemplo, la Supervisión de Frecuencia de Ucrania, que regula la distribución de rangos de frecuencia para varios usuarios, el cumplimiento de los rangos asignados, monitorea el uso ilegal de la radio).
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