Gracias a la luz que llega a nuestros ojos, podemos ver todo lo que nos rodea. Puede que hayas oído que la luz es una onda, pero ¿sabías que las señales Bluetooth y Wi-Fi, los rayos X y la radiación gamma son el mismo tipo de onda que la luz? Todos ellos son ejemplos de ondas electromagnéticas.
Sin embargo, el ojo humano únicamente puede ver una gama muy pequeña del total del diferentes los tipos de ondas que forman el espectro electromagnético. ¿Significa esto que hay más colores que no podemos ver? ¿Podríamos utilizar otras ondas electromagnéticas para ver cosas que son invisibles para nosotros? Estas son preguntas fascinantes, a las que podemos responder comprendiendo el espectro electromagnético. ¡Sigue leyendo para descubrirlo!
¿Qué es el espectro electromagnético?
Denominamos espectro electromagnético al conjunto de todos los tipos de ondas electromagnéticas.
Hay muchoas variedades diferentes de ondas electromagnéticas. Por ejemplo:
Además de la luz visible, tenemos las ondas de radio, las microondas, los infrarrojos, los ultravioletas, los rayos X y los rayos gamma, entre muchos otros tipos de ondas electromagnéticas.
Asimismo, sus usos y aplicaciones pueden ser muy diferentes. Sin embargo, todas las ondas electromagnéticas son, sencillamente, casos del mismo fenómeno que la luz que vemos. Por esta razón, tienen muchas propiedades en común:
Las ondas electromagnéticas son ondas transversales; las vibraciones que crean son siempre perpendiculares a la dirección en que estas se propagan.
Las ondas electromagnéticas pueden propagarse en el espacio vacío.
Las ondas electromagnéticas transfieren energía de la fuente al receptor. Esta forma de transferencia de energía también se denomina radiación electromagnética.
Todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad: la velocidad de la luz. Esta es, aproximadamente, \(3\cdot 10^{8}\,\mathrm{m/s}\) en el vacío.
Una onda electromagnética está formada por dos ondas: dos magnitudes físicas vibran, respecto a una posición de equilibrio. Se trata de los campos eléctrico y magnético. El campo magnético vibrante genera un campo eléctrico vibrante. A su vez, la vibración del campo eléctrico genera una vibración del campo magnético.
Por tanto, una onda provoca la otra, y juntas forman la onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio para propagarse, ya que los campos eléctrico y magnético pueden existir en el vacío.
Espectro electromagnético según la longitud de onda
Podemos clasificar los distintos tipos de ondas electromagnéticas que forman el espectro según su longitud de onda. Pero antes de hacerlo, repasemos algunos de los términos que utilizamos para describir las ondas.
Propiedades de las ondas
La amplitud de una onda es el desplazamiento máximo de un punto de la onda desde su posición no perturbada.
El punto más alto por encima de la posición inalterada se denomina cresta, o pico, de la onda.
Por el contrario, el punto más bajo por debajo de la posición inalterada se conoce como valle.
La longitud de onda es la distancia entre un punto de una onda y un punto equivalente de la onda siguiente.
Fig. 1: La amplitud de una onda puede medirse desde la posición de equilibrio hasta una cresta/pico o un valle. Además, aunque podemos hallar la longitud de onda midiendo la distancia desde dos puntos equivalentes cualesquiera, a menudo es más fácil medir la distancia entre dos crestas o valles consecutivos.
Ahora que tenemos una buena idea de lo que entendemos por longitud de onda de una onda, veamos cómo clasificamos las ondas electromagnéticas según rangos específicos de longitud de onda.
| Tipo de radiación | Rango de longitud de onda (metros) |
| Rayos gamma | \(<\,10^{-12}\) |
| Rayos-X | \(10^{-9}\, - \,10^{-12}\) |
| Ultravioleta | \(10^{-9}\, - 4\cdot 10^{-7}\) |
| Visible | \(4\cdot 10^{-7}\, - 7,5\cdot 10^{-7}\) |
| Infrarrojo cercano | \(7,5\cdot 10^{-7}\, - 2,5\cdot 10^{-6}\) |
| Infrarrojo | \(2,5\cdot 10^{-7}\, - 2,5\cdot 10^{-6}\) |
| Microondas | \(2,5\cdot 10^{-7}\, - 10\cdot 10^{-3}\) |
| Ondas de radio | \(>10^{-3}\) |
Tabla 1: Tipo y rango de ondas electromagnéticas.
Ten en cuenta que estos rangos no son muy estrictos y puede haber un pequeño solapamiento entre los distintos tipos de ondas electromagnéticas.
Por ejemplo, un rayo X de longitud de onda muy corta también puede considerarse un rayo gamma de longitud de onda larga.
Frecuencias del espectro electromagnético
Otra alternativa habitual para clasificar los tipos de ondas del espectro electromagnético es por la frecuencia de las ondas. La frecuencia de una onda es una propiedad estrechamente relacionada con su periodo. Repasemos primero esta última propiedad.
El periodo \(T\) de una onda es el tiempo que tardan en producirse dos máximos o dos mínimos consecutivos. Su duración se mide en segundos (\(\mathrm{s}\)).
Fig. 2: El periodo de una onda es el tiempo que tardan en producirse dos máximos consecutivos o dos mínimos consecutivos.
Ahora, ya estamos preparados para entender qué es la frecuencia.
La frecuencia es el número de ondas que pasan por un punto cada segundo. Se mide en hercios.
- También puede definirse como la inversa del periodo.
Para calcular la frecuencia, podemos utilizar la fórmula siguiente.
\[f=\dfrac{1}{T}\]
Aquí:
- \(f\) es la frecuencia en hercios \(\mathrm{Hz}\)
- \(T\) es el periodo en segundos \(s\).
En el Sistema Internacional de Unidades, el hercio se utiliza para medir la frecuencia:
\[1\,\mathrm{Hz}=\dfrac{1}{\mathrm{s}}\]
Como la unidad de frecuencia es la inversa de la unidad de tiempo, entendemos que
indica que cada segundo se produce un ciclo de la onda.
Entonces, por ejemplo, un movimiento ondulatorio con una frecuencia de \(3\,\mathrm{Hz}\) significa que cada segundo se repiten tres ondas completas.
Ahora podemos ver la clasificación de los distintos tipos de ondas que forman el espectro electromagnético en función de sus longitudes de onda y frecuencias.
| Tipo de radiación | Rango de frecuencia (\(\mathrm{Hz}\)) | Rango de longitud de onda (\(\mathrm{m}\)) |
| Rayos gamma | \(10^{20}\,-\,10^{24}\) | \(<10^{-12}\) |
| Rayos X | \(10^{17}\,-\,10^{20}\) | \(10^{-9}\,-\,10^{-12}\) |
| Ultravioleta | \(10^{15}\,-\,10^{17}\) | \(10^{-9}\,-\,4\cdot 10^{-7}\) |
| Visible | \(4\cdot 10^{14}\,-\,7,5\cdot 10^{17}\) | \(4\cdot 10^{-7}\,-\,7,5\cdot 10^{-7}\) |
| Infrarrojo cercano | \(10^{14}\,-\,4\cdot 10^{14}\) | \(7,5\cdot 10^{-9}\,-\,2,5\cdot 10^{-6}\) |
| Infrarrojo | \(10^{13}\,-\,10^{14}\) | \(2,5\cdot 10^{-7}\,-\,2,5\cdot 10^{-6}\) |
| Microondas | \(3\cdot 10^{11}\,-\,10^{13}\) | \(2,5\cdot 10^{-7}\,-\, 10^{-3}\) |
| Ondas de radio | \(<3\cdot 10^{11}\) | \(>10^{-3}\) |
Tabla 2: Clasificación de ondas ondas electromagnéticas, según rangos de frecuencia y longitud de onda.
Hemos definido rangos de frecuencias y longitudes de onda para decir el tipo de una onda electromagnética. Estos rangos también se llaman longitudes de onda y bandas de frecuencia. Si estas dos clasificaciones son equivalentes, ¿hay alguna forma de que estas dos propiedades estén relacionadas? La respuesta es ¡sí!
Una vez que conocemos la frecuencia de una onda electromagnética, podemos determinar su longitud de onda y al revés.
Velocidad de las ondas y la relación entre frecuencia y longitud de onda
Podemos calcular la velocidad de una onda mediante la siguiente fórmula:
\[v=f\cdot\lambda\]
Donde:
- \(v\) representa la velocidad de la onda, en metros por segundo (\(\mathrm{m/s}\))
- \(f\) representa la frecuencia, en hercios (\(\mathrm{Hz}\))
- La letra griega lambda \(\lambda\) representa la longitud de onda, en metros (\(\mathrm{m}\)).
Todas las ondas obedecen a la ecuación anterior, y esto incluye a las ondas electromagnéticas. Pero sabemos que todas las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz (\(c\)), por lo que podemos escribir la siguiente ecuación para las ondas electromagnéticas:
\[c=f\cdot\lambda\]
Pero, podemos hacerlo aun mejor: podemos aislar la frecuencia
\[f=\dfrac{c}{\lambda}\]
o la longitud de onda
\[\lambda=\dfrac{c}{f}\].
Como muestran estas ecuaciones, la frecuencia y la longitud de onda son inversamente proporcionales. Una onda con una frecuencia mayor tiene una longitud de onda menor, y viceversa.
Diagrama del espectro electromagnético
Ahora que ya conocemos los términos utilizados para describir las ondas electromagnéticas, podemos presentar un diagrama del espectro electromagnético clasificado en términos de frecuencias y longitudes de onda. La figura siguiente muestra algunos objetos cotidianos dentro del mismo orden de magnitud en tamaño que las ondas correspondientes. Observa lo pequeña que es la parte del espectro que podemos ver:
Fig. 3: Las ondas que forman el espectro electromagnético pueden clasificarse por su longitud de onda o por su frecuencia.
Observa cómo la frecuencia aumenta, a medida que disminuye la longitud de onda.
Como puedes ver en la imagen, el espectro electromagnético no tiene interrupciones o huecos aparentes en toda su gama de longitudes de onda —o frecuencias—. Por eso decimos que el espectro electromagnético es continuo.
Ahora, únicamente ciertos tipos de ondas electromagnéticas de la imagen anterior se clasifican como radiaciones ionizantes. ¿Sabes qué significa esto?
Energía del espectro electromagnético
Un ion es un átomo o molécula que ha perdido o ganado electrones, teniendo una carga eléctrica neta.
Recuerda que las ondas electromagnéticas transportan energía desde su fuente hasta un receptor. Las ondas electromagnéticas clasificadas como radiaciones ionizantes transportan tanta energía que, cuando interactúan con átomos y moléculas, pueden quitarles electrones. Este proceso conveirte a ese átomo o molécula en un ion.
Vuelve a mirar la imagen: Las ondas eléctricas ionizantes son las que tienen frecuencias más altas, y esto no es casualidad. La energía de una onda electromagnética es directamente proporcional a su frecuencia. Cuanto mayor es la frecuencia de una onda electromagnética —o, lo que es lo mismo, cuanto menor es su longitud de onda—, más energía transmite.
Por tanto, el peligro potencial de estar expuesto a una onda electromagnética aumenta a medida que aumenta su frecuencia:
Las microondas pueden provocar un calentamiento interno en las células de nuestro cuerpo.
Los infrarrojos pueden causarnos quemaduras en la piel.
Los rayos X y gamma pueden dañar las células de nuestro cuerpo y provocar mutaciones en ellas.
La radiación ultravioleta puede dañar las células de la superficie de nuestra piel y nuestros ojos; esto provoca cáncer de piel y afecciones oculares.
Por eso es tan importante llevar crema de protección solar, que puede bloquear parte del espectro ultravioleta; así, protege nuestra piel.
Ten en cuenta que los riesgos relacionados con la exposición a las radiaciones electromagnéticas aumentan a medida que aumenta la exposición. En otras palabras, el riesgo de exposición a la radiación es acumulativo.
Por ejemplo, es muy poco probable tener efectos secundarios por someterse a una radiografía o, incluso, a un estudio médico que implique una radiación más energética.
Sin embargo, el personal médico que atiende diariamente a los pacientes se expone cada día a estas radiaciones. Por ello, deben llevar un dispositivo especial que indique cuánta exposición a la radiación han acumulado hasta que deje de considerarse segura.
Pero, así como esta radiación puede ser muy peligrosa, también puede tener muchas aplicaciones prácticas, si se utiliza correctamente.
Aplicaciones del espectro electromagnético
Debido a sus diferentes características —como su capacidad de penetración, la energía que transportan o cómo interactúan con la materia—, tenemos diferentes aplicaciones para las distintas ondas electromagnéticas del espectro. Veamos algunos ejemplos de aplicaciones y aprendamos por qué vemos diferentes colores en los objetos que nos rodean.
Ondas de radio
Estas ondas electromagnéticas se utilizan para la radiodifusión, las comunicaciones y las transmisiones por satélite.
Las tecnologías Wi-Fi y Bluetooth utilizan ondas electromagnéticas que caen en esta parte del espectro.
Microondas
Se utilizan habitualmente para cocinar y calentar nuestros alimentos, pero también se emplean en comunicaciones y transmisiones por satélite.
Infrarrojos
Aunque también se utilizan para cocinar, tienen aplicaciones en imágenes térmicas, comunicaciones de corto alcance, fibras ópticas, mandos a distancia y sistemas de seguridad.
En general, todos los cuerpos emiten energía en forma de radiación electromagnética. La temperatura de un objeto determina el tipo principal de ondas electromagnéticas que emite.
Por ejemplo, el filamento de una bombilla puede alcanzar una temperatura superior a \(2000^{\circ}\).
A estas altas temperaturas, la radiación emitida por el filamento incluye una cantidad importante de luz visible.
Temperaturas mucho más bajas, como la de nuestro cuerpo o la de un teléfono caliente después de ser cargado, tienen una emisión que predomina en la parte infrarroja del espectro electromagnético, por lo que no podemos verla. Sin embargo, podemos fabricar cámaras que nos permiten ver esta radiación indirectamente utilizando sensores especiales. La imagen siguiente muestra una foto de un perro tomada con una cámara de infrarrojos.
Fig. 4: Una cámara de infrarrojos puede registrar las distintas ondas infrarrojas y hacer una foto que muestre la distribución de temperaturas de un objeto.
Observa que los colores de la imagen no son los colores de las ondas infrarrojas. No podemos ver las ondas infrarrojas, pero la cámara puede percibirlas. Entonces, registra la información de la radiación infrarroja y crea una imagen utilizando los colores que podemos ver, para que notemos las diferentes temperaturas de las distintas partes del objeto o sujeto.
Hablemos ,entonces, con más detalle de las ondas electromagnéticas que podemos ver y de cómo percibimos los distintos colores.
Luz visible
Todo lo que podemos ver refleja o emite luz visible. También nos referimos a la luz visible, simplemente, como luz.
Las frecuencias correspondientes a esta luz que podemos ver van de \(380\) a \(750\,\mathrm{nm}\). Esto equivale al rango de \(3,8\cdot 10^{-11}\, - \, 7,5\cdot 10^{-11}\,\mathrm{m}\). Percibimos colores distintos según la frecuencia de la luz que llega a nuestros ojos.
Esto funciona de forma similar a cómo percibimos que el sonido tiene un tono diferente, según la frecuencia de la onda sonora.
Fig. 4: Las distintas frecuencias de la parte de luz visible del espectro electromagnético se perciben como colores diferentes.
Cuando vemos que un objeto es de un color determinado, en general, es porque refleja la frecuencia de luz correspondiente a ese color y absorbe el resto de la luz visible.
Fig. 5: En general, un objeto tendrá el aspecto de un color determinado porque refleja la frecuencia de ese color de la luz visible y, al mismo tiempo, absorve el resto.
Por esta razón, no es del todo correcto decir que las ondas electromagnéticas con frecuencias diferentes que caen fuera de la parte visible del espectro son colores que no podemos ver. Definimos los colores basándonos únicamente en la frecuencia de las ondas electromagnéticas que podemos ver. Por tanto, no tiene sentido hablar de qué color tendrían las ondas de radio, por ejemplo.
Algunos otros animales e insectos pueden ver una parte distinta del espectro electromagnético.
Por ejemplo:
- Las abejas pueden ver ondas electromagnéticas con longitudes de onda de aproximadamente \(300\,\mathrm{nm}\) a \(650\,\mathrm{nm}\) lo que significa que pueden ver parte del espectro ultravioleta. Algunas flores tienen dibujos que reflejan la radiación ultravioleta que nosotros no podemos ver, pero las abejas sí.
- Por otra parte, las serpientes pueden percibir la radiación que cae en la parte infrarroja de los espectros. Peo ejemplo, pueden percibir un ratón en la oscuridad, porque el ratón emite radiación infrarroja en todo momento.
Como ya hemos explicado, todos los cuerpos emiten radiación de una forma que depende de su temperatura. Para las temperaturas típicas del cuerpo de una persona, un perro o un ratón, la radiación cae en la parte infrarroja del espectro electromagnético. Por lo tanto, tenemos dificultades para ver un ratón en la oscuridad, porque necesitamos que la luz visible se refleje desde el ratón hasta nuestros ojos para verlo.
Fig. 6: Una persona solamente puede ver un objeto cuando emite luz visible, o cuando la luz visible se refleja en él. Sin embargo, las abejas y las serpientes pueden percibir distintas partes del espectro electromagnético que nosotros no podemos.
El diagrama muestra cómo una serpiente puede percibir al ratón y cómo la abeja puede percibir un patrón ultravioleta en las flores. Sin embargo, estas imágenes son representaciones que utilizan los colores que podemos ver. Esto no significa que las serpientes o las abejas vean estos objetos con estos colores precisos.
Ultravioleta
Estas ondas electromagnéticas se utilizan en las lámparas fluorescentes, detección de billetes y dinero falso, la desinfección del agua y el curado de la resina para aplicaciones dentales.
La fluorescencia es la emisión de luz que se produce cuando una sustancia absorbe luz u otra radiación electromagnética.
Una sustancia fluorescente puede absorber radiación en la parte ultravioleta del espectro que no podemos ver. Pero entonces, la sustancia emite luz con una frecuencia diferente. Esta luz emitida es visible para nosotros. Por tanto, una sustancia fluorescente tiene un color diferente que solamente puede verse cuando se expone a la radiación ultravioleta.
La tinta fluorescente se utiliza en algunos billetes como medida de prevención de falsificaciones. Algunos insectos también son fluorescentes bajo la luz ultravioleta.
Fig. 7: Imagen de un escorpión de Arizona tomada bajo luz ultravioleta.
Rayos X
Se utilizan para observar la estructura interna de los objetos. Puede que lo hayas visto en los escáneres de seguridad de los aeropuertos o en las radiografías médicas.
Fig. 8: Los rayos X pueden penetrar en la piel de nuestro cuerpo, pero no en los huesos, que son más densos. Por tanto, utilizando una película sensible a los rayos X, podemos formar una imagen de los huesos.
Rayos gamma
Este tipo de radiación electromagnética tiene muchos usos, desde la esterilización de alimentos y equipos médicos hasta la detección del cáncer y su tratamiento.
Fig. 10: Cuando la radiación llega a las bacterias de la fruta, daña su ADN irreparablemente y provoca la muerte de las bacterias.
Espectro electromagnético - Puntos clave
- La luz es un ejemplo de onda electromagnética.
- Las ondas electromagnéticas tienen un espectro continuo, ya que no hay intervalos entre las posibles longitudes de onda o frecuencias.
- Las ondas electromagnéticas son ondas transversales que transportan energía de una fuente a un receptor y se mueven a la velocidad de la luz.
- Todas las formas de ondas electromagnéticas pueden propagarse a través del vacío.
- La ecuación de la velocidad de onda relaciona la longitud de onda y la frecuencia de las ondas que componen el espectro electromagnético.
- Las ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz visible (del rojo al violeta), ultravioleta, rayos X y rayos gamma son las categorías que van de longitud de onda larga a corta (o de baja a alta frecuencia).
- Cada categoría de ondas dentro del espectro electromagnético tiene su longitud de onda y su banda de frecuencia.
- Nuestros ojos únicamente pueden ver una parte del espectro electromagnético: la luz visible.
- La energía de una onda electromagnética es directamente proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda.
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