Martes, 15 Marzo 2011 14: 46

El Espectro Electromagnético: Características Físicas Básicas

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La forma más familiar de energía electromagnética es la luz solar. La frecuencia de la luz solar (luz visible) es la línea divisoria entre la radiación ionizante más potente (rayos X, rayos cósmicos) en frecuencias más altas y la radiación no ionizante más benigna en frecuencias más bajas. Hay un espectro de radiación no ionizante. Dentro del contexto de este capítulo, en el extremo superior, justo debajo de la luz visible, se encuentra la radiación infrarroja. Debajo está la amplia gama de frecuencias de radio, que incluye (en orden descendente) microondas, radio celular, televisión, radio FM y radio AM, ondas cortas utilizadas en calentadores dieléctricos y de inducción y, en el extremo inferior, campos con frecuencia industrial. El espectro electromagnético se ilustra en la figura 1. 

Figura 1. El espectro electromagnético

ELF010F1

Así como la luz visible o el sonido impregnan nuestro entorno, el espacio donde vivimos y trabajamos, también lo hacen las energías de los campos electromagnéticos. Además, así como la mayor parte de la energía sonora a la que estamos expuestos es creada por la actividad humana, también lo son las energías electromagnéticas: desde los niveles débiles emitidos por nuestros electrodomésticos cotidianos, los que hacen que funcionen nuestros aparatos de radio y televisión, hasta los niveles altos. niveles que los médicos aplican con fines beneficiosos, por ejemplo, diatermia (tratamientos térmicos). En general, la fuerza de tales energías disminuye rápidamente con la distancia a la fuente. Los niveles naturales de estos campos en el medio ambiente son bajos.

La radiación no ionizante (NIR) incorpora todas las radiaciones y campos del espectro electromagnético que no tienen suficiente energía para producir la ionización de la materia. Es decir, NIR es incapaz de impartir suficiente energía a una molécula o átomo para alterar su estructura mediante la eliminación de uno o más electrones. El límite entre NIR y la radiación ionizante suele establecerse en una longitud de onda de aproximadamente 100 nanómetros.

Al igual que con cualquier forma de energía, la energía NIR tiene el potencial de interactuar con los sistemas biológicos, y el resultado puede no ser significativo, puede ser dañino en diferentes grados o puede ser beneficioso. Con la radiación de radiofrecuencia (RF) y microondas, el principal mecanismo de interacción es el calentamiento, pero en la parte de baja frecuencia del espectro, los campos de alta intensidad pueden inducir corrientes en el cuerpo y, por lo tanto, ser peligrosos. Sin embargo, se desconocen los mecanismos de interacción para las intensidades de campo de bajo nivel.

 

 

 

 

 

 

 

 

Cantidades y Unidades

Los campos a frecuencias inferiores a unos 300 MHz se cuantifican en términos de intensidad de campo eléctrico (E) y la fuerza del campo magnético (H). E se expresa en voltios por metro (V/m) y H en amperios por metro (A/m). Ambos son campos vectoriales, es decir, se caracterizan por su magnitud y dirección en cada punto. Para el rango de baja frecuencia, el campo magnético a menudo se expresa en términos de densidad de flujo, B, con la unidad SI tesla (T). Cuando se discuten los campos en nuestro entorno diario, la subunidad microtesla (μT) suele ser la unidad preferida. En alguna literatura, la densidad de flujo se expresa en gauss (G), y la conversión entre estas unidades es (para campos en el aire):

1 T = 104 G o 0.1 μT = 1 mG y 1 A/m = 1.26 μT.

Se encuentran disponibles revisiones de conceptos, cantidades, unidades y terminología para la protección contra la radiación no ionizante, incluida la radiación de radiofrecuencia (NCRP 1981; Polk y Postow 1986; OMS 1993).

El término radiación simplemente significa energía transmitida por ondas. Las ondas electromagnéticas son ondas de fuerzas eléctricas y magnéticas, donde un movimiento ondulatorio se define como la propagación de perturbaciones en un sistema físico. Un cambio en el campo eléctrico va acompañado de un cambio en el campo magnético y viceversa. Estos fenómenos fueron descritos en 1865 por JC Maxwell en cuatro ecuaciones que se conocen como Ecuaciones de Maxwell.

Las ondas electromagnéticas se caracterizan por un conjunto de parámetros que incluyen la frecuencia (f), longitud de onda (λ), intensidad de campo eléctrico, intensidad de campo magnético, polarización eléctrica (P) (la dirección de la E campo), velocidad de propagación (c) y el vector de Poynting (S). Figura 2  ilustra la propagación de una onda electromagnética en el espacio libre. La frecuencia se define como el número de cambios completos del campo eléctrico o magnético en un punto dado por segundo, y se expresa en hercios (Hz). La longitud de onda es la distancia entre dos crestas o valles consecutivos de la onda (máximos o mínimos). La frecuencia, la longitud de onda y la velocidad de onda (v) están interrelacionados de la siguiente manera:

v = f λ

Figura 2. Una onda plana que se propaga con la velocidad de la luz en la dirección x

ELF010F2

La velocidad de una onda electromagnética en el espacio libre es igual a la velocidad de la luz, pero la velocidad en los materiales depende de las propiedades eléctricas del material, es decir, de su permitividad (ε) y permeabilidad (μ). La permitividad se refiere a las interacciones del material con el campo eléctrico, y la permeabilidad expresa las interacciones con el campo magnético. Las sustancias biológicas tienen permitividades que difieren mucho de las del espacio libre y dependen de la longitud de onda (especialmente en el rango de RF) y del tipo de tejido. La permeabilidad de las sustancias biológicas, sin embargo, es igual a la del espacio libre.

En una onda plana, como se ilustra en la figura 2 , el campo eléctrico es perpendicular al campo magnético y la dirección de propagación es perpendicular tanto al campo eléctrico como al magnético.

 

 

 

Para una onda plana, la relación entre el valor de la intensidad del campo eléctrico y el valor de la intensidad del campo magnético, que es constante, se conoce como impedancia característica (Z):

Z = E/H

En el espacio libre, Z= 120π ≈ 377Ω pero de otro modo Z depende de la permitividad y la permeabilidad del material a través del cual viaja la onda.

La transferencia de energía se describe mediante el vector de Poynting, que representa la magnitud y dirección de la densidad de flujo electromagnético:

S = E x H

Para una onda que se propaga, la integral de S sobre cualquier superficie representa la potencia instantánea transmitida a través de esta superficie (densidad de potencia). La magnitud del vector de Poynting se expresa en vatios por metro cuadrado (W/m2) (en alguna literatura la unidad mW/cm2 se utiliza—la conversión a unidades SI es 1 mW/cm2 = 10W/m2) y para ondas planas está relacionado con los valores de las intensidades de campo eléctrico y magnético:

S = E2 / 120π = E2 / 377

y

S = 120π H2 = 377 H2

No todas las condiciones de exposición encontradas en la práctica pueden representarse mediante ondas planas. A distancias cercanas a las fuentes de radiación de radiofrecuencia no se cumplen las relaciones características de las ondas planas. El campo electromagnético radiado por una antena se puede dividir en dos regiones: la zona de campo cercano y la zona de campo lejano. El límite entre estas zonas se suele poner en:

r = 2a2 / λ

donde a es la mayor dimensión de la antena.

En la zona de campo cercano, la exposición debe caracterizarse tanto por el campo eléctrico como por el magnético. En el campo lejano, uno de estos es suficiente, ya que están interrelacionados por las ecuaciones anteriores que involucran E y H. En la práctica, la situación de campo cercano a menudo se realiza en frecuencias por debajo de 300 Mhz.

La exposición a los campos de RF se complica aún más por las interacciones de las ondas electromagnéticas con los objetos. En general, cuando las ondas electromagnéticas se encuentran con un objeto, parte de la energía incidente se refleja, parte se absorbe y parte se transmite. Las proporciones de energía transmitida, absorbida o reflejada por el objeto dependen de la frecuencia y polarización del campo y de las propiedades eléctricas y la forma del objeto. Una superposición de las ondas incidente y reflejada da como resultado ondas estacionarias y una distribución de campo espacialmente no uniforme. Dado que las ondas se reflejan totalmente en los objetos metálicos, las ondas estacionarias se forman cerca de dichos objetos.

Dado que la interacción de los campos de RF con los sistemas biológicos depende de muchas características de campo diferentes y los campos que se encuentran en la práctica son complejos, se deben considerar los siguientes factores al describir las exposiciones a los campos de RF:

  • si la exposición se produce en la zona de campo cercano o lejano
  • si es de campo cercano, entonces valores para ambos E y H Se necesitan; si es de campo lejano, entonces E or H
  • variación espacial de la magnitud del campo(s)
  • polarización del campo, es decir, la dirección del campo eléctrico con respecto a la dirección de propagación de la onda.

 

Para la exposición a campos magnéticos de baja frecuencia, todavía no está claro si la intensidad del campo o la densidad de flujo es la única consideración importante. Puede resultar que otros factores también sean importantes, como el tiempo de exposición o la rapidez de los cambios de campo.

El término campo electromagnetico (EMF), como se usa en los medios de comunicación y la prensa popular, generalmente se refiere a campos eléctricos y magnéticos en el extremo de baja frecuencia del espectro, pero también se puede usar en un sentido mucho más amplio para incluir todo el espectro de radiación electromagnética. Tenga en cuenta que en el rango de baja frecuencia el E y B los campos no están acoplados o interrelacionados de la misma manera que lo están en frecuencias más altas y, por lo tanto, es más exacto referirse a ellos como "campos eléctricos y magnéticos" en lugar de campos electromagnéticos.

 

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