Curso de Radioastronomía básica de Jet Propulsion Laboratory (JPL). Capítulo 2

Objetivos: Cuando haya completado este capítulo, podrá definir el término “espectro electromagnético”, explicar la relación entre frecuencia y longitud de onda, y dar la relación entre energía recibida y distancia de la fuente. Podrá describir los límites de la “banda-S” y la “banda-X” del espectro electromagnético. Podrá describir la polarización de onda.

Las propiedades de la Radiación Electromagnética

Traducido por Tiare Rivera para Seti.cl

¿Qué es la Radiación Electromagnética?

“Campo” es un término físico para una región que está bajo la influencia de cierta fuerza que puede actuar en la materia dentro de esa región. Por ejemplo, el Sol produce un campo gravitacional que atrae los planetas en el sistema solar y por tanto influye sus órbitas.

Las cargas eléctricas estacionarias producen campos eléctricos, mientras que las cargas eléctricas en movimiento producen tanto campos eléctricos como magnéticos. Los cambios repetidos y regulares en estos campos producen lo que llamamos radiación electromagnética. La radiación electromagnética transporta energía de un punto a otro. Esta radiación se propaga (mueve) a través del espacio a 299,792 km por segundo (alrededor de 186.000 millas por segundo). Esto significa, que viaja a la velocidad de la luz. Efectivamente, la luz es una de las formas de la radiación electromagnética.

Otras formas de la radiación electromagnética son los rayos X, microondas, radiación infraroja, ondas de radio AM y FM y la radiación ultravioleta. Las propiedades de la radiación electromagnética depende fuertemente de su frecuencia. Las frecuencias de la radiación electromagnética son dadas en Hertz (Hz), llamadas así por Heinrich Hertz (1857-1894), la primera persona en generar ondas de radio. Un Hertz es un ciclo por segundo.

Frecuencia y Longitud de Onda

Tal como la radiación se propaga en una frecuencia dada, tiene una longitud de onda asociada – eso es, la distancia entre sucesivas crestas o sucesivos valles. Las longitudes de onda son generalmente dados en metros (o alguna fracción decimal de un metro) o Angstroms (Å, 10-10 metros).

En vista que todas las radiaciones electromagnéticas viajan a la misma velocidad (en el vacío), el número de crestas (o valles) pasando por un punto dado en el espacio, en una unidad dada de tiempo (digamos, un segundo), varía con la longitud de onda. Por ejemplo, 10 ondas de una longitud de 10 metros pasarán por un punto en la misma longitud de tiempo que le tomaría 1 onda de un largo de 100 metros. En vista que todas las formas de energía electromagnética viajan a la velocidad de la luz, la longitud de onda equivale la velocidad de la luz dividida por la frecuencia de oscilación (moviéndose de cresta a cresta o valle a valle).

En el dibujo inferior, las ondas electromagnéticas están pasando el punto B, moviéndose a la derecha a la velocidad de la luz (comúnmente representada por C, y dado en km/seg) Si medimos a la izquierda de B una distancia D igual a la distancia a la que viaja la luz en un segundo (2.997 X 10 5 hm), llegamos al punto A  a lo largo del tren de ondas, que simplemente pasará el punto B luego de un periodo de 1 segundo (moviéndose de izquierda a derecha). La frecuencia f del tren de onda (eso es, el número de ondas entre A y B) por el largo de cada λ, equivale la distancia D recorrida en un segundo.

En vista que hablamos de frecuencia y radiación electromagnética en términos de oscilaciones por segundo y la velocidad de la luz en términos de distancia recorrida por segundo, podemos decir que:

Ley Cuadrática Inversa de Propagación

Mientras la radiación electromagnética va dejando su fuente, se va esparciendo, viajando en lineas rectas, como si fuera cubriendo la superficie de una esfera de expansión continua. Esta área se incrementa proporcionalmente al cuadrado de la distancia en que la radiación ha viajado. En otras palabras, el área de esta esfera en expansión es calculada en 4πR², donde R es la distancia que la radiación ha viajado, eso es, el radio de la esfera en expansión. La relación es conocida como la Ley Cuadrática Inversa de propagación (electromagnética); que va perdiendo la fuerza de su señal a través del espacio, llamado perdida de espacio. Por ejemplo, Saturno está aproximadamente 10 veces más lejos que el Sol en relación a la Tierra. (La distancia Tierra-Sol es definida como una unidad astronómica UA. Al momento en que la radiación del Sol alcanza Saturno, ya se habrá esparcido 100 veces el área que cubre en una Unidad Astronómica. Por tanto, Saturno sólo recibe 1/100 veces el flujo de energía solar (eso es, energía por unidad de área) que recibe la Tierra.

La Ley Cuadrática Inversa es muy importante en la exploración del Universo. Significa que la concentración de radiación electromagnética disminuye muy rápidamente al incrementarse la distancia desde el emisor. Sea el emisor una nave espacial con un bajo poder de transmisión, una estrella extremadamente poderosa, o una radio galaxia, debido a las grandes distancias y la pequeña área que cubre la Tierra en la gran esfera imaginaria formada por el radio de la energía en expansión, entregará sólo una pequeña cantidad de energía al detector en la Tierra.

El Espectro Electromagnético

La luz es una radiación electromagnética en la que su frecuencia es sensible al ojo humano (y otras especies con visión). Pero el espectro electromagnético no tiene límites superiores ni inferiores de frecuencias. Ciertamente tiene un rango mucho más amplio de frecuencias que puede detectar el ojo humano. En orden de aumento de frecuencia (y disminución de longitud de onda), el espectro elecromagnético incluye: la radio frecuencia (RF), infrarrojo (IR), luz visible, ultravioleta (UV), rayos “X”  y rayos gamma.  Estas designaciones describen sólo frecuencias diferentes del mismo fenómeno: radiación electromagnética.

Las frecuencias mostradas en el siguiente diagrama están dentro del rango de fuentes comunes que generan estas radiaciones y que pueden ser observadas por detectores comunes. Los rangos tales como el microondas, infrarrojo, etc.  Están ordenados en gráficas espectrales gracias a las técnicas artificiales que usamos para producirlos.

La radiación electromagnética con frecuencias entre 5 kHz y 300 GHz se refiere a la radio frecuencia (RF). Las radio frecuencias son divididas en rangos llamados “bandas” tales como la “banda S” “banda X” etc. Los radiotelescopios se pueden afinar para escuchar las frecuencias dentro de ciertas bandas.

Nota:  Las definiciones de “banda” varían levemente entre fuentes diferentes. Estos son valores aproximados.

La Polarización de Onda

Si las ondas electromagnéticas no encuentran barreras mientras viajan a través de un “idealizado” espacio vacío, viajarían en líneas rectas. Como se mencionó al principio de este capítulo, las cargas eléctricas estacionarias producen campos eléctricos, y las cargas en movimiento producen campos magnéticos. En el espacio libre, las direcciones de los campos son ángulos rectos en dirección a la propagación de la onda.

El dibujo inferior muestra parte de un frente de onda que podría aparecer a un observador en el punto indicado en el dibujo. La onda se está moviendo directamente fuera de la hoja. Después de un periodo y medio, el observador verá un patrón de campo similar, excepto que las direcciones de ambos campos eléctricos y magnéticos estarán invertidos.

El campo magnético es llamado vector magnético, y el campo eléctrico es llamado vector eléctrico. Un campo vector tiene tanto una magnitud y una dirección en cualquier punto dado en el espacio. La Polarización de las ondas electromagnéticas es definido como la dirección del vector eléctrico. Si el vector eléctrico se mueve en un ángulo constante con respecto al horizonte, a las ondas se les llama polarizadas linealmente. En la transmisión de ondas de radio, si la polarización es paralelo a la superficie de la Tierra, la onda se le llama polarizada horizontalmente. Si la onda es irradiada en un plano vertical, se dice que es polarizado verticalmente. Las ondas también pueden ser circularmente polarizadas, por el cual el ángulo del vector eléctrico (o magnético) gira sobre una linea (imaginaria) viajando en dirección de la propagación de la onda. La rotación también puede ser a la derecha o izquierda.

La radiación de Radio Frecuencia desde fuentes extraterrestres puede ser polarizado linealmente o circularmente, o lo que sea entre ambas, o sin polarización. La polarización de las ondas les da a los astrónomos información adicional sobre su fuente.

Recapitulación:

1. La radiación electromagnética es producida por cargas regularmente repetidas en campos ____________ y ____________.
2. _________________ es la distancia entre dos ondas de crestas sucesivas.
3. Mientras más corta la longitud de onda, ____ _________ es la frecuencia.
4. La cantidad de energía propagada desde una fuente disminuye proporcionalmente al ___________ de la distancia desde la fuente.
5. El rango de frecuencias en el espectro electromagnético que está bajo (con menos frecuencia que) el rango visible es llamado ___________.
6. Las longitudes de ondas de radio están en el rango (más largo/más corto) ____________________ del espectro electromagnético.
7. En el rango de la luz visible, el final _____________  del espectro tiene mayores frecuencias que el final ____________ del espectro.
8. La polarización lineal de una onda electromagnética es definida por la dirección de su vector ________________.

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Para más estudio:

• Nature of electromagnetic radiation: Kaufmann, 80-84.
• Inverse-square law of electromagnetic propagation: Kaufmann, 342-343.
• Polarization of electromagnetic waves: Wynn-Williams, 68, 74, 105-109.

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Respuestas:

1. Eléctrico, magnético.
2. Longitud de onda.
3. más alta.
4. cuadrado
5. Infrarrojo
6. más largo
7. Azul, rojo
8. eléctrico.

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