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ELECTRORADIOLOGIA Y FÍSICA
MODULO III
Modulo III: Ondas electromagnéticas y Rayos X
1-Introducción
La utilidad de los sonidos inaudibles.
Las vibraciones de un cuerpo sumergido en un fluido se transmiten a este medio, en el cual
pasan de un punto a otro, construyendo un onda mecánica. El oído humano esta preparado
para detectar estas vibraciones con frecuencias comprendidas en determinado intervalo de
valores. Las vibraciones de frecuencia superior o ultrasonido, y las de frecuencia inferior, o
infrasonidos, no se perciben auditivamente pero pueden ser aprovechadas en muchísimas
aplicaciones.
Las reflexiones de las ondas sonoras de
alta frecuencia en los tejidos corporales
se emplean para construir imágenes del
interior del cuerpo. A medida que una
onda ultrasónica penetra el organismo, se
refleja parcialmente, de manera que la
relación de intensidad y el retraso entre
las diferentes ondas reflejadas pueden
ser analizados para obtener información
sobre los órganos internos. Una gran
ventaja de las técnicas por imágenes
ultrasónicas es que las vibraciones no
ionizan los tejidos ( como si los hace los
rayos X) y , por este motivo, resultan
aptas para el diagnóstico obstétrico.
Fig 1 : Ecografía 4D.
Como el ultrasonido consiste en vibraciones mecánicas y puede ser muy bien enfocado a
altas frecuencias, se lo puede usar para calentar determinadas zonas sin dañar el tejido
vecino. Esta técnica se emplea para aliviar dolores musculares o de articulaciones. También
se puede usar el ultrasonido focalizado en el tratamiento de enfermedades como el mal de
Parkinson, para tratar lesiones en zonas del cerebro inaccesibles a la cirugía tradicional.
El efecto doppler se aprovecha para el
estudio de la circulación sanguínea
mediante ultrasonido ( de frecuencia
aproximada de 3 MHz). Con esta técnica
se pueden detectar enfermedades de las
aterías o de las válvulas del corazón.
Fig 2 : Eco doppler del corazón.
Autor: García Regué Susana
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Como el ultrasonido puede enfocarse para formar haces concentrados, se lo usa en anteojos
ultrasónicos para personas ciegas. Estos anteojos tienen un emisor y un receptor, conectado
al oído de la persona que los lleva. El receptor emite una señal aguda o grave, que depende
de la lejanía o cercanía del objeto que produce el eco.
Existe una razón por la cual se usan sonidos de alta frecuencia. La relación entre la
velocidad de una onda, su frecuencia y su longitud de onda (velocidad = frecuencia x
longitud de onda) muestra que una frecuencia alta significa una longitud de onda corta. La
velocidad del sonido en el agua es de 1500 m/s; un sonido audible de frecuencia 1500 Hz
tiene en este medio una longitud de onda de 0.01m . una onda de estas características se
difracta en los objetos pequeños, rodeándolos y continuando su camino. Una onda de
ultrasonido de frecuencia de 150000Hz, en cambio, tiene una longitud de 0.01 cm en el
agua, de manera que se refleja en los pequeños obstáculos dentro del cuerpo. Los geólogos
usan los ultrasonidos para buscar gas y petróleo.
El tono de un sonido se relaciona con su frecuencia. Cuando un tren que hace sonar su
silbato se acerca, su sonido se percibe más agudo que cuando esta quieto, y cuando se aleja,
más grave. Y los radares que controlan la velocidad de los autos en las rutas emiten una
onda sonora que se refleja en los autos en movimiento. La frecuencia que tiene el eco de la
onda depende de la velocidad del auto.
2- Ondas mecánicas:
En física, una onda es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un
medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, que se propaga
a través del espacio transportando energía. El medio perturbado puede ser de naturaleza
diversa como aire, agua, un trozo de metal o el vacío.
2.1- Características de una onda, longitud, frecuencia , amplitud y velocidad:
una piedra cae en la quietas aguas de un estanque y altera la superficie lisa del agua, en la
que se propaga una perturbación vertical, desde el punto en que cae la piedra hacia fuera.
Una hoja que flota más allá, sube, baja al paso de la perturbación y vuelve a quedar tal
como estaba. La perturbación pasa de un punto al otro del agua, moviendo estos objetos
hacia arriba y hacia abajo, pero una vez que pasó, el agua queda quieta, tal como estaba
antes. Qué se transmite a lo largo del estanque? Energía.
A movimientos como estos, que se propagan en un medio material transportando energía,
se los llama ondas mecánicas.
Fig 3 : Propagación de una onda mecánica en un estanque
Autor: García Regué Susana
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Ejemplos:
1- Si alguién agita un extremo de una soga, como muestra la figura 4, el movimiento
que genera hace que los puntos adyacentes de la soga también se muevan, y
transmitan este movimiento punto a punto, hasta llegar al otro extremo.
Fig 4: Propagación de una onda.
2- Si se comprimen algunas espiras en un extremo del resorte largo, las espiras
vecinas se estiran. Cuando se sultan, las que estaban comprimidas tienden a volver a
su posición original. Pero como adquieren velocidad, siguen un poco más allá
respecto de su posición original y generan una compresión en las vecinas . estas
compresiones y dilataciones se transmiten a lo largo del resorte.
Estos dos ejemplos tienen en común la propagación de una onda mecánica que viaja en un
eje horizontal ( dirección de propagación). Pero hay una diferencia importante. En el caso
de la soga, los puntos por los que pasa la onda oscilan hacia arriba y hacia abajo. Es decir,
se mueven en un eje perpendicular a la dirección de propagación. A este tipo de onda se
las llama transversales, como las que se forman cuando se tiran piedras una tras otra en un
estanque. Un cuerpo que flote en la superficie del agua ( un corcho, por ejemplo), se
moverá verticalmente al paso de la onda. En cambio, en el ejemplo del resorte, las espiras
oscilan hacia delante y hacia atrás. El movimiento es un eje paralelo a la dirección de
propagación. Son entonces, ondas longitudinales. Las ondas de sonidos pertenecen a esta
clase, donde lo que se comprime y estira, como si fuera un resorte, es el medio elástico en
que se propaga, que puede ser gaseoso como el aire, líquido o sólido.
Una vez generada la onda, hay un conjunto de puntos que son alcanzados al mismo tiempo
por el movimiento ondulatorio. Las superficie compuesta por todos esos puntos se llama
frente de onda. Así, las ondas generadas por las piedras que caen en el agua tienen un
frente de onda circular. En cambio, las ondas de sonido en el aire, o en los fluidos en
general, se propagan en forma tridimensional. Los frentes de ondas generados por una
fuente sonora puntual son esféricos.
La AMPLITUD (A) de la honda es la máxima distancia que aparta, en este caso, la soga
hacia arriba o hacia abajo. Cuando más amplio sea el movimiento de la mano, más
amplitud tendrá la onda generada en la soga.
La LONGITUD DE ONDA (es el ancho de l a forma que se repite una y otra vez
cuando la mano sube y baja.
Si la mano se agita más rápidamente, se aumenta frecuencia (f) del movimiento, es decir,
se producen más ondas por segundo. Otra de forma de decir lo mismo: cada onda tarda
menos tiempo en repetirse, el período (T) de la onda es menos.
Autor: García Regué Susana
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Fig.5: Amplitud y longitud de onda.
2.2 – Movimiento Oscilatorio Armónico.
Desde un punto de vista matemático, la onda más sencilla o fundamental es el armónico
(sinusoidal) la cual es descrita por la ecuación f(x,t) = Asin(ωt − kx)), donde A es la
amplitud de una onda - una medida de máximo vacío en el medio durante un ciclo de onda
(la distancia máxima desde el punto más alto del monte al equilibrio). En la ilustración de
la derecha, esta es la distancia máxima vertical entre la base y la onda. Las unidades de
amplitud dependen del tipo de onda — las ondas en una cuerda tienen una amplitud
expresada como una distancia (metros), las ondas sonoras como presión (pascales) y ondas
electromagnéticas como la amplitud del campo eléctrico (voltios/metros). La amplitud
puede ser constante, o puede variar con el tiempo y/o posición. La forma de la variación de
amplitud es llamada la envolvente de la onda.
La longitud de onda (simbolizada por λ) es la distancia entre dos montes o valles seguidos.
Suele medirse en metros, aunque en óptica es más común usar los nanómetros o los
Angstroms (Å).
Un número de onda angular k puede ser asociado con la longitud de onda por la relación:
El periodo T es el tiempo para un ciclo completo de oscilación de la onda. La frecuencia f
es cuantos periodos por unidad de tiempo (por ejemplo un segundo) y es medida en hertz.
Esto es relacionado por:
En otras palabras, la frecuencia y el periodo de una onda son recíprocas entre sí.La
frecuencia angular ω representa la frecuencia en radianes por segundo. Está relacionada
con la frecuencia por
Autor: García Regué Susana
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Hay dos velocidades diferentes asociadas a las ondas. La primera es la velocidad de fase,la
cual indica la tasa con la que la onda se propaga, y esta dada por:
La segunda es la velocidad de grupo, la cual da la velocidad con la que las variaciones en
la forma de la amplitud de la onda se propagan por el espacio. Esta es la tasa a la cual la
información puede ser transmitida por la onda. Está dada por:
2.3- Ondas estacionarias
Una onda estacionaria es aquella que permanece fija, sin propagarse a través del medio.
Este fenómeno puede darse, bien cuando el medio se mueve en sentido opuesto al de
propagación de la onda, o bien puede aparecer en un medio estático como resultado de la
interferencia entre dos ondas que viajan en sentidos opuestos.
La suma de dos ondas que se propagan en sentidos opuestos, con idéntica amplitud y
frecuencia, dan lugar a una onda estacionaria. Las ondas estacionarias normalmente
aparecen cuando una frontera bloquea la propagación de una onda viajera (como los
extremos de una cuerda, o el bordillo de una piscina, más allá de los cuales la onda no
puede propagarse). Esto provoca que la onda sea reflejada en sentido opuesto e interfiera
con la onda inicial, dando lugar a una onda estacionaria. Por ejemplo, cuando se rasga la
cuerda de un violín, se generan ondas transversales que se propagan en direcciones
opuestas por toda la cuerda hasta llegar a los extremos. Una vez aquí son reflejadas de
vuelta hasta que interfieren la una con la otra dando lugar a una onda estacionaria, que es lo
que produce su sonido característico. Las ondas estacionarias se caracterizan por presentar
regiones donde la amplitud es nula (nodos), y regiones donde es máxima (vientres). La
distancia entre dos nodos o vientres consecutivos es justamente λ / 2, donde λ es la longitud
de onda de la onda estacionaria. Al contrario que en las ondas viajeras, en las ondas
estacionarias no se produce propagación neta de energía.
Propagación en cuerdas
La velocidad de una onda viajando a través de una cuerda en vibración (v) es directamente
proporcional a la raíz cuadrada de la tensión de la cuerda (T) por su densidad lineal (μ):
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3- Ondas electromagnéticas:
Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. Incluyen, entre
otras, la luz visible y las ondas de radio, televisión y telefonía. Todas se propagan en el
vacío a una velocidad constante, muy alta (300 0000 km/s) pero no infinita. Gracias a ello
podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo que quizás esa
estrella haya desaparecido ya. O enterarnos de un suceso que ocurre a miles de kilómetros
prácticamente en el instante de producirse. Las ondas electromagnéticas se propagan
mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos
al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que
nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en que estamos.
Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo
del mundo actual
3.1- Cómo se originan?
Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas .El campo E
originado por la carga acelerada depende de la distancia a la carga, la aceleración de la
carga y del seno del ángulo que forma la dirección de aceleración de la carga y al dirección
al punto en que medimos el campo( sen ).Un campo eléctrico variable engendra un campo
magnético variable y este a su vez uno eléctrico, de esta forma las o. e.m. se propagan en el
vacío sin soporte material.
Fig 6: Onda electromagnética. Se observa el campo magnético y el campo eléctrico.
3.1.1
Características de las ondas electromagnéticas:

Los campos producidos por las cargas en movimiento pueden abandonar las fuentes
y viajar a través del espacio ( en el vacío) creándose y recreándose mutuamente. Lo
explica la tercera y cuarta ley de Maxwell.

Las radiaciones electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de la luz
"c". Y justo el valor de la velocidad de la luz se deduce de las ecuaciones de
Maxwell, se halla a partir de dos constantes del medio en que se propaga para las
ondas eléctricas y magnética .
Autor: García Regué Susana
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






Los campos eléctricos y magnéticos son perpendiculares entre si ( y perpendiculares
a la dirección de propagación) y están en fase: alcanzan sus valores máximos y
mínimos al mismo tiempo y su relación en todo momento está dada por E=c· B
El campo eléctrico procedente de un dipolo está contenido en el plano formado por
el eje del dipolo y la dirección de propagación. El enunciado anterior también se
cumple si sustituimos el eje del dipolo por la dirección de movimiento de una carga
acelerada
Las ondas electromagnéticas son todas semejantes ( independientemente de como se
formen) y sólo se diferencian e n su longitud de onda y frecuencia. La luz es una
onda electromagnética
Las ondas electromagnéticas transmiten energía incluso en el vacío. Lo que vibra a
su paso son los campos eléctricos y magnéticos que crean a propagarse. La
vibración puede ser captada y esa energía absorberse.
Las intensidad instantánea que posee una onda electromagnética, es decir, la energía
que por unidad de tiempo atraviesa la unidad de superficie, colocada
perpendicularmente a la dirección de propagación es: I=c· eoE2. La intensidad
media que se propaga es justo la mitad de la expresión anterior.
La intensidad de la onda electromagnética al expandirse en el espacio disminuye
con el cuadrado de la distancia y como "I "es proporcional a E2 y por tanto a sen2 .
Por lo tanto existen direcciones preferenciales de propagación .
4- Radiación electromagnética.
La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos
oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A
diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para
propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se
pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía
de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación
electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.
Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no
como una serie de ondas sino como un chorro o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta
dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional
a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:
donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda.
Valor de la constante de Planck
Autor: García Regué Susana
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Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda λ y
la frecuencia de oscilación ν están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en
el medio (c en el vacío):
A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank).
5- El especto electromagnético.
Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres,
y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de
picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando
por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de
micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro
electromagnético.El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de
onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud
de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).En telecomunicaciones
se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del
empleo al que están destinadas:
Clasificación de las ondas en telecomunicaciones
Sigla
Rango
Denominación
Empleo
VLF
10 kHz a 30 kHz
Muy baja frecuencia
Radio gran alcance
LF
30 kHz a 300 kHz
Baja frecuencia
Radio, navegación
MF
300 kHz a 3 MHz
Frecuencia media
Radio de onda media
HF
3 MHz a 30 MHz
Alta frecuencia
Radio de onda corta
VHF
30 MHz a 300 MHz
Muy alta frecuencia
TV, radio
UHF
300 MHz a 3 GHz
Ultra alta frecuencia
TV, radar, telefonía móvil
SHF
3 GHz a 30 GHz
Super alta frecuecia
Radar
EHF
30 GHz a 300 GHz
Extra alta frecuencia
Radar
Autor: García Regué Susana
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Cuales son los fenómenos que se encuentran asociados a los espectros electromagnéticos:

Interacción entre radiación electromagnética y conductores
Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente
alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la
corriente.De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor
eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una
corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se
usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación
electromagnética.

Estudios mediante análisis del espectro electromagnético
Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a través
del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación de cuerpo
negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica. Por
ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que
emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm.

Penetración de la radiación electromagnética
En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios
conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el
mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin
embargo, como la energía ni se transforma, cuando una onda electromagnética choca con
un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este
efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la
superficie del conductor (como en un espejo).

Refracción
La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría
electromagnética establece que:
siendo ε0 y μ0 la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío
respectivamente.
En un medio material la permitividad eléctrica ε tiene un valor diferente a ε0. Lo mismo
ocurre con la permeabilidad magnética μ y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio v
será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es
siempre inferior a c.
Autor: García Regué Susana
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Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con
que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo
incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refracción, es claramente
apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la
luz en un medio se puede calcular a partir de su permitividad eléctrica y de su
permeabilidad magnética de la siguiente manera:
 Dispersión
Fig7:Dispersión de la luz blanca en un prisma.
La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío
dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De
esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un
medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación
de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de
onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone" en colores
al pasar por un prisma. La luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas
longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama
dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede
apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como
prismáticos o telescopios.

Continuando con el espectro electromagnético...
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las
ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o
simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o
absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la
sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar
mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar
medidas sobre éste, como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.
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
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rayos infrarrojos, 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 (véase
Cosmología física) aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.
 Energía de los espectros.
El espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas. Existen frecuencias
de 30 Hz y menores que son relevantes en el estudio de ciertas nebulosas.1Por otro lado se
conocen frecuencias cercanas a 2,9×1027 Hz, que han sido detectadas provenientes de
fuentes astrofísicas.
La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene una
frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Por tanto, el espectro electromagnético
puede ser expresado igualmente en cualquiera de esos términos. Se relacionan en las
siguientes ecuaciones:
, o lo que es lo mismo
, o lo que es lo mismo
Donde
(velocidad de la luz) y
es la constante de Planck,
.
Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda
corta y mucha energía mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes
de onda y poca energía.
Por lo general, las radiaciones electromagnéticas se clasifican en base a su longitud de onda
en ondas de radio, microondas, infrarrojos, visible –que percibimos como luz visible–
ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de su longitud de onda.
Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas puntuales, su
comportamiento también depende de la cantidad de energía por quantum que lleve. Al igual
que las ondas de sonido, la radiación electromagnética puede dividirse en octavas.
La espectroscopía puede detectar una región mucho más amplia del espectro
electromagnético que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectrómetro de
laboratorio común y corriente detecta longitudes de onda de 2 a 2500 nm.

Bandas del espectro electromagnético.
Autor: García Regué Susana
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Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta
división es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que
algunas frecuencias pueden quedar en ocasiones incluidas en dos rangos.
Banda
Longitud de onda (m)
Frecuencia (Hz)
Energía (J)
Rayos gamma
< 10 pm
> 30,0 EHz
> 20·10−15 J
Rayos X
< 10 nm
> 30,0 PHz
> 20·10−18 J
Ultravioleta extremo
< 200 nm
> 1,5 PHz
> 993·10−21 J
Ultravioleta cercano
< 380 nm
> 789 THz
> 523·10−21 J
Luz Visible
< 780 nm
> 384 THz
> 255·10−21 J
Infrarrojo cercano
< 2,5 µm
> 120 THz
> 79·10−21 J
Infrarrojo medio
< 50 µm
> 6,00 THz
> 4·10−21 J
Infrarrojo lejano/submilimétrico
< 1 mm
> 300 GHz
> 200·10−24 J
Microondas
< 30 cm
> 1 GHz
> 2·10−24 J
Ultra Alta Frecuencia - Radio
<1m
> 300 MHz
> 19.8·10−26 J
Muy Alta Frecuencia - Radio
< 10 m
> 30 MHz
> 19.8·10−28 J
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Onda Corta - Radio
< 180 m
> 1,7 MHz
> 11.22·10−28 J
Onda Media - Radio
< 650 m
> 650 kHz
> 42.9·10−29 J
Onda Larga - Radio
< 10 km
> 30 kHz
> 19.8·10−30 J
Muy Baja Frecuencia - Radio
> 10 km
< 30 kHz
< 19.8·10−30 J

Microondas.
Cabe destacar que las frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, son llamadas microondas. Estas
frecuencias abarcan parte del rango de UHF y todo el rango de SHF y EHF. Estas ondas se
utilizan en numerosos sistemas, como múltiples dispositivos de transmisión de datos,
radares y hornos microondas.
Bandas de frecuencia de microondas
Banda
P
L
S
C
X
Ku
K
Ka
Q
U
V
E
W
F
D
Inicio
(GHZ)
0,2
1
2
4
8
12
18
26,5
30
40
50
60
75
90
110
Final
(GHZ)
1
2
4
8
12
18
26,5
40
50
60
75
90
110
140
170

Infrarrojo.
Las ondas infrarrojas están en el rango de 0,7 a 100 micrómetros. La radiación infrarroja se
asocia generalmente con el calor. Éstas son producidas por cuerpos que generan calor,
aunque a veces pueden ser generadas por algunos diodos emisores de luz y algunos láseres.
Las señales son usadas para algunos sistemas especiales de comunicaciones, como en
astronomía para detectar estrellas y otros cuerpos y para guías en armas, en los que se usan
detectores de calor para descubrir cuerpos móviles en la oscuridad. También se usan en los
controles remotos de los televisores, en los que un transmisor de estas ondas envía una
Autor: García Regué Susana
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señal codificada al receptor del televisor. En últimas fechas se ha estado implementando
conexiones de área local LAN por medio de dispositivos que trabajan con infrarrojos, pero
debido a los nuevos estándares de comunicación estas conexiones han perdido su
versatilidad.

Espectro visible.
Por encima de la frecuencia de las radiaciones infrarrojas tenemos lo que comúnmente
llamamos luz. Es un tipo especial de radiación electromagnética que tiene una longitud de
onda en el intervalo de 0,4 a 0,8 micrómetros. La unidad usual para expresar las longitudes
de onda es el Angstrom. Los intervalos van desde los 8.000 Å(rojo) hasta los 4.000 Å
(violeta), donde la onda más corta es la del color violeta.
La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. Las ondas de luz pueden
modularse y transmitirse a través de fibras ópticas, lo cual representa una ventaja pues con
su alta frecuencia es capaz de llevar más información.
Por otro lado, las ondas de luz pueden transmitirse en el espacio libre, usando un haz visible
de láser

Color
Longitud de onda
violeta
380–450 nm
azul
450–495 nm
verde
495–570 nm
amarillo
570–590 nm
naranja
590–620 nm
rojo
620–750 nm
Ultravioleta (UV)
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La luz ultravioleta cubre el intervalo de 4 a 400 nm. El Sol es una importante fuente
emisora de rayos en esta frecuencia, los cuales causan cáncer de piel a exposiciones
prolongadas. Este tipo de onda no se usa en las telecomunicaciones, sus aplicaciones son
principalmente en el campo de la medicina.

Rayos gamma.
La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por
elementos radioactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrónelectrón. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida en fenómenos
astrofísicos de gran violencia.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación
ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta.
Dada su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son
usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.

Rayos X
La denominación rayos X designa a una radiación electromagnética, invisible, capaz de
atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas. La longitud de onda
está entre 10 a 0,1 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000
PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).
Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de
radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y
los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos
gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un
nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos
radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la
órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La
energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos
gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al
interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina
partículas con carga (iones).
 Descubrimiento de los rayos X
La historia de los rayos X comienza con los experimentos del científico británico William
Crookes, que investigó en el siglo XIX los efectos de ciertos gases al aplicarles descargas
de energía. Estos experimentos se desarrollaban en un tubo vacío, y electrodos para generar
corrientes de alto voltaje. Él lo llamó tubo de Crookes. Pues bien, este tubo, al estar cerca
de placas fotográficas, generaba en las mismas algunas imágenes borrosas. Pese al
descubrimiento, Crookes no continuó investigando este efecto.
Es así como Nikola Tesla, en 1887, comenzó a estudiar este efecto creado por medio de los
tubos de Crookes. Una de las consecuencias de su investigación fue advertir a la comunidad
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científica el peligro para los organismos biológicos que supone la exposición a estas
radiaciones.
Pero hasta el 8 de noviembre de 1895 no se descubrieron los rayos X; el físico Wilhelm
Conrad Röntgen, realizó experimentos con los tubos de Hittorff-Crookes (o simplemente
tubo de Crookes) y la bobina de Ruhmkorff. Analizaba los rayos catódicos para evitar la
fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos en las paredes de un vidrio del tubo.
Para ello, crea un ambiente de oscuridad, y cubre el tubo con una funda de cartón negro. Al
conectar su equipo por última vez, llegada la noche, se sorprendió al ver un débil
resplandor amarillo-verdoso a lo lejos: sobre un banco próximo había un pequeño cartón
con una solución de cristales de platino-cianuro de bario, en el que observó un
oscurecimiento al apagar el tubo. Al encender de nuevo el tubo, el resplandor se producía
nuevamente. Retiró más lejos la solución de cristales y comprobó que la fluorescencia se
seguía produciendo, así repitió el experimento y determinó que los rayos creaban una
radiación muy penetrante, pero invisible. Observó que los rayos atravesaban grandes capas
de papel e incluso metales menos densos que el plomo.
En las siete semanas siguientes, estudió con gran rigor las características propiedades de
estos nuevos y desconocidos rayos. Pensó en fotografíar este fenómeno y entonces fue
cuando hizo un nuevo descubrimiento: las placas fotográficas que tenía en su caja estaban
veladas. Intuyó la acción de estos rayos sobre la emulsión fotográfica y se dedicó a
comprobarlo. Colocó una caja de madera con unas pesas sobre una placa fotográfica y el
resultado fue sorprendente. El rayo atravesaba la madera e impresionaba la imagen de las
pesas en la fotografía. Hizo varios experimentos con objetos como una brújula y el cañón
de una escopeta. Para comprobar la distancia y el alcance de los rayos, pasó al cuarto de al
lado, cerró la puerta y colocó una placa fotográfica. Obtuvo la imagen de la moldura, el
gozne de la puerta e incluso los trazos de la pintura que la cubría.
Cien años después ninguna de sus investigaciones ha sido considerada como casual. El 22
de diciembre, un día memorable, se decide a practicar la primera prueba con humanos.
Puesto que no podía manejar al mismo tiempo su carrete, la placa fotográfica de cristal y
exponer su propia mano a los rayos, le pidió a su esposa que colocase la mano sobre la
placa durante quince minutos. Al revelar la placa de cristal, apareció una imagen histórica
en la ciencia. Los huesos de la mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera
imagen radiográfica del cuerpo humano. Así nace una de las ramas más poderosas y
excitantes de la Medicina: la Radiología.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo también la idea del nombre. Los llamó "rayos
incógnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no sabía que eran, ni cómo eran
provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido histórico. De ahí que
muchos años después, pese a los descubrimientos sobre la naturaleza del fenómeno, se
decidió que conservaran ese nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulgó con mucha rapidez en el mundo.
Roentgen fue objeto de múltiples reconocimientos, el emperador Guillermo II de Alemania
le concedió la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla Rumford de la Real
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Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la Universidad de Columbia y con
el premio Nobel de Física en 1901.
El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigación, experimentación y
no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Roentgen, hombre de ciencia, agudo
observador, investigaba los detalles más mínimos, examinaba las consecuencias de un acto
quizás casual, y por eso tuvo éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso
patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo
legaba para beneficio de la humanidad.

Producción de Rayos X.
Los rayos X son productos de la desaceleración rápida de electrones muy energéticos (del
orden 1000eV) al chocar con un blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga
acelerada emite radiación electromagnética, de este modo, el choque produce un espectro
continuo de rayos X (a partir de cierta longitud de onda mínima). Sin embargo
experimentalmentepara cada material. Estos espectros —continuo y característico— se
estudiarán más en detalle a continuación.La producción de rayos X se da en un tubo de
rayos X que puede variar dependiendo de la fuente de electrones y puede ser de dos clases:
tubos con filamento o tubos con gas.
El tubo con filamento es un tubo de vidrio al vacío en el cual se encuentran dos electrodos
en sus extremos. El cátodo es un filamento caliente de tungsteno y el ánodo es un bloque de
cobre en el cual esta inmerso el blanco. El ánodo es refrigerado continuamente mediante la
circulación de agua, pues la energía de los electrones al ser golpeados con el blanco, es
transformada en energía térmica en un gran porcentaje. Los electrones generados en el
cátodo son enfocados hacia un punto en el blanco (que por lo general posee una inclinación
de 45°) y producto de la colisión los rayos X son generados. Finalmente el tubo de rayos X
posee una ventana la cual es transparente a este tipo de radiación elaborada en berilio,
aluminio o mica.
6- Emisión termoiónica.
La emisión termoiónica, conocida arcaicamente como efecto Edison es el flujo de
partículas cargadas llamadas termoiones desde una superficie de metal (u óxido de metal)
causada por una energía termal de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática
que empuja a los electrones hacia la superficie. La carga de los termiones (que pueden ser
positivos o negativos) será la misma a la carga del metal u óxido de metal. El efecto
aumenta dramáticamente al subir la temperatura (1000–3000 K). La ciencia que estudia
este fenómeno es la termoiónica.
En cualquier metal, existen uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un
átomo a otro. A esto se le llama "mar de electrones". Su velocidad, más que ser uniforme,
se modela por una distribución estadística, y ocasionalmente un electrón tendrá la velocidad
suficiente para escapar del metal, sin ser atraído de regreso. La cantidad mínima de energía
necesaria para que un electrón escape de la superficie se llama función de trabajo. Esta
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función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del
orden de varios electronvoltios. Las corrientes termoiónicas pueden incrementarse o
decrementarse disminuyendo la función de trabajo. Esta característica, que es muy
deseable, puede lograrse aplicando varios recubrimientos de óxido al alambre.
En 1901, Owen Willans Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente
procedente de un alambre, bajo calentamiento controlado, parecía depender
exponencialmente de la temperatura del alambre, comportamiento que era modelado por
una fórmula matemática similar a la ecuación de Arrhenius. La forma moderna de esta ley
(demostrada por Saul Dushman en 1923, y por lo tanto llamada, en ocasiones, la ecuación
de Richardson-Dushman) establece que la densidad de corriente emitida
relacionada con la temperatura T por la ecuación:
esta
donde T es la temperatura del metal en kelvin, W es la función de trabajo del metal, k es la
constante de Boltzmann. La constante de proporcionalidad A, conocida como la constante
de Richardson, dada por
donde m y -e son la masa y la carga del electrón, y h es la constante de Planck.
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El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente 0.01 mmHg y es
controlada mediante una válvula; posee un cátodo de aluminio cóncavo, el cual permite
enfocar los electrones y un ánodo. Las partículas ionizadas de nitrógeno y oxígeno,
presentes en el tubo, son atraídas hacia el cátodo y ánodo. Los iones positivos son atraídos
hacia el cátodo e inyectan electrones a este. Posteriormente los electrones son acelerados
hacia el ánodo (que contiene al blanco) a altas energías para luego producir rayos X. El
mecanismo de refrigeración y la ventana son los mismos que se encuentran en el tubo con
filamento.
Los sistemas de detección más usuales son las películas fotográficas y los dispositivos de
ionización.
La emulsión de las películas fotográficas varía dependiendo de la longitud de onda a la cual
se quiera exponer. La sensibilidad de la película es determinada por el coeficiente de
absorción másico y es restringida a un rango de líneas espectrales. La desventaja que
presentan estas películas es, por su naturaleza granizada, la imposibilidad de un análisis
detallado pues no permite una resolución grande.
Los dispositivos de ionización miden la cantidad de ionización de un gas producto de la
interacción con rayos X. En una cámara de ionización, los iones negativos son atraídos
hacia el ánodo y los iones positivos hacia el cátodo, generando corriente en un circuito
externo. La relación entre la cantidad de corriente producida y la intensidad de la radiación
son proporcionales, así que se puede realizar una estimación de la cantidad de fotones de
rayos X por unidad de tiempo. Los contadores que utilizan este principio son el contador
Geiger, el contador Proporcional y el contador de destellos. La diferencia entre ellos es la
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amplificación de la señal y la sensibilidad del detector. PICO PAL JEREMY, además de
este espectro continuo, se encuentran líneas características.
 Espectros continuos.
El tubo de rayos X está constituido por dos electrodos (cátodo y ánodo), una fuente de
electrones (cátodo caliente) y un blanco. Los electrones se aceleran mediante una diferencia
de potencial entre el cátodo y el ánodo. La radiación es producida justo en la zona de
impacto de los electrones y se emite en todas direcciones.
La energía adquirida por los electrones va a estar determinada por el voltaje aplicado entre
los dos electrodos. Como la velocidad del electrón puede alcanzar velocidades de hasta (1 /
3)c debemos considerar efectos relativistas, de tal manera que
Los diferentes electrones no chocan con el blanco de igual manera, así que este puede ceder
su energía en una o en varias colisiones, produciendo un espectro continuo.
La energía del fotón emitido, por conservación de la energía y tomando los postulados de
Planck es
hν = K − K'
donde K y K’ es la energía del electrón antes y después de la colisión respectivamente.
El punto de corte con el eje x de la gráfica de espectro continuo, es la longitud mínima que
alcanza un fotón al ser acelerado a un voltaje determinado. Esto se puede explicar desde el
punto de vista de que los electrones chocan y entregan toda su energía. La longitud de onda
mínima esta dada por λ = hc / eV,la energía total emitida por segundo, es proporcional al
área bajo la curva del espectro continuo, del número atómico (Z) del blanco y el número de
electrones por segundo (i). Así la intensidad esta dada por
I = AiZVm
donde A es la constante de proporcionalidad y m una constante alrededor de 2.

Espectros característicos.
Cuando los electrones que son acelerados en el tubo de rayos X poseen cierta energía
crítica, pueden pasar cerca de una subcapa interna de los átomos que componen el blanco.
Debido a la energía que recibe el electrón, este puede escapar del átomo, dejando al átomo
en un estado supremamente excitado. Eventualmente, el átomo regresará a su estado de
equilibrio emitiendo un conjunto de fotones de alta frecuencia, que corresponden al
espectro de líneas de rayos X. Este indiscutiblemente va a depender de la composición del
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material en el cual incide el haz de rayos X, para el molibdeno, la gráfica del espectro
continuo muestra dos picos correspondientes a la serie K del espectro de líneas, estas están
superpuestas con el espectro continuo.
La intensidad de cualquier línea depende de la diferencia del voltaje aplicado (V) y el
voltaje necesario para la excitación (V’) a la correspondiente línea, y está dada por
I = Bi(V − V')N
donde n y B son constantes, e i es el número de electrones por unidad de tiempo.
Para la difracción de rayos X, la serie K del material es la que usualmente se utiliza. Debido
a que los experimentos usando esta técnica requieren luz monocromática, los electrones que
son acelerados en el tubo de rayos X deben poseer energías por encima de 30 keV. Esto
permite que el ancho de la línea K utilizada sea muy angosto (del orden de 0.001 Å). La
relación entre la longitud de cualquier línea en particular y el número atómico del átomo
esta dada por la Ley de Moseley.

Interacción de los Rayos X con la materia.
Cuando los rayos X interactúan con la materia, estos pueden ser en parte absorbidos y en
parte transmitidos. Esta característica es aprovechada en medicina al realizar radiografías.
La absorción de rayos X va a depender de la distancia que estos atraviesan y de su
intensidad. Esta dada por
Ix = Ioe( − μ / ρ)ρx
μ / ρ, es característico del material e independiente del estado físico. \mu el coeficiente
lineal de absorción y rho la densidad del material.
Si un material esta compuesto de diferentes elementos, el coeficiente de absorción másico μ
/ ρ es aditivo, de tal manera que
donde w significa la fracción del elemento constituyente.
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
Riesgos a la salud.
La manera como la radiación afecta la salud depende del tamaño de la dosis de radiación.
La exposición a las dosis bajas de rayos X a las que el ser humano se expone diariamente
no es perjudicial. En cambio, sí se sabe que la exposición a cantidades masivas puede
producir daños graves. Por lo tanto, es aconsejable no exponerse a más radiación ionizante
que la necesaria.
La exposición a cantidades altas de rayos X puede producir efectos tales como quemaduras
de la piel, caída del cabello, defectos de nacimiento, cáncer, retraso mental y la muerte. La
dosis determina si un efecto se manifiesta y con qué severidad. La manifestación de efectos
como quemaduras de la piel, caída del cabello, esterilidad, náuseas y cataratas, requiere que
se exponga a una dosis mínima (la dosis umbral). Si se aumenta la dosis por encima de la
dosis umbral el efecto es más grave. En grupos de personas expuestas a dosis bajas de
radiación se ha observado un aumento de la presión psicológica. También se ha
documentado alteración de las facultades mentales (síndrome del sistema nervioso central)
en personas expuestas a miles de rads de radiación ionizante.


Aplicaciones
Medicas.
Desde que Röntgen descubrió que los rayos X permiten captar estructuras óseas, se ha
desarrollado la tecnología necesaria para su uso en medicina. La radiología es la
especialidad médica que emplea la radiografía como ayuda de diagnóstico, en la práctica, el
uso más extendido de los rayos X.
Los rayos X son especialmente útiles en la detección de enfermedades del esqueleto,
aunque también se utilizan para diagnosticar enfermedades de los tejidos blandos, como la
neumonía, cáncer de pulmón, edema pulmonar, abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X tiene más limitaciones, como por ejemplo en la
observación del cerebro o los músculos. Las alternativas en estos casos incluyen la
tomografía axial computarizada, la resonancia magnética o los ultrasonidos.
Los rayos X también se usan en procedimientos en tiempo real, tales como la angiografía, o
en estudios de contraste.

Otras aplicaciones.
Los rayos X pueden ser utilizados para explorar la estructura de la materia cristalina
mediante experimentos de difracción de rayos X por ser su longitud de onda similar a la
distancia entre los átomos de la red cristalina. La difracción de rayos X es una de las
herramientas más útiles en el campo de la cristalografía.
También puede utilizarse para determinar defectos en componentes técnicos, como
tuberías, turbinas, motores, paredes, vigas, y en general casi cualquier elemento estructural.
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Aprovechando la característica de absorción/transmisión de los Rayos X, si aplicamos una
fuente de Rayos X a uno de estos elementos, y este es completamente perfecto, el patrón de
absorción/transmisión, será el mismo a lo largo de todo el componente, pero si tenemos
defectos, tales como poros, pérdidas de espesor, fisuras (no suelen ser fácilmente
detectables), inclusiones de material tendremos un patrón desigual.
Esta posibilidad permite tratar con todo tipo de materiales, incluso con compuestos,
remitiéndonos a las fórmulas que tratan el coeficiente de absorción másico. La única
limitación reside en la densidad del material a examinar. Para materiales más densos que el
plomo no vamos a tener tranmisión.
6- Emisión termoiónica.
La emisión termoiónica, conocida arcaicamente como efecto Edison es el flujo de
partículas cargadas llamadas termoiones desde una superficie de metal (u óxido de metal)
causada por una energía termal de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática
que empuja a los electrones hacia la superficie. La carga de los termiones (que pueden ser
positivos o negativos) será la misma a la carga del metal u óxido de metal. El efecto
aumenta dramáticamente al subir la temperatura (1000–3000 K). La ciencia que estudia
este fenómeno es la termoiónica.
En cualquier metal, existen uno o dos electrones por átomo que son libres de moverse de un
átomo a otro. A esto se le llama "mar de electrones". Su velocidad, más que ser uniforme,
se modela por una distribución estadística, y ocasionalmente un electrón tendrá la velocidad
suficiente para escapar del metal, sin ser atraído de regreso. La cantidad mínima de energía
necesaria para que un electrón escape de la superficie se llama función de trabajo. Esta
función de trabajo es característica del material y para la mayoría de los metales es del
orden de varios electronvoltios. Las corrientes termoiónicas pueden incrementarse o
decrementarse disminuyendo la función de trabajo. Esta característica, que es muy
deseable, puede lograrse aplicando varios recubrimientos de óxido al alambre.
En 1901, Owen Willans Richardson publicó los resultados de sus experimentos: la corriente
procedente de un alambre, bajo calentamiento controlado, parecía depender
exponencialmente de la temperatura del alambre, comportamiento que era modelado por
una fórmula matemática similar a la ecuación de Arrhenius. La forma moderna de esta ley
(demostrada por Saul Dushman en 1923, y por lo tanto llamada, en ocasiones, la ecuación
de Richardson-Dushman) establece que la densidad de corriente emitida
relacionada con la temperatura T por la ecuación:
esta
donde T es la temperatura del metal en kelvin, W es la función de trabajo del metal, k es la
constante de Boltzmann. La constante de proporcionalidad A, conocida como la constante
de Richardson, dada por
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donde m y -e son la masa y la carga del electrón, y h es la constante de Planck.
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