Aplicaciones de las Radiaciones no Ionizantes

Aplicaciones de las Radiaciones no Ionizantes
17 h ,13/07/2004 Aplicaciones de las Radiaciones no Ionizantes Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero Eduardo Moreno Piquero

Pioneros del Electromagnetismo Aplicado :
Michael Faraday James C. Maxwell 1831 – 1879 → Heinrich Hertz Guglielmo Marconi 1874 – 1937 Thomas Alva Edison 1874 – 1931 Alexander Grahan Bell 1847 – 1922 Jacques Arsene D’Arsonval Nikola Tesla 1856 – 1943 Albert Einstein 1879 – 1955 John D. Kraus ( antena helicoidal ~ superganancia, 1947 ; 2003 premio IEEE ) : “ Existen ahora pocas materias entendidas de manera tan meticulosa como el electromagnetismo y pocas que hayan tenido mayor aplicación práctica…. La civilización evolucionó por el electromagnetismo. De hecho, estamos en una sociedad electromagnética “ ( Electromagnetismo, McGraw Hill, 1986 ). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

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Espectro Electromagnético Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

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Banda Designación Límites en frecuencia 4 VLF Muy Baja Frecuencia 3 kHz - 30 kHz 5 LF Baja Frecuencia 30 kHz - 300 kHz 6 MF Frecuencia Media 300 kHz - 3 MHz 7 HF Alta Frecuencia 3 MHz - 30 MHz 8 VHF Muy Alta Frecuencia 30 MHz - 300 MHz 9 UHF Ultra Alta Frecuencia 300 MHz - 3 GHz 10 SHF Super Alta Frecuencia 3 GHz - 30 GHz 11 EHF Extremadamente Alta Frecuencia 30 GHz - 300 GHz BANDA Rango de Frecuencias en GHz Longitud de onda correspondiente L 1 2 30 15 cm. S 4 15 7.5 cm. C 8 7.5 3.75 cm. X 12 3.75 2.5 cm. K 40 2.5 0.75 cm. U 60 7.7 5 mm. V 80 5 3.75 mm. W 100 3 mm, Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Las ondas electromagnéticas pueden producir efectos biológicos que a veces pero no siempre, resultan perjudiciales para la salud. Es importante comprender la diferencia entre ambos conceptos : Un efecto biológico se produce cuando la exposición a las ondas electromagnéticas provoca algún cambio fisiológico perceptible o detectable en un sistema biológico. Un efecto perjudicial para la salud tiene lugar cuando el efecto biológico sobrepasa la capacidad normal de compensación del organismo y origina así algún proceso patológico. Algunos efectos biológicos pueden ser inocuos, como por ejemplo la reacción orgánica de incremento del riego sanguíneo cutáneo en respuesta a un ligero calentamiento producido por el Sol; otros provechosos e incluso beneficiosos, como la función solar en la producción de la vitamina D por el organismo. Sin embargo, otros efectos biológicos resultan perjudiciales para la salud como son las quemaduras solares o el cáncer de piel. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Radiación Ionizante y No-Ionizante
La radiación electromagnética posee una doble naturaleza : Forma corpuscular ( Flujo de fotones de energía hf ) Forma ondulatoria ( Ecuaciones de Maxwell ) Para frecuencias elevadas, por encima de la región visible, un fotón puede “arrancar” un electrón en la colisión con un átomo : Ionización átomo Radiación ionizante Posible modificación del código genético ( efecto cancerígeno, mutación permanente ) Energía mínima para ionizar : 12 a 15 eV ( agua, oxígeno, nitrógeno, carbono…materia orgánica ) Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

A frecuencias más bajas, para las visible, Infrarrojos y frecuencias utilizadas en comunicaciones {frecuencias menores que 3x1015 Hz ( λ > 10-7 m )} No ionización del átomo Radiación no ionizante Explicación en términos de la forma ondulatoria de la radiación Calentamiento, aparición de potenciales sobre las membranas y emigración de iones ( efectos perjudiciales si se supera un cierto umbral ) Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Mecanismo del calentamiento por la radiación electromagnética
Según la naturaleza del cuerpo, la radiación penetra más o menos profundamente en la materia, donde la energía se disipa ( los dipolos inducidos y dipolos permanentes, que dan cuenta de la interacción de los campos y el dieléctrico, tienden a orientarse constantemente según la dirección del campo electromagnético que varía según la frecuencia de la señal ). Disipación de energía en la materia Calentamiento de la misma El calentamiento del agua en presencia de campos electromagnéticos es especialmente importante ( el cuerpo humano contiene aproximadamente un 70 % de agua, los alimentos contienen importantes cantidades de agua) Cocción de alimentos mediante hornos de microondas ( operando a 2,45 GHz ) Secado de materiales en procesos industriales Aplicaciones médicas ( diatermia e hipertermia ) Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

En la exposición a una radiación electromagnética intensa el calor se libera DIRECTAMENTE en la materia. La conversión térmica de hiperfrecuencias es función de las pérdidas dieléctricas (εr”). La potencia media convertida en calor por unidad de volumen es : Pabs = 2πε0fεr”│E│2 (W/m3) ~ [SAR = σ │E │2 / ρm ( W/Kg ) (ρm la densidad másica del tejido, σ conductividad y E el campo eléctrico en el interior] ~ σ ≈ f(εr”) εr” = εr” ( T, f ) La profundidad de penetración de las ondas en los tejidos, la forma en que éstas se propagan por los mismos, dependen de las propiedades eléctricas de estos ( permitividad y conductividad ) La variación de la conductividad ( aumento con la frecuencia ) se debe a un fenómeno dispersivo, a la que hay que añadir una conductividad iónica independiente de la frecuencia. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Efectos atérmicos de la radiación electromagnética
Los efectos atérmicos son aquellos que se producen en ausencia de calentamiento ( el nivel de radiación es demasiado pequeño para provocar un calentamiento ). Se ha comprobado que campos débiles de frecuencias extremadamente bajas o señales de hiperfrecuencias moduladas a muy baja frecuencia interactúan con el sistema nervioso. Una nueva teoría ( anteriormente el cerebro era considerado como un conjunto de neuronas en las que circulan impulsos eléctricos ) resalta el papel preponderante de las ondas electromagnéticas de baja frecuencia. Se cree que el cerebro es un oscilador no lineal que produce ondas lentas para tratar la información, lo que implica una mayor sensibilidad cuando se introduce en un medio electromagnético. La influencia de los campos de 50 y 60 Hz también ha sido estudiada. Aunque se han detectado pequeñas variaciones hematológicas o del comportamiento no se puede asegurar que las líneas de hasta 400 Kv (Valores máximos de los campos eléctricos y magnéticos en torno a 3 – 5 Kv/m y 3 – 5 μT respectivamente) puedan ser perjudiciales. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Otro ámbito donde aparecen los efectos atérmicos son las señales de potencia de cresta muy elevada, pero tienen una potencia media lo suficientemente pequeña (300 μW/m2 ) como para no producir efectos térmicos (radares de gran potencia ). Se ha podido observar que en ciertos casos estas señales eran “oidas”. El origen del fenómeno es, posiblemente, la aparición de ondas termoelásticas en la cabeza que se desplazan hacia el caracol y activan las células auditivas del oido interno. Otro caso especial son los portadores de Estimuladores Cardíacos… Trabajadores e instaladores de antenas,… CONTAMINACIÓN ELECTROMAGNÉTICA ↔ mapa electromagnétco Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

El láser light amplification by stimulated emission of radiation (“amplificación de luz mediante la emisión inducida de radiación”). Los posibles usos del láser son casi ilimitados y en los últimos años se ha convertido en una herramienta muy valiosa y poderosa en la industria, la investigación científica, la tecnología militar y el arte. Entre otros, podemos generalizar tres tipos de láser que trabajan en el rango de las radiaciones ópticas por ser los más utilizados industrialmente y porque a partir de ellos se construyeron una gran variedad de láseres. El láser de CO2, que si ninguna duda es el láser más utilizado en procesos industriales, así como en comunicaciones (enlaces entre satélites), detección remota, cirugía, etc. La longitud de ondas de emisión característica varía entre 9.4 y 10.6 μm, es decir, en el infrarrojo medio donde gran cantidad de materiales absorben fuertemente la radiación. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

El láser de Nd+, muy utilizado de forma industrial dentro del grupo de láseres de estado sólido. La longitud de onda en que emite este láser es generalmente de 1.06 μm y se encuentra en el infrarrojo cercano. El laser Cr3+, comúnmente conocido como láser de rubí, que fue el primer láser construido por el hombre. El láser de rubí emite en una longitud de ondas de 694 nm, es decir, en la zona visible del espectro correspondiente al rojo. En Galicia tiene gran importancia, tanto en la industria como en la investigación científica aplicada a la industrial, el tratamiento de pizarra mediante láser, la fabricación de productos cerámicos de alta calidad y procesamiento de granito (extracción y manufacturación) mediante láser, ya que proporciona una serie de ventajas frente a los métodos tradicionales. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

El Infrarrojo Radiación electromagnética cuya longitud de onda está comprendida entre 0.8 μ (10-6 m) y 1000 μ (1 nm). Abarca un espectro muy amplio, se suele utilizar el infrarrojo cercano y medio. Todos los cuerpos sólidos, cuya temperatura es superior al cero absoluto (00 K) emiten cierta cantidad de energía infrarroja. Aplicaciones: Investigación: Análisis espectral…estructuras de las moléculas; Química y Bioquímica. Industriales y Domésticas: Secado, análisis de tensión y fatiga, mantenimiento de sistemas mecánicos, peritajes forenses, sistemas de detección de gases, vigilancia, construcciones, medio ambiente, incendios, búsqueda y rescate, etc. Las cámaras infrarrojas están siendo instaladas en vehículos para ayudar a los conductores a ver más claramente en la noche o en condiciones de niebla ( Cadillac General Motor`s en EE.UU.)… “Es difícil encontrar algún producto o proceso Industrialen en el que la detección de temperatura y/o imágenes por infrarrojo no tenga aplicación”… Militares: Visores telescópicos, cabezas de misiles con iluminación láser que apuntan los objetivos, autoguiado de misiles, etc… Medicina: La tecnología se utiliza en análisis no invasivo, mediante imágenes por infrarrojos, de tejidos y fluidos corporales…operaciones en la obscuridad (futuro…). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

MICROONDAS : PROPIEDADES Y APLICACIONES
Las microondas son ondas electromagnéticas ( señales ) 300MHz < frecuencia < 300 GHz ; 3ns < periodo < 3 ps , y 1mm < longitud de onda < 1 m Son muy aptas para comunicaciones porque presentan más ancho de banda que ondas de frecuencias más bajas. Un ancho de banda del 10% a 60 MHz es 6 MHz (un canal de televisión ) y a 60 GHz es 6 GHz (1000 canales de televisión ). La ionosfera refleja o absorbe las ondas electromagnéticas de frecuencias inferiores a 10 MHz ( frecuencia de plasma ). Las microondas atraviesan sin problemas la ionosfera ↔ son utilizadas en comunicaciones vía satélite ( 11 a 12.5 GHz ) y en radioastronomía. Las ondas electromagnéticas ( y en particular, las microondas ) son fuertemente reflejadas por objetos cuyas dimensiones son del orden de la longitud de onda de la onda incidente ↔ las microondas en las frecuencias 300MHz y 30 GHz son las ondas preferentemente utilizadas en sistemas de radar. Las microondas con frecuencia > 30 GHz ( ondas milimétricas ) no son utilizadas para radar porque se ven fuertemente afectadas por las gotas de lluvia. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

En el rango 1 a 10 GHz se permite en una antena conseguir la mejor relación señal/ruido, para un nivel de señal dado. A frecuencias de microondas se pueden construir antenas muy directivas ( directividad = capacidad de la antena para concentrar la potencia emitida/recibida en una dirección) con un tamaño razonable ( reflectores parabólicos para recepción de señales de televisión vía satélite ). Las emisiones de radiación más estables que se conocen cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro inferior se producen a frecuencias de microondas ( niveles de energía hiperfinos ). Esto ocurre en particular para los átomos de hidrógeno, rubidio, cesio y talio, y se utiliza para construir relojes atómicos y para establecer el patrón del segundo ( la frecuencia de la transición hiperfina del átomo de Cs se puede medir con diez cifras significativas ). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Generadores de microondas.
El uso de osciladores de estado sólido en las microondas se viene utilizando desde hace años. Las potencias que se alcanzan con transistores de silicio están en el orden de los 100W a 950MHz y de 15W a 2.45GHz. Estos niveles de potencia se vienen aumentando con el paso del tiempo, y su uso se ha extendido a campos como la medicina o como ya se ha indicado al uso doméstico. Hoy en día, la producción de altos niveles de energía requiere el uso de tubos de vacío. Existen dos tipos de tubos: los de tipo O y los de tipo M, en los cuales el electrón sigue una trayectoria lineal o circular bajo los efectos de los campos eléctrico y magnético. El llamado klystron pertenece al primer tipo, y el magnetrón al segundo. Los tubos klystron pueden manejar potencias de pico de 30 MW en la banda S (rendimiento moderado entre 35-45%). El magnetrón puede manejar potencias de varios KW y tener un rendimiento superior al 80% (ruidoso). El primero se utiliza con frecuencia en aplicaciones de tipo médico, mientras que el magnetrón se utiliza en aplicaciones de radar o en calentamiento por microondas (...hay quien afirma que el “magnetrón” fue la válvula que ganó la segunda guerra mundial…) Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

El magnetrón: El principio básico del funcionamiento de estos generadores es la modulación de velocidad de un haz de electrones que al atravesar una cavidad resonante, provoca en ella por excitación ondas electromagnéticas de frecuencia dentro del rango de las microondas. El magnetrón es un tubo de sección circular que contiene un ánodo cilíndrico y un cátodo de tungsteno a lo largo del eje. La separación entre el ánodo y el cátodo define la llamada región de interacción, donde existen numerosas cavidades resonantes. Se aplica una diferencia de potencial constante entre el ánodo y el cátodo. Se consiguen varios kilovoltios por cada pocos milímetros. De este modo se genera un campo magnético que será paralelo al eje del tubo (en la zona que se indica en la figura con una H, la dirección no se especifica en la figura). Los electrones emitidos por el cátodo son acelerados por la acción del campo eléctrico y siguiendo trayectorias radiales (en ausencia de cualquier otro campo) en su camino hacia el ánodo. El campo magnético consigue que estas trayectorias se hagan curvas (toman una forma helicoidal). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Se define entonces un valor crítico de la inducción magnética Bc , que se corresponde con un determinado valor del potencial. Para valores de la inducción magnética por encima de Bc los electrones no podrán alcanzar el ánodo y formarán una nube de carga en la región de interacción. Conforme B incrementa su valor la nube de carga estará mas próxima al cátodo. El ánodo y las cavidades constituyen una estructura periódica de interacción con esta nube Los electrones quedarán agrupados en las cavidades, calentarán el cátodo y contribuirán así a una emisión de electrones secundarios por parte de éste. Ahora los electrones podrán alcanzar el ánodo después de un movimiento giratorio, encontrado así una salida (S). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Transmisión de microondas:
Las ondas electromagnéticas llevan asociada una densidad de potencia (vector de Poynting) que se propaga en el espacio libre a la velocidad de la luz. A grandes distancias es muy pequeña, así que la transmisión de potencia desde una FUENTE a un RECEPTOR por el espacio libre es muy ineficiente. Un sistema en el que se utilicen microondas constará generalmente de un generador y de un medio de transmisión de la onda hasta la carga. En caso contrario tendremos necesidad de tener un sistema emisor y otro receptor, estando el emisor formado por los elementos anteriormente citados, donde la carga será una antena emisora, siendo el receptor otra antena. Para minimizar la pérdida de potencia se utilizan sistemas guiados de ondas electromagnéticas. Además de estos elementos pueden existir otros componentes como atenuadores, desfasadores, frecuencímetros, medidores..., siendo en muchos casos la guía de onda el elemento fundamental de transmisión a estas frecuencias. Se puede considerar la guía de onda como una tubería metálica a través de la cual se propaga la onda electromagnética sin prácticamente atenuación, dependiendo del material del que esté fabricada. Así a una frecuencia determinada y para una geometría concreta la atenuación será tanto menor cuanto mejor conductor sea el material. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Algunas Guías de ondas y Líneas de transmisión
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Calentamiento mediante microondas.
En 1945 un fabricante de magnetrones para radar descubrió que las microondas podían servir para calentar comida y otros materiales dentro de hornos. Al principio estos hornos sólo fueron utilizados en cafeterías y restaurantes, pero a principios de los 70, empezaron a invadir los hogares de muchas familias de todo el mundo. Los hornos de microondas se emplean hoy en día para calentar comida y también para secar madera, plástico, ropa, materiales de construcción, etc.. Contienen un magnetrón que trabaja usualmente en la banda de 2.45 GHz y que está conectado por medio de una guía de ondas a una cavidad resonante. Una pala distribuidora de modos se encarga de distribuir la energía de microondas entre los distintos modos de la cavidad; se consigue una distribución espacial de los campos lo más homogénea posible. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Hornos de microondas El mecanismo consta de un magnetrón operando generalmente en una banda en torno a 2,45GHz (I.S.M. Industrial, Scientific and Medical band). Este magnetrón genera microondas, y estará conectado mediante una guía de onda a una cavidad resonante, la cual contiene el material a calentar. Por supuesto este material puede ser comida, pero también podrá tratarse de papel, plástico, productos químicos, textiles, materiales de construcción etc. Un distribuidor, generalmente con forma similar a la de un ventilador se encarga de repartirla energía en forma de microondas por toda la cavidad, con el fin de conseguir un calentamiento homogéneo. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Comparación y ventajas:
Cuando como en algunos horno se utiliza aire caliente (vapor, etc.) para calentar algún producto, las caras de éste son las que primero se calientan, calentándose el resto a través de éstas únicamente por conducción de calor, requiriendo se así un gradiente de temperatura desde la superficie de la cara hasta el interior del producto, de manera que el interior siempre se encontrará a una temperatura menor que la superficie. Además el calentamiento será bastante lento. Estos hechos hacen que el uso de las microondas se extienda hoy en día de la forma en que lo ha hecho. Otra alternativa podría ser el calentamiento por infrarrojos. El calentamiento por infrarrojos únicamente produce calor en la superficie, generado por radiación electromagnética dentro del rango correspondiente. De manera que al calentarse únicamente la superficie estamos básicamente en la situación anterior, con la diferencia de que ahora el aire caliente no invade toda la cavidad en la que tenemos el producto, sino que la superficie del material se calienta directamente. El calentamiento por microondas penetra de un modo mucho mas profundo en el material a calentar. La energía electromagnética es transformada en calor mediante un proceso complejo en el cual los dipolos moleculares rotan durante la aplicación generándose así calor en el interior del material, y distribuyéndose de un modo uniforme. La superficie que estará en contacto con el medio que la rodea terminará a una temperatura mucho menor que en los procesos anteriores, lo cual es importante a la hora de cocinar algunos productos como vegetales, cuyas proteínas pueden perderse con mayor facilidad. Además con la utilización de microondas no se pierde calor, o al menos muy poco en comparación con las técnicas en las que todo el entorno debe ser calentado. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Vulcanización La vulcanización es un proceso químico, favorecido por la temperatura, que se produce en el caucho crudo al añadirle ciertos aditivos y a través del cual se produce una transformación en su estructura molecular que mejora las propiedades térmicas del caucho. Este proceso se realiza tradicionalmente calentando directamente el caucho sobre unas planchas. El uso de las microondas facilita considerablemente esta tarea, lo que contribuye de modo importante a la producción de materiales elásticos, así como al reciclaje de los mismos. El grado de vulcanización será función de la temperatura alcanzada así como del tiempo en que ésta sea mantenida. Las microondas causan un incremento rápido de la temperatura en muy pocos segundos. Una vez alcanzada esta temperatura deseada, ésta debe ser mantenida el tiempo que sea necesario para los procesos de vulcanización utilizando técnicas como puede ser la aplicación de aire caliente Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Por otro lado cabe destacar que los materiales tratados con estas técnicas de vulcanización no sufren alteración en sus formas aún siendo éstas complicadas durante los procesos realizados. Por lo que la estabilidad de la forma de un material está garantizada durante la vulcanización, lo que supone una gran precisión en el proceso. En el caso de materiales porosos, la porosidad obtenida es uniforme, y los materiales no necesitan tratamiento previo ni posterior para garantizar la calidad, aunque en ocasiones las superficies se vuelven pegajosas debido a la oxidación después del tratamiento con microondas. Las tecnologías basadas en la radiación de microondas son más caras, porque se utiliza energía eléctrica. Sin embargo, tiene una considerable serie de ventajas: una mayor calidad de los productos, que repercute en la competitividad de la empresa; una mayor rapidez en el procedimiento y hornos más reducidos, que influye en la dimensión de las instalaciones; una mayor eficiencia energética; un entorno de trabajo frío, por lo que no hay que refrigerarlo, y un menor riesgo medioambiental, porque no hay posibilidad de fugas. En definitiva, el calentamiento por microondas, aunque más caro, permitirá reducir los costes de producción. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Calentamiento mediante microondas.
En definitiva: Frente a otros métodos de calentamiento (por aire caliente, por infrarrojos) en los que primero se calienta la superficie del objeto y después ese calor es transmitido al interior del objeto por conducción, en los hornos de microondas la energía electromagnética se transforma en calor en todo el volumen del objeto (debido a las fricciones de los dipolos moleculares en su movimiento de alta frecuencia cuando están sometidos a los campos de microondas), lo cual asegura que el calor se distribuya muy homogéneamente dentro del material. La eficiencia de los hornos de microondas está en torno al 45%, pero es superior a las de los hornos convencionales. En los apuntes(disponoibles si algún alumno los quiere) se relacionan otras aplicaciones : Industrias textiles y del cuero, farmacéuticas, tabacaleras, construcción y cerámica, papel e imprentas, gomas y plásticos, fundiciones, etc. Polimerización, triturado, fusión de materiales, etc. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Sistemas de comunicación
Sin duda, se puede decir que el campo más valioso de aplicación de las microondas es el de las comunicaciones, desde las privadas, pasando por las continentales e intercontinentales, hasta llegar a las comunicaciones extraterrestres. Los sistemas de microondas son usados en enlaces de televisión, en multienlaces telefónicos y en general en redes con alta capacidad de canales de información; son usadas también en comunicaciones por satélites gracias a que las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera; y como las longitudes de onda correspondientes son pequeñas permiten antenas de alta ganancias. En el terreno de las comunicaciones las microondas actúan generalmente como portadoras de información, mediante una modulación o codificación apropiada. Servicios de comunicaciones móviles: Los más extendidos son la telefonía móvil terrestre, la comunicación móvil por satélite, las redes móviles privadas, la radiomensajería, la radiolocalización GPS, las comunicaciones inalámbricas y el acceso a Internet móvil… Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Radar. La mayoría de los sistemas de radar ("radio detection and ranging") monoestáticos funcionan básicamente emitiendo mediante una antena una señal de microondas pulsada y detectando mediante la misma antena el eco producido por uno de los pulsos en un objeto distante. A partir del tiempo transcurrido entre la emisión del pulso y su detección después de ser reflejado (tiempo que debe ser inferior al período del tren de pulsos), se puede determinar la distancia al objeto. Asimismo, a partir de la relación entre la potencia recibida y la potencia emitida, se puede obtener información sobre la sección radar del objeto (área efectiva que presenta el objeto a la onda incidente), y por tanto, del tamaño del objeto. Los llamados "aviones invisibles" utilizan superficies absorbentes y contornos con aristas para minimizar la reflexión de las ondas en su superficie y reducir de este modo su sección radar. En otras ocasiones, los aviones de guerra utilizan contra medidas para confundir a los radares ("jamming"), tales como arrojar tiras metálicas de papel de aluminio en los alrededores del avión (lo que se conoce como "paja"), o bien, emitir hacia la antena del radar una señal continua de microondas de alta intensidad de la misma frecuencia que la utilizada por el radar para confundirlo. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Los radares también tienen aplicaciones civiles tales como altimetría en los aviones, medida de la posición de la tierra respecto a otros planetas (se han detectado ecos de radar procedentes de Ganímedes, la mayor de las lunas de Júpiter), seguimiento de los aviones en los aeropuertos, etc. . Existen radares de efecto Doppler capaces de determinar la velocidad con la que se acerca o aleja un objeto de la antena a partir del desplazamiento en frecuencia del eco (± 2v f / c, donde v es la velocidad del objeto, f es la frecuencia del radar y c es la velocidad de la luz). Estos radares son utilizados hoy en día por la policía para medir la velocidad de los coches y también en alarmas para ladrones. Dado que la razón "potencia recibida/potencia emitida" en un radar es inversa mente proporcional a la cuarta potencia de la distancia al objeto, los radares son en la mayoría de los casos sistemas de microondas de alta potencia. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Radiometría A veces las antenas de microondas se utilizan para medir la potencia de ruido emitida directamente por un objeto y la reflejada por los objetos que le rodean. Esta potencia de ruido tiene que ver con la radiación de cuerpo negro emitida por el objeto por tener una temperatura no nula. A los receptores de microondas destinados a medir la potencia de ruido emitida por los objetos se les conoce como radiómetros. Los radiómetros se utilizan en meteorología para medir el perfil de humedad y temperatura de la atmósfera, el grado de humedad del suelo, la polución atmosférica, o para hacer estimaciones del grosor de la nieve (o del nivel de agua en una inundación) sobre una gran superficie. Los radiómetros se utilizan en medicina para medir el perfil de temperatura en el interior del cuerpo humano de una manera no invasiva con vistas a detectar inflamaciones o predecir el efecto de los fármacos sobre el organismo. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Los radiómetros también se utilizan en radioastronomía, lo cual ha permitido detectar tanto la radiación de fondo del universo (que se supone debida a la temperatura residual del universo después de la Gran Explosión) como la radiación de cuerpos celestes que son fuertes emisores de microondas, tales como los "quasares" y los "pulsares" (si bien el origen de la radiación de microondas no procede en este caso de la radiación de cuerpo negro). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Aceleradores de partículas
De la misma manera que en los tubos de microondas hay una transferencia de la energía cinética de un haz de partículas cargadas (electrones) a la energía del campo electromagnético se puede invertir el proceso y utilizar la energía de un campo de microondas para transferir energía cinética a un haz de partículas cargadas y acelerarlas. Esta situación se presenta en algunos aceleradores de partículas, que son equipos de medida donde se comunica una alta energía (del orden de GeV) a un haz de partículas cargadas con vistas al estudio experimental de la física de partículas elementales. Existen aceleradores lineales y circulares. En los aceleradores lineales el haz de partículas se mueve a lo largo del eje de una estructura de onda lenta, que normalmente consiste en una línea de transmisión cargada periódicamente con cavidades resonantes. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Cuando la velocidad de la onda lenta y del haz de partículas son aproximadamente iguales, se produce una máxima transferencia de energía del campo de microondas al haz de partículas. Como la velocidad de las partículas va aumentando a lo largo del acelerador, las dimensiones de la estructura de onda lenta tienen que ir cambiando para poder adaptarse a los cambios de velocidad de las partículas. En los aceleradores circulares las partículas se mueven sometidas a un campo magnético perpendicular a su trayectoria. Al ser la trayectoria circular, los aceleradores circulares tienen un tamaño más reducido que los lineales para un nivel de energía dado. En los aceleradores circulares se aplican señales de microondas a la frecuencia de ciclotrón de las partículas en el acelerador. No obstante, esta frecuencia de las señales de microondas tiene que ir cambiando debido a que cuando la velocidad de las partículas se acerca a la de la luz, se produce un aumento de su masa relativista y una disminución de la frecuencia de ciclotrón (efecto de sincrotrón). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Aplicaciones en Medicina
La aplicación de calor es un procedimiento terapéutico utilizado usualmente en medicina. Un aumento local de la temperatura de un tejido produce una dilatación de los vasos sanguíneos alrededor del tejido y un aumento del riego sanguíneo, con lo cual el tejido recibe más nutrientes y anticuerpos, el proceso de curación se acelera, y además, el dolor se reduce. Mientras que los métodos clásicos de aplicación de calor en medicina (baños calientes, baños de parafina e infrarrojo) sólo actúan en superficie, para tratamientos térmicos en profundidad se aplican microondas a frecuencias de 2.45 GHz (hipertermia). Los aplicadores (antenas) se colocan a varios centímetros de la superficie corporal durante un tiempo entre 15 y 30 minutos, y se manejan niveles de radiación entre 100 mW /cm2 y varios W /cm2. La aplicación de microondas se utiliza en el tratamiento de enfermedades relacionadas con problemas de las articulaciones (artrosis, artritis, reuma), en medicina interna (bronquitis, asma, infartos), en dermatología, en otorrinolaringología, en oftalmología y mas recientemente, en tratamientos para tratar tumores cancerígenos. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Diatermia Se conoce por diatermia al método fisioterapéutico de producción de calor en los tejidos por la resistencia que éstos ofrecen al paso de una corriente eléctrica de alta frecuencia. La diatermia, aplicada mediante cualquiera de las técnicas existentes, permite inducir calor a los tejidos biológicos mediante la penetración de diversas formas de energía, entre las cuales podemos citar la energía aportada por ondas electromagnéticas. Con la diatermia, y en concreto con la diatermia electromagnética, se consigue un calentamiento en profundidad mediante oscilaciones de alta frecuencia que, en la zona de aplicación, se transforman en energía calorífica sin provocar estímulos eléctricos en los nervios o en los músculos. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Con un tratamiento diatérmico no es necesario poner al paciente en contacto con los electrodos de un dispositivo, sino tan sólo colocarlo de forma que sobre él incidan las ondas emitidas por los electrodos y que se originan por el mismo. De esta manera, las ondas electromagnéticas penetran en el cuerpo del paciente generando calor. Determinando de forma precisa la frecuencia de trabajo se puede llegar a modelar la profundidad de penetración de la radiación electromagnética y actuar sobre diferentes elementos constitutivos de los tejidos biológicos humanos. En cualquier caso, se trata de radiaciones no ionizantes que no producen cambios en la estructura molecular de las sustancias, siendo su contenido en agua el responsable de la transformación en calor de la energía de alta frecuencia aplicada. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Hipertermia Electromagnética
Los tejidos cancerosos, excepto en su estado necrótico, tienen un alto contenido de agua. Lo que da lugar a un incremento de la permitividad de los tumores. Elevación de Temperatura : Disminuir el volumen tumoral y reducir la dosis de narcóticos utilizados en la fase paliativa del cáncer ( Temperaturas del orden de 43 a 45º ) Se utiliza como un agente sensibilizador de las radiaciones ionizantes o quimioterapia. La clave de este proceso está en calentar, medir la temperatura y controlar el sistema…El tiempo de calentamiento debe ser entre 15 y 30 minutos. Esto ha conducido a establecer exposiciones recomendadas o estándar. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

SAR ( TAE ) : Potencia que es absorbida sobre una unidad de masa de tejido… No se puede medir en el interior…necesidad de evaluar los riesgos a los que está expuesto el tejido. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

SAR = σ │E │2 / ρ ( W/Kg ) (ρ la densidad másica del tejido, σ conductividad y E el campo eléctrico en el interior… control interno de los campos ?) → Experimentación (Fantomas, animales : ratas, conejos, etc…riesgos extrapolación…) y simulación numérica… Aplicadores : Aperturas radiantes …guias de ondas abiertas → alta permitividad, circula el aire y enfria la piel. Controladores de fase por ordenador →proporcionan gran calor en puntos precisos y profundos… Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

3.- Dipolos y ranuras → tratamiento “in situ”. Puede estar implantado para sesiones periódicas… Inconvenientes de los aplicadores con sensores de temperatura metálicos, termistores, termopares, y otros sensores convencionales : Calentamiento del sensor por corrientes inducidas Perturbación del campo electromagnético Interferencia electromagnética Hoy día se están investigando sensores de temperatura basados en fibra óptica que se recubre de un material (aceites ..? ) cuyo índice de refracción varíe con la temperatura. Las pruebas se están realizando en sustitutos de tejidos (fantomas…). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Resonancia Magnética Es una técnica espectroscópica que proporciona información estructural y estereoquímica en un tiempo reducido. No es una técnica destructiva y encuentra aplicaciones en casi todas las áreas de la química y en algunas de la biología. MRI ( imagen por resonancia magnética ) : Exploración radiológica que nace a principios de los 80 que permite obtener imágenes del organismo de forma incruenta ( no invasiva) sin emitir radiación ionizante y en cualquier plano del espacio ( el estadounidense Lauterbur y el británico Mansfield, premio nobel de medicina 2003, introdujeron innovaciones al descubrimiento de Bloch y Mills Purcell, premio nobel de física 1952…). Combinación de la informática y el tratamiento avanzado de imágenes en medicina. Anualmente se realizan más de 80 millones de diagnósticos y hay más de cámaras de MRI. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Un campo magnético de 1.5 Tesla alinea los átomos de hidrógeno de los tejidos corporales…cuando se interrumpe el pulso magnético vuelven a su posición inicial de relajación emitiendo señales de radio captadas por receptores (antenas) y analizadas por un ordenador ( procesado digital de la información )…obteniendo, en poco tiempo, una imagen tridimensional (“rebanadas” en tres planos – axial,coronal y sagital – sin que el paciente cambie de posición…). Cada tejido produce una señal diferente. ( la exploración dura 20 – 45 minutos y el paciente debe estar completamente quieto…). Es muy segura ( radiación no ionizante ), sin embargo, puede producir claustrofobia ( tubo cerrado…ruido de los pulsos magnéticos..) y es relativamente cara respecto a otras técnicas de radiodiagnóstico. Investigación en técnicas de reconstrucción con menos datos→menos tiempo de los pacientes… Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Consideraciones Generales
Como consecuencia de la absorción de energía se produce una atenuación de la onda a medida que avanza por el medio material. Se denomina profundidad de penetración ( δ ) a la distancia en que las amplitudes de los campos se reducen un 36 % ( la densidad de potencia un 13,5% ) respecto a los valores superficiales. La absorción de la energía electromagnética por los tejidos produce un incremento de temperatura. El hombre y los animales son sensibles a los efectos térmicos ( los ojos → bajo riego sanguíneo → inhibición de mitosis y diferenciación celular → cataratas; daño en las células germinales → testículos que están a 4º por debajo de la temperatura corporal; quemaduras internas → necrosis; hipertermia maligna, etc. ). Son necesarios límites de exposición… ( ver tablas adjuntas ). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Espectro electromagnético : Aplicaciones

Anexo : Algunos recientes dispositivos y proyectos…
Osstell mentor : Sistema portátil para medir la estabilidad de los implantes (coeficiente de estabilidad, ISQ→oseointegración-diagnóstico). Técnica no invasiva. Se activa mediante un pulso magnético generado por la sonda de medición. Sistema resonante : Varilla magnética ( Smartpeg ) colocada en el implante…en diversas sesiones (entre dos y tres meses), memorizando los datos, se observan las variaciones del ISQ… Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Microondas para las caries:
La aplicación de microondas en los dientes para evitar las caries es una de las novedades científicas que se presentó en la VII Conferencia Internacional de Calentamiento por Microondas y Alta Frecuencia celebrada en Valencia 2004. El catedrático de la Universidad japonesa de Kokushikan Yoshio Nijawa ha presentado en la reunión, que por primera vez se celebró en España, una ponencia acerca de la aplicación de microondas para la esterilización de caries dentales. Según Nikawa, cuyo grupo de investigación, integrado también por odontólogos de la Universidad de Osaka, se trata de aplicar microondas en el diente afectado para elevar la temperatura en las caries que de esta forma, los microorganismos y bacterias que la provocan, sensibles a la variación de temperatura, mueran, sin que se tenga que extirpar el diente. Este método, que en Japón se aplica de forma experimental en pacientes voluntarios, tiene numerosas ventajas. No sólo no hay que eliminar o dañar el diente afectado como el caso del tratamiento convencional, sino que el diente se autoregenera tras un tratamiento de tan sólo cinco minutos. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Agricultura al calor de las microondas
El Grupo de Calentamiento de Microondas de la Universidad Politécnica de Valencia (UPV) investiga un método para esterilizar suelos agrícolas. Una utilidad que, previsiblemente, permitirá eliminar malas hierbas, semillas enterradas y organismos indeseables provocadores de plagas sin tener que emplear el bromuro de metilo, peligroso producto químico que no debe ser utilizado a nivel mundial después del el 2005 por resultar destructor de la capa de ozono ( está por ver…). En colaboración con ingenieros agrícolas, los expertos aplican estas ondas letales para plantas, nematodos y semillas de varias especies en el suelo mediante nuevos prototipos (que en forma de grandes aspiradores serán transportados por tractores agrícolas). Para su uso, es necesario que el suelo esté lo más seco posible. Sin embargo, los expertos creen que el tratamiento, al contrario que el venenoso bromuro de metilo, será más eficaz, uniforme, inocuo y respetuoso con el medio ambiente. Para aquellos a los que les suene a ciencia ficción, Elías de los Reyes, catedrático y director de la Escuela de Ingenieros de Telecomunicación de la UPV, recalca que el único efecto de tan enigmáticas ondas es el calor, y por lo tanto son útiles para desinfectar multitud de cosas. "Las microondas no hacen otra cosa", insiste; "transmiten calor". Y con gran eficacia. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

DISPOSITIVO EXPERIMENTAL PARA EXPOSICIONES DE GSM A 900 MHz Y SU APLICACIÓN AL ESTUDIO DE RATAS EPILÉPTICAS E. López Martín, F.J. Jorge BarreiroA. Trastoy Ríos, F.J. Ares Pena, E. Moreno, J.L. Sebastián Franco y B. Ribas Ozonas Se ha diseñado y construido un dispositivo experimental para proporcionar radiación controlada a un animal de pequeño tamaño. Este sistema permite medir la potencia absorbida por el animal que en combinación con la simulacióm FDTD permite calcular valores de SAR. Se ha utilizado el sistema para la exposición de ratas potencialmente epiléptica a una señal GSM de 900MHz. El estudio de los efectos de esta radiación en su sistema nervioso central muestra importantes cambios en los animales expuestos a señales de 900MHz con modulación GSM. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Detección de Tumores Detección mediante microondas de objetos y defectos ocultos ( Grupo de Nápoles) y tumores de mama (Grupo de Granada)…reprodución celular (crecimiento de tejidos…no implantes de piel de un sitio a otro…). Diseño de “antenas inteligentes” para detectar tumores más pequeños de los que actualmente se detectan mediante rayos X, y de forma menos perjudicial para la salud ( G. Granada). Técnicas de teledetección inteligente de vertidos de hidrocarburos en medio marino ( USC, U C, U FEDERICO II, CSIC, UPM ). Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Effect of MillimeterWave Irradiation onTumor Metastasis Bioelectromagnetics 27:258^264 (2006) Las ondas electromagnéticas milimétricas son utilizadas para el tratamiento de muchas enfermedades en Rusia y muchos otros países del este. Las tres frecuencias más comunes que suelen ser empleadas son de 42.2, 53.6 y 61.2 GHz. Debido a que han dado unos resultados clínicos excelentes, se han utilizado estas radiaciones sobre diferentes enfermedades como úlceras pépticas, enfermedades cardiovasculares, asma bronquial, etc. Se puede utilizar como monoterapia o conjuntamente con otros tratamientos adjuntos. Como terapia adjunta está siendo utilizada en la Unión Soviética para reducir los efectos tóxicos de la quimio y de la radioterapia en el tratamiento de cáncer. En Rusia existen más de 1000 residencias u hospitales que utilizan la MMW (ondas electromagnéticas milimétricas) y el número de pacientes que reciben este tratamiento se eleva a A pesar del número de pacientes tratados con este método, éste no suele ser muy conocido por médicos y científicos. Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Bioelectromagnetismo

Bibliografía Aplicaciones Tecnológicas, Industriales y Doméstica. 1.- Jaques Thuéry. Microwaves: Industrial, Scientific, and Medical Applications. ARTECH HOUSE, INC. 2.- CNS (Consejo de Seguridad Nacional). Radiaciones ionizantes y no ionizantes. CNS Barcelona. 3.- Bach L, Cuesta J, Carles N. Aplicaciones industriales del láser. Boixareu Editores. 4.- IEEE Transactions Microwave Theory and Techniques 50TH Anniversary Issue. Vol.50, number 3, march 2002. 5.- Diversos artículos de IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Antennas and Wireless Propagation, and Microwave, 6.- “ Técnicas de Teledetección Inteligente de Vertidos de Hidrocarburos en Medio Marino “, proyecto elaborado por la Universidad de Santiago de Compostela, Universidad de la Coruña, Universidad Federico II ( Nápoles, Italia ), Consejo Superior Investigaciones Científicas y Universidad Politécnica de Madridi, subvencionado por la Fundación Arao, Direcciones Web Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Aplicaciones Médicas Zauner A. Introducción a la transferencia eléctrica capacitiva. Barcelona: Jims; 1993; 143. Calbet J. Tratado de la transferencia eléctrica capacitiva. Barcelona: Doyma; 1992. Ley A, Cladellas JM, Colet S et al. Transferencia eléctrica capacitiva (TEC). Técnica no invasiva de hipertermia profunda en el tratamiento de los gliomas cerebrales. Resultados preliminares. Neurocirugía 1992, 3: Ley Valle A. Tratamiento quirúrgico de los gliomas malignos. In: Ley Valle A. Tumores del sistema nervioso central, Barcelona: DOYMA; 1993: Martínez RA, Bordás JR. Tratamiento del asma mediante transferencia eléctrica capacitiva. Rehabilitación física XXI 1992, 3: Jacques thuery, Microwaves: industrial, scientific and medical.1992 Artech house Resonance Frequency Measurement of Implant Stability jn vivo with a Sandblasted and Acid-Etched Surface, Journal of Oral & Maxilofacial Implants, 2003, vol.18, , Barewal R.M., Oates T., Meredith N., Cochran D.L.. OsstellTM mentor ( ) Effects of 900 MHz RF Exposure on Brain Activity in Epileptic Rats, A. Trastoy et alt., Jina 2004, Niza Nov. Frank s. Barnes and Ben Greenebaum, Handbook Biological Effects of Electromagnetic Fields, CRC Press, 2007 Facultad de Física Eduardo Moreno Piquero

Aplicaciones de las Radiaciones no Ionizantes

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