Espectro electromagnético y su aplicación en la E.D.M

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 ver el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son 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 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 aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

Rango energético del espectro

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.1 Por otro lado se conocen frecuencias cercanas a 2,9×1027 Hz, que han sido detectadas provenientes de fuentes astrofísicas.2


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:


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 basándose en su longitud de la 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 enoctavas.3


La espectroscopia puede detectar una región mucho más amplia del espectro electromagnético que el rango visible de 400 a 700 nm. Un espectrómetro de laboratorio común y corriente detecta longitudes de onda de 2 a 2500 nm.

Bandas del espectro electromagnético

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	< 10x10−12m	> 30,0x1018Hz	> 20·10−15 J
Rayos X	< 10x10−9m	> 30,0x1015Hz	> 20·10−18 J
Ultravioleta extremo	< 200x10−9m	> 1,5x1015Hz	> 993·10−21 J
Ultravioleta cercano	< 380x10−9m	> 7,89x1014Hz	> 523·10−21 J
Luz Visible	< 780x10−9m	> 384x1012Hz	> 255·10−21 J
Infrarrojo cercano	< 2,5x10−6m	> 120x1012Hz	> 79·10−21 J
Infrarrojo medio	< 50x10−6m	> 6,00x1012Hz	> 4·10−21 J
Infrarrojo lejano/submilimétrico	< 1x10−3m	> 300x109Hz	> 200·10−24 J
Microondas	< 10−2m	> 3x108Hzn. 1	> 2·10−24 J
Ultra Alta Frecuencia - Radio	< 1 m	> 300x106Hz	> 19.8·10−26 J
Muy Alta Frecuencia - Radio	< 10 m	> 30x106Hz	> 19.8·10−28 J
Onda Corta - Radio	< 180 m	> 1,7x106Hz	> 11.22·10−28 J
Onda Media - Radio	< 650 m	> 650x103Hz	> 42.9·10−29 J
Onda Larga - Radio	< 10x103m	> 30x103Hz	> 19.8·10−30 J
Muy Baja Frecuencia - Radio	> 10x103m	< 30x103Hz	< 19.8·10−30 J

Radiofrecuencia

En radiocomunicaciones, los rangos se abrevian con sus siglas en inglés. Los rangos son:

Nombre	Abreviatura inglesa	Banda ITU	Frecuencias	Longitud de onda
			Inferior a 3 Hz	> 100.000 km
Extra baja frecuencia	ELF	1	3-30 Hz	100.000–10.000 km
Super baja frecuencia	SLF	2	30-300 Hz	10.000–1000 km
Ultra baja frecuencia	ULF	3	300–3000 Hz	1000–100 km
Muy baja frecuencia	VLF	4	3–30 kHz	100–10 km
Baja frecuencia	LF	5	30–300 kHz	10–1 km
Media frecuencia	MF	6	300–3000 kHz	1 km – 100 m
Alta frecuencia	HF	7	3–30 MHz	100–10 m
Muy alta frecuencia	VHF	8	30–300 MHz	10–1 m
Ultra alta frecuencia	UHF	9	300–3000 MHz	1 m – 100 mm
Super alta frecuencia	SHF	10	3-30 GHz	100-10 mm
Extra alta frecuencia	EHF	11	30-300 GHz	10–1 mm
			Por encima de los 300 GHz	< 1 mm

·        

Frecuencias extremadamente bajas: Llamadas ELF (Extremely Low Frequencies), son aquellas que se encuentran en el intervalo de 3 a 30 Hz. Este rango es equivalente a aquellas frecuencias del sonido en la parte más baja (grave) del intervalo de percepción del oído humano. Cabe destacar aquí que el oído humano percibe ondas sonoras, no electromagnéticas, sin embargo se establece la analogía para poder hacer una mejor comparación.


· Frecuencias super bajas: SLF (Super Low Frequencies), son aquellas que se encuentran en el intervalo de 30 a 300 Hz. En este rango se incluyen las ondas electromagnéticas de frecuencia equivalente a los sonidos graves que percibe el oído humano típico.


· Frecuencias ultra bajas: ULF (Ultra Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de 300 a 3000 Hz. Este es el intervalo equivalente a la frecuencia sonora normal para la mayor parte de la voz humana.


· Frecuencias muy bajas: VLF, Very Low Frequencies. Se pueden incluir aquí las frecuencias de 3 a 30 kHz. El intervalo de VLF es usado típicamente en comunicaciones gubernamentales y militares.


· Frecuencias bajas: LF, (Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de 30 a 300 kHz. Los principales servicios de comunicaciones que trabajan en este rango están la navegación aeronáutica y marina.


· Frecuencias medias: MF, Medium Frequencies, están en el intervalo de 300 a 3000 kHz. Las ondas más importantes en este rango son las de radiodifusión de AM (530 a 1605 kHz).


· Frecuencias altas: HF, High Frequencies, son aquellas contenidas en el rango de 3 a 30 MHz. A estas se les conoce también como "onda corta". Es en este intervalo que se tiene una amplia gama de tipos de radiocomunicaciones como radiodifusión, comunicaciones gubernamentales y militares. Las comunicaciones en banda de radioaficionados y banda civil también ocurren en esta parte del espectro.


· Frecuencias muy altas: VHF, Very High Frequencies, van de 30 a 300 MHz. Es un rango popular usado para muchos servicios, como la radio móvil, comunicaciones marinas y aeronáuticas, transmisión de radio en FM (88 a 108 MHz) y los canales de televisión del 2 al 12 [según norma CCIR (Estándar B+G Europa)]. También hay varias bandas de radioaficionados en este rango.


· Frecuencias ultra altas: UHF, Ultra High Frequencies, abarcan de 300 a 3000 MHz, incluye los canales de televisión de UHF, es decir, del 21 al 69 [según norma CCIR (Estándar B+G Europa)] y se usan también en servicios móviles de comunicación en tierra, en servicios de telefonía celular y en comunicaciones militares.


· Frecuencias super altas: SHF, Super High Frequencies, son aquellas entre 3 y 30 GHz y son ampliamente utilizadas para comunicaciones vía satélite y radioenlaces terrestres. Además, pretenden utilizarse en comunicaciones de alta tasa de transmisión de datos a muy corto alcance mediante UWB. También son utilizadas con fines militares, por ejemplo en radares basados en UWB.


· Frecuencias extremadamente altas: EHF, Extrematedly High Frequencies, se extienden de 30 a 300 GHz. Los equipos usados para transmitir y recibir estas señales son más complejos y costosos, por lo que no están muy difundidos aún.


Existen otras formas de clasificar las ondas de radiofrecuencia.

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. Ellas 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 en los que se usan detectores de calor para descubrir cuerpos móviles en la oscuridad. También se usan en los mandos a distancia de los televisores y otros aparatos, en los que un transmisor de estas ondas envía una 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 se encuentra lo que comúnmente es llamado luz, un tipo especial de radiación electromagnética que tiene una longitud de onda en el intervalo de 0,4 a 0,8 micrómetros. Este es el rango en el que el sol y las estrellas similares emiten la mayor parte de su radiación. Probablemente, no es una coincidencia que el ojo humano sea sensible a las longitudes de onda que emite el sol con más fuerza. Las unidades usuales para expresar las longitudes de onda son el Angstrom y el nanómetro. La luz que vemos con nuestros ojos es realmente una parte muy pequeña del espectro electromagnético. La radiación electromagnética con una longitud de onda entre 380 nm y 760 nm (790-400 terahercios) es detectada por el ojo humano y se percibe como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente en el infrarrojo cercano (más de 760 nm) yultravioleta (menor de 380 nm) también se refiere a veces como la luz, aún cuando la visibilidad a los seres humanos no es relevante. Si la radiación tiene una frecuencia en la región visible del espectro electromagnético se refleja en un objeto, por ejemplo, un tazón de fruta, y luego golpea los ojos, esto da lugar a la percepción visual de la escena. Nuestro sistema visual del cerebro procesa la multitud de frecuencias que se reflejan en diferentes tonos y matices, y a través de este, no del todo entendido fenómeno psico-físico, la mayoría de la gente percibe un tazón de fruta; Un arco iris muestra la óptica (visible) del espectro electromagnético. En la mayoría de las longitudes de onda, sin embargo, la radiación electromagnética no es visible directamente, aunque existe tecnología capaz de manipular y visualizar una amplia gama de longitudes de onda.


La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. Las ondas electromagnéticas pueden modularse y transmitirse a través de fibras ópticas, lo cual resulta en una menor atenuación de la señal con respecto a la transmisión por el espacio libre.

Ultravioleta

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 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 0,01 nanómetros, correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 30.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la frecuencia de la luz visible).

Rayos gamma

La radiación gamma es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por elementos radiactivos o procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón-electrón. 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.

Espectro electromagnético y su aplicación en la medición electrónica de Distancias

Visión General

Medición Electrónica de Distancias.

Los instrumentos electrónicos para la medición de distancias (IEMD) miden longitudes de terreno comparando una línea de longitud desconocida con la longitud de onda conocida de la energía electromagnética modulada con la que trabajan, en esta entrada, trataré de explicar su funcionamiento.


La energía electromagnética se propaga a través de la atmósfera de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde:
V: Es la velocidad de la energía electromagnética en metros por segundo.
f : La frecuencia de modulación de la energía en Hertz.
: La longitud de onda en metros.



Esta propagación puede representarse mediante una curva senoidal, en la cual se ve una longitud de onda o ciclo. Las secciones de longitud de onda o la posi­ción de puntos a lo largo de la longitud de onda están dadas por ángulos de fase. Así, un ángulo de fase de 360° representa un ciclo completo o un punto en el extre­mo de una longitud de onda, en tanto que 180° corresponden a media longitud de onda o al punto medio. Una posición intermedia a lo largo de una longitud de onda, con un ángu­lo de fase de 135°, es 135/360 o 0.375 de una longitud de onda.

En los distanciómetros la frecuencia puede controlarse con toda precisión, pero la velocidad varía con la temperatura, la presión y la humedad atmosféricas. En consecuen­cia, la longitud de onda y la frecuencia deben variar de conformidad con la ecuación V = f
En el procedimiento para medir distancias electrónicamente, un dispositivo IEMD, centrado en la estación A, transmite a la estación B una señal portadora de energía electromagnética sobre la cual se ha superpuesto o modulado una frecuencia de refe­rencia. La señal regresa desde el reflector en la estación B hasta el proyector, por lo que su recorrido es igual al doble de la distancia inclinada AB. La energía electromagnética modulada está representada por una serie de senoides, cada una con una longitud de onda .

Los IEMD empleados en topografía trabajan por medición del desfasamiento (o des­plazamiento de fase). En este sistema, la energía que regresa experimenta un cambio de fase completo de 360°, por cada múltiplo par de exactamente la mitad de la longitud de las ondas entre los puntos extremos de la línea. Por tanto, si la distancia es precisamente igual a un múltiplo par de la semilongitud de onda, el cambio de fase deberá ser cero.
En las estaciones A y B están separadas exactamente por ocho semilongitudes de onda; por tanto, el cambio de fase es cero.
Es muy poco común el que una distancia a medir sea exactamente un número entero de longitudes de onda, en lugar de esto se presentan algunas fracciones de longitud de onda, como el valor p. La distancia L entre el IEMD y el reflector se expresa como:

Donde:
L: Es la longitud a determinar.
n: Es el número de longitudes de onda completas.
: Es la longitud de onda.
p: Parte fraccionaria de longitud de onda.

La medición electrónica de distancias queda definida entonces como una medición indirecta ya que la magnitud que en realidad medimos es el tiempo de viaje de una señal electromagnética, vale la pena destacar que también es necesario tomar en consideración el coeficiente de refracción del medio (Ley de Snell) así como los cambios de densidad y que, por supuesto, la precisión de nuestra medición dependerá directamente de la precisión con la que el equipo pueda medir el tiempo.

EXPLICACIÓN

En la actualidad el topógrafo dispone de dispositivos modernos muy precisos para medir distancias, que han evolucionado desde sus orígenes en la 2ª Guerra Mundial, paralelamente con el avance de la electrónica en general. Los instrumentos funcionan en general en base de ondas electromagnéticas de radio-frecuencia o de rayos luminosos. En la topografía agrícola es más común el EDM de rayos infrarrojos no visibles, con una unidad emisora en o montado sobre el teodolito en un extremo, y en el otro, un simple reflector que por lo general es un prisma pentagonal. En los EDM la frecuencia se puede controlar con toda precisión, pero la velocidad varía con la temperatura, la humedad y la presión atmosféricas. Para lograr medidas exactas con los EDM, es necesario evaluar los factores atmosféricos para realizar las correcciones precedentes. La mayoría de los instrumentos son electroópticos, transmitiendo luz infrarroja como señal portadora. La fuente generadora de esta luz infrarroja, en general está dada por un diodo de arseniuro de galio. Los instrumentos antiguos con láser y los que usan microondas pueden tener alcances mayores a estos comunes. Estos dispositivos determinan la distancia mediante la medición indirecta del tiempo que le toma a la energía electromagnética de velocidad conocida, en viajar de un extremo a otro de la línea por medir y regresar.

La energía electromagnética se propaga a través de la atmósfera de acuerdo con la
Ecuación V = f λ
En la cual V es la velocidad de la energía electromagnética en metros2, f la frecuencia de modulación de la energía y λ la longitud de onda en metros. En un principio el dispositivo EDM se montaba sobre el teodolito óptico primero y luego sobre el digital. Cuando el teodolito electrónico incorpora el dispositivo EDM en el anteojo, además muchas veces de un microprocesador, el dispositivo pasó a denominarse Estación Total, caracterizándose por su compacidad y practicidad frente al instrumental anterior.
Los instrumentos EDM, realizan la medida inclinada entre dos puntos o distancia geométrica que nosotros notamos por S. Si esta distancia inclinada la realizamos a un prisma de igual altura del instrumento goniométrico, la distancia horizontal se obtiene fácilmente como

H = S x cos α

donde α es la altura de horizonte o ángulo de inclinación y S la distancia geométrica,
. o por el contrario en caso de un teodolito cenital, sin realizar ninguna transformación, directamenteH = S x sin Cen

En términos generales, el equipo EDM es más sencillo, rápido y confiable que la cintada directa, y actualmente estos equipos han sustituido completamente a los métodos tradicionales o clásicos con cinta métrica. Aunque el aparato es costoso, su uso significa un ahorro considerable, sencillamente por la rapidez con que se obtienen las medidas y por la confianza que éstas merecen. En condiciones de buena visibilidad, cualquier trabajo que implique medición de distancias entre 30 y 1500 metros o más, puede efectuarse mucho mejor con un equipo EDM que con una cinta métrica. El tránsito vehicular, los matorrales y arbustos, las “chilcas”, un pantano, cuerpos de agua, áreas de cultivo, no interfieren para nada, puesto que la visual se puede elevar por encima de ciertos obstáculos y no hay necesidad de caminar sobre la línea, excepto para situarse en sus extremos.

Por ejemplo, el equipo distanciómetro electroóptico, transmite radiación infrarroja, con longitudes de onda cercanas a 0,9 µm y que está fuera de la porción visible del espectro. Generalmente el alcance de estos aparatos no excede de 5 km, son pequeños, portátiles, fáciles de operar, adecuados a una variedad de trabajos de campo. El alcance depende de las condiciones del aparato, potencia del emisor, de las condiciones atmosféricas, principalmente presión y temperatura y particularmente del número de prismas reflectores. De hecho los fabricantes de los instrumentos proporcionan una gráfica para establecer los valores de corrección según presión y temperatura. En las condiciones climáticos y del tiempo en que se encuentre, en la práctica de topografía se ajusta el valor de corrección en función únicamente de la temperatura. La constante varía sustancialmente entre el invierno con 10º y un relevamiento en enero con 30º. O en un día de invierno excepcional (“veranillo”) si buscamos una precisión especial, deberíamos ajustar el instrumento hacia el mediodía y primeras horas de la tarde. Las fuentes de error en los trabajos con equipo EDM pueden ser personales, instrumentales y naturales. Descartando los errores personales que se deben a una falta de preparación técnica del operador, los errores instrumentales se dividen en dos partes.
Es decir, el fabricante especifica el error del instrumento, en una parte constante y en una parte proporcional a la distancia medida.
Error instrumento EDM = error constante + error en f(distancia)
La parte constante varía generalmente entre + /- 0,002 a +/- 0,12 metros y la parte variable en 10 a 2 partes por millón (ppm). Por ejemplo una especificación típica de un instrumento sería

Error EDM = 5 mm + 5 ppm


Es decir que en 1.000 metros de distancia, hay un error total de 0,005 + 0,005 metros = 0,01 m., o sea una precisión 0,01 m / 1000 m = 1 / 100.000 El error constante es más significativo en el caso de distancias cortas. Por ejemplo, tratándose de un instrumento que tenga un error constante de 5 mm, una medida de 50 metros tiene una precisión de


→ [0,005 + 0,000005 x 50]/50 = (0.005+ 0.0003 ) / 50 = 0.0053 / 50 = 1 / 9524
Si la distancia fuera de 5 metros
→ [0,005 + 0,000005 x 5] / 5 = 0.00503 / 5 = 1 / 199
En cambio, para una distancia de 10 metros,
→ [0,005 + 0,000005 x 10]/10 = 0.00505 / 10 = 1 / 1980
Ahora, para una distancia de 30 metros,
→ [0,005 + 0,000005 x 30]/10 = 0.00515 / 30 = 1 / 5825
Veamos la situación , para una distancia de 400 metros,
[0,005 + 0,000005 x 400]/400 = 0.0070 / 400 = 1 / 57143
el error pasa a ser de 0.007 m y por tanto la precisión 1 / 57143

Realizamos este ejemplo con los 400 metros porque esa distancia es un poco el límite de la estadimetría, para que el lector tenga presente un orden de magnitud comparativo de la precisión. Por tanto, en conclusión a distancias del orden de 1000 metros las componentes de error se igualan y empieza a pesar más el error variable. Sin embargo, para la ingeniería agrícola y en particular, con la taquimetría, no es razonable tomar distancias polares por encima de los 1000 a 1300 metros como veremos en el tema correspondiente. Por tanto, se puede visualizar nuestra afirmación anterior que para distancias pequeñas, menores a 10 metros sin duda la “vieja” cinta es superior, menores a 20 o 30 metros, la cinta está en la duda, y por encima de este límite arbitrario superamos con facilidad los estándares de precisión y la ventaja notoria e innegable del dispositivo EDM.

En el caso de distancias largas el error constante se vuelve despreciable pero la parte proporcional adquiere importancia. De todas formas, la precisión de acuerdo con los ejemplos anteriores, supera todas las exigencias de obras de ingeniería agrícola e incluso del Catastro Rural.

Los errores naturales que se tienen en los trabajos con EDM provienen de las variaciones atmosféricas de temperatura, presión y humedad; aunque ésta última puede despreciarse en el empleo de instrumentos electroópticos. Algunos instrumentos manejan directamente las variables atmosféricas, como es el caso del distanciómetro Hewlwtt&Packard 3800, Sokkisha Red2,etc, en otros tienen que hacerse las correcciones después por operaciones matemáticas.