Radiofrecuencias y microondas

Introducción
De lo dicho en la nota publicada anteriormente se desprende que la exposición a RF-MO, depende del valor de la densidad de potencia de las ondas en el punto de recepción o de las magnitudes E y H, (intensidades de campo eléctrico y magnético respectivamente) y del tiempo de exposición, por lo que las acciones correctoras deberán disminuir los valores de esas variables.
De las ecuaciones expuestas para la determinación de los niveles de exposición (6 a 10 de la nota anterior) se puede deducir la influencia de la reducción del tiempo de exposición en el valor final de las magnitudes E, H y S.
Veamos a continuación, aquellas medidas materiales que pueden ser determinantes para reducir la exposición laboral.
Aumento de la distancia entre el emisor y el receptor. Distancia de seguridad
La densidad de potencia (S) expresada en W/m2 en un punto situado a una distancia d expresada en metros de una antena emisora de RF-MO se puede calcular teóricamente mediante la expresión:

donde S es la densidad de potencia en un punto situado a una distancia d de la antena, P es la potencia nominal de la antena, (expresada en watios) G d es la ganancia de la antena en la dirección (d) a la antena, y At es la atenuación debida a paramentos que puedan absorber o reflejar la radiación, situados entre la antena y el punto en cuestión. La ganancia de la antena se suele expresar en decibelios y su significado se extrae de la expresión siguiente:
Lg = 10 log Pe/P (2)
donde P e es la potencia emitida por la antena en la dirección al punto de recepción
La atenuación (también denominada efectividad del blindaje) se expresa también en decibelios de forma que,
LAt = 10 log Pe/Pt (3)
donde Pt es la potencia transmitida a través del paramento, es decir la que realmente existe en el punto de exposición.
Para la aplicación de la ecuación (1) se debe expresar la ganancia y la atenuación de forma que:

Despejando en la expresión anterior (1) la distancia d, sustituyendo el resto de las variables por sus valores correspondientes y si el valor de S es el del límite de referencia correspondiente, se obtiene la distancia de seguridad, es decir la distancia más allá de la cual la exposición es inferior a la recomendada por el criterio de valoración.

Ejemplo de aplicación
Una antena de potencia nominal P = 200 vatios, emite a una frecuencia de 1 GHz siendo su ganancia en una determinada dirección de 15 dB. Averiguar la distancia de seguridad suponiendo que existe un paramento que atenúa 5 dB.
La distancia de seguridad se calcula mediante la ecuación (4) teniendo en cuenta que Gd = 1015/10 = 31,6 y que de acuerdo con la tabla 1 para una frecuencia de 1GHz, Sref = 25 W/m2.

Por otra parte la atenuación será At = 105/10 = 3.16, con lo que sustituyendo en (20)

Encerramientos
Están constituidos por "cajas" construidas con paneles metálicos que ofrezcan continuidad conductora y con toma a tierra, donde el grosor, la permeabilidad magnética, la conductividad eléctrica del metal la distancia de la pantalla a la fuente, la frecuencia de la onda son las variables que intervienen en la atenuación. El grosor teniendo en cuenta la densidad del metal, genera problemas de peso y también de coste en las instalaciones.
Por ello se usan preferentemente paneles finos (como mucho de unos pocos milímetros). En esas circunstancias los valores de las otras variables tienen gran importancia, como importancia tiene la impedancia de la onda Z = E/H. Las radiaciones de baja impedancia (predomina el campo magnético) son más difíciles de atenuar. En campo lejano, situación muy común en microondas, cuando la distancia a la fuente de emisión es mayor que l/2p y la impedancia se considera igual a 377W, el valor de la atenuación se puede considerar como la suma de la absorción y reflexión que vienen dadas por las expresiones:


donde A es la atenuación por absorción, R la atenuación por reflexión (figura 1), f la frecuencia en MHz, t el grosor del panel metálico en cm, mr la permeabilidad magnética del metal relativa al cobre, y sr la conductividad eléctrica del metal relativa al cobre. La tabla 2 presenta valores de estas constantes para algunos metales.



Estas expresiones representan sólo una aproximación optimista de la atenuación global (A+R), puesto que intervienen además factores como la distancia a la fuente, degradación de la atenuación por fugas etc. Para impedancias bajas y frecuencias bajas la atenuación así calculada es mucho mayor de la que se obtiene en la realidad. Por estos motivos es conveniente que los diseños sean realizados por empresas especializadas.
Mallas metálicas
Las mallas metálicas son construidas como entramados de cable metálico de forma que el diseño tiene en cuenta el espesor del metal, t y la distancia entre los cables, g (luz de la malla). La relación t/g es del orden de 0.05 y varía entre 0.01 y 0.1. (en tejidos metalizados se alcanza 0.5). El valor de g varía entre 0.5 mm y 5 cm. La efectividad del blindaje o atenuación At es debida fundamentalmente a la reflexión siendo la absorción muy baja. Como que la absorción en general depende del producto srmr y la reflexión del cociente sr/mr, se buscan metales de alta conductividad y baja permeabilidad magnética.
Son de aplicación en campo lejano, es decir aproximadamente cuando la distancia de la pantalla al foco es mayor de la sexta parte de la longitud de onda (d>l/2p) y la atenuación que puede esperarse se deduce de las expresiones:


donde l es la longitud de la onda, c la velocidad de la luz (3 1010 cm/s), g el grosor del cable en cm, y f la frecuencia que expresada en MHz permite calcular la atenuación At a partir de la ecuación (7). En la figura 2 se expresa la dependencia de At respecto a f, de forma gráfica para algunos valores de g.



Ejemplo de aplicación
Se apantalla un emisor de microondas (f = 1GHz), mediante una malla de aluminio de luz g = 0.25 cm. Si la densidad de potencia medida en el punto de recepción antes de la instalación de la pantalla era de 50 w/m2 , deducir si se superará el valor de referencia una vez instalada la pantalla.
Según la ecuación (7) en nuestro caso tendremos una atenuación:

De la tabla 1 se extrae el valor del nivel de referencia para la frecuencia de 1GHz que resulta ser de f/40 (f en MHz), esto es 25 W/m2 . Así pues una vez instalada la pantalla la densidad de potencia transmitida, es decir atenuada, es mucho menor que el nivel de referencia.
Paneles perforados
Otro diseño de pantalla es el que consiste en un panel metálico en el que se han practicado orificios (p.e ventilación) como se muestra en la figura 3.


La atenuación que proporcionan se puede predecir a través de la siguiente expresión, fundamentalmente válida para predominancia de campos magnéticos:

donde t es el grosor del panel, g es el diámetro de los orificios y D es la raíz cuadrada del producto de las dimensiones (alto, h y ancho, a) del panel
En la práctica se aconseja elegir como atenuación previsible la correspondiente al valor más bajo entre los calculados a través de las expresiones (7) y (8)
Ejemplo de aplicación:
Calcular la atenuación de la radiación de 27 MHz que ofrece un panel perforado de 0.5 cm de grueso y dimensiones 50 x 70 cm, si los orificios practicados tienen un diámetro de 0.6 cm y el espacio entre sus centros de 2 cm.
Para la aplicación de la ecuación (8) se tienen los siguientes datos:
g = 0.6 cm, t = 0.5 cm, D = (50 x 70)1/2, y el número de orificios N = Nh x Na , siendo Nh y Na el número de orificios en una columna y una fila respectivamente del panel que se pueden calcular,
Nh = (50/2) + 1 = 26 y Na = (70/2) + 1 = 36
Según la ecuación (8) :

Ventanas ópticas
Cuando se precisa una ventana de observación en un encerramiento o blindaje (Resonancia magnética, hornos de microondas) se utiliza material transparente laminado a una malla metálica como las mencionadas anteriormente o a una capa fina metálica.
Las primeras tienen la inestimable ventaja frente a las segundas de la alta transmisión de la luz visible. La atenuación de las mallas metálicas insertas en cristales es aproximadamente la correspondiente a la indicada en la ecuación (7) suponiendo un valor de g entre 0.25 y 0.5.
El segundo tipo de ventanas disponen de una finísima capa (1mm) de un metal de alta estabilidad como el oro (potencial oxidación bajo). Una ventana de cristal con una lámina de oro de 1mm de espesor atenúa en la banda de RF-MO entre 70 y 80 dB.
Señalización
La presencia de radiación electromagnética de RF-MO supone de forma general la existencia de un riesgo residual no cuantificable, para personas portadoras de marcapasos cardíacos.
La presencia de campos y ondas electromagnéticas puede afectar al funcionamiento de los marcapasos cardíacos, tanto por la inducción de fuerzas sobre componentes ferromagnéticos del marcapasos, como por la interferencia que las ondas electromagnéticas puedan ejercer sobre el funcionamiento eléctrico del aparato y la programación de éste. Dando por supuesto el conocimiento que se tendrá acerca de la existencia en su caso de trabajadores expuestos que sean portadores de marcapasos (situación que debe evitarse), es necesaria la información sobre la existencia de la radiación para personas sobre las que no se puede conocer esa característica individual, como es el caso de visitas ajenas a la empresa o empresas subcontratadas. La señalización de advertencia, según lo dispuesto en el Real Decreto 485/1997 de 14 de abril sobre Disposiciones mínimas en materia de señalización de seguridad y salud en el trabajo, que en su anexo III muestra el pictograma de advertencia sobre la existencia de radiaciones no ionizantes o mejor aún un pictograma sobre el riesgo para portadores de marcapasos.
Trabajadores especialmente sensibles a los riesgos
Los valores de referencia cuya adopción permite prevenir la aparición de efectos debidos a la exposición a RF-MO no están diseñados para la protección del embarazo, estados febriles, terapias con fármacos que afecten a la termorregulación o como se comentó anteriormente a portadores de marcapasos u otros dispositivos insertos cuyo funcionamiento pueda verse alterado por la interferencia de estas radiaciones. En esos casos la filosofía preventiva debe conducir a evitar la exposición.
Recomendación general
El todavía insuficiente conocimiento acerca de los posibles efectos de las radiaciones de RF-MO, debido entre otros factores al hecho de que se masifica el uso tecnologías que implican su presencia (p.e. telefonía móvil), aconseja evitar las exposiciones innecesarias. Este principio que se justifica sobradamente en el caso de radiaciones ionizantes, puede ser aplicable en este caso, mientras se despejan las dudas que todavía existen.

Margarisabel Velasco Salas
Comunicaciones De Radiofrecuencia
http://www.siafa.com.ar/notas/nota16/exposicion-radiofrec2.htm

Radiofrecuencias y microondas

Objetivo
Los principios físicos sobre los que se asienta la evaluación de las radiaciones electromagnéticas, las magnitudes a medir así como sus efectos sobre el ser humano, se relataron ya en la Nota Técnica de Prevención publicada anteriormente, y la mayor parte del contenido resiste el paso del tiempo, por lo que es conveniente su lectura previa a la de este documento. No obstante, la aparición de un criterio de valoración normalizado Norma ENV-50166/2 (Exposición humana a campos electromagnéticos de 10 kHz a 300 GHz) que entonces no existía, requiere hacer algunos comentarios de esta norma, que en principio puede ser una referencia en nuestro país para la evaluación de las exposiciones laborales o extralaborales. En la siguiente Nota Técnica de Prevención, se señalan algunas medidas de prevención aplicables a este tipo de exposiciones.
Aunque la denominación de las radiaciones según su frecuencia varía según diferentes clasificaciones, la mencionada norma abarca aquéllas cuya frecuencia se sitúa entre 10 kHz y 300 GHz. y las denomina Radiofrecuencias. En realidad abarca las bandas que habitualmente se denominan Radiofrecuencias (RF) y Microondas (MO)
Fundamentos de la evaluación
Restricciones básicas fisiológicas
La evaluación a través de esta norma se sostiene en el establecimiento de ciertas restricciones básicas fisiológicas, que son valores máximos de magnitudes que pueden ser generadas en el organismo expuesto a radiaciones RF-MO y que podrían ocasionar la aparición de efectos adversos para la salud. Las restricciones básicas en las que se basa la evaluación son:
Densidad de corriente inducida (J)
La presencia de un campo eléctrico en el interior del organismo generado por un campo eléctrico o un campo magnético externo variable en el tiempo induce una corriente eléctrica cuya densidad de corriente (J) es proporcional a los valores de la intensidad del campo eléctrico (E) o magnético (H) respectivamente y a la frecuencia según las expresiones siguientes:
J = k f E (1)
J = s r p f mH (2)
En la ecuación (1), k es un factor en el que interviene la forma, constitución y orientación de la masa sobre la que actúa E y f es la frecuencia en hercios.
En la ecuación (2), s es la conductividad del medio, r es el radio de la supuesta espira que atraviesa perpendicularmente el campo magnético, m es la permeabilidad magnética y f es la frecuencia de la variación sinusoidal de H.
Para la aplicación de la ecuación (1) se acepta un valor k = 10-8 S/Hz m (Siemens/Hercio metro). En la ecuación (2) se toma un valor de s = 0.6 S/m, un radio de 0.1 m y un valor de m = 4p10-7 H/m. Estos valores son aceptables para la zona del corazón.
Para frecuencias de valores entre 10kHz y 10 MHz, la corriente inducida no debe exceder del valor J = f/100 mA/m2 , con lo que aplicando las expresiones (1) y (2) nos arroja valores de E = 1000 V/m y H = 42.2 A/m.
Estos son los valores de referencia ambientales de las magnitudes medibles E y H que si no se sobrepasan cumplirán la Restricción Básica J.
Tasa de absorción específica o Specific Absortion Rate (SAR)
Los tejidos pueden ver incrementada su temperatura debido a la absorción de energía (en forma de calor) transmitida por las radiaciones electromagnéticas de frecuencias entre 10 kHz y 300 Ghz. Se establece preventivamente que el aumento de 1°C de la temperatura es el máximo aceptable para evitar efectos adversos para la salud (efectos térmicos). La energía necesaria para aumentar la temperatura de un cuerpo se puede expresar como:
Q = DT Ce m
siendo Q la energía necesaria para aumentar en DT la temperatura de un cuerpo de masa m y calor específico Ce.
La velocidad con que aumenta la temperatura será:
DT/Dt = Q m / Dt Ce
donde Q/Dt será la potencia calorífica necesaria, para generar tal gradiente de temperatura. Tal potencia expresada por unidad de masa se denomina SAR (especific absortion rate) y sus unidades son W/kg.
Ce DT/Dt = SAR (3)
Teniendo en cuenta la diferente composición de los tejidos que forman el organismo, también los valores de Ce son variables. Se sabe que un valor máximo de la SAR = 4 W/kg durante más de 6 minutos, promediado en todo el cuerpo, es suficiente para elevar 1°C la temperatura de los tejidos, por lo que se propone un valor máximo admisible (restricción básica) resultante de aplicar un coeficiente de seguridad de 10, esto es SAR£ 0.4 W/kg.
La SAR existente se puede calcular teóricamente a través de simulaciones complejas mediante diversos métodos que recoge la bibliografía, pero en la práctica es difícil obtener ese dato. Las ecuaciones básicas son, para la determinación de SAR además de la (3), las siguientes:
SAR = s (Ei)2 / r (4)
SAR = J2 / rs (5)
siendo s la conductividad en Siemens/m, r la densidad del tejido corporal en kg/m3, J el valor de la densidad inducida de corriente eléctrica en Amperios /m, y Ei el campo eléctrico en el interior del organismo, en Voltios/m, todos ellos referidos al tejido corporal correspondiente.
A partir del valor máximo aceptado de la SAR = 0.4 W/kg, se deducen los valores de intensidad del campo eléctrico y magnético externos que sirven de referencia como valores a no superar.
Al efectuar el promedio de la SAR en todo el cuerpo, podrían darse valores muy altos en zonas pequeñas sin superar por ello la media de 0.4 W/kg. En tal sentido no es tolerable cualquier valor local, por lo que se proponen limitaciones adicionales para proteger zonas poco refrigeradas, como son aquéllas pobremente vascularizadas (cristalino, testículos, etc.).
Las limitaciones adicionales a la SAR promedio, se refieren a pequeñas zonas del cuerpo (10 gramos de masa, supuesta forma de cubo) y se diferencian las manos, muñecas, pies y tobillos (SAR £ 20 W/kg) y resto de zonas del cuerpo (SAR £ 10 W/kg)
Absorción específica o Specific Absortion (SA)
Esta limitación a la energía disipada en muy cortos periodos de tiempo pretende prevenir efectos «auditivos» que aunque se consideran dentro de los posibles efectos generados por las RF como de bajo nivel, fueron ya, en los años 40, descritos por trabajadores expuestos a RF-MO, en lo que se llamaba coloquialmente «oír el radar» y que se traduce en silbidos o zumbidos.
La absorción de radiación de RFMO en un material dieléctrico, puede producir energía acústica a través de diferentes mecanismos entre los que se destacan la fuerza electrocompresiva (deformación elástica en presencia de un campo electromagnético) y tensión termoelástica (expansión debida al incremento de temperatura). Estos mecanismos pueden producir ondas de presión a nivel del oído interno que son interpretadas como un sonido. Parece demostrado que el aumento brusco de temperatura produce la expansión de fluidos del sistema auditivo (tensión termoelástica), con generación de ondas de presión, siendo éste el mecanismo más importante inductor de la sensación de ruidos. La intensidad de este mecanismo es función de la energía total recibida por pulso, cuando estos duran menos de 30 ms de duración.
Por este motivo se añade una restricción básica que se denomina Specific Absortion (SA) a SA = 10 mJ/kg que es la energía por unidad de masa máxima a recibir en radiación pulsada de 30 ms o menos. Este valor de energía equivale a una SAR de 333 W/kg (0.01 Julios/kg multiplicado por 30•10-6 segundos). La relación entre esta SAR para pulsos y la SAR máxima para larga duración promediada en todo el cuerpo (0.4 W/kg) es de 833. Dado que la SAR es función del cuadrado de los valores de E y H externos, se obtienen los valores de referencia máximos ambientales de E y H para pulsos, multiplicando los correspondientes a periodos de más de 6 minutos de duración por un factor próximo a 29 (raíz cuadrada de 833).
Valoración de los resultados
Valores de referencia ambientales
Son valores de las magnitudes medibles en el ambiente, intensidad del campo eléctrico (E) en V/m, intensidad del campo magnético (H) en A/m y densidad de potencia de la onda (S) en W/m2 . Las relaciones y medición de estas variables se explicó suficientemente en la nota publicada anteriormente. Los valores de referencia no deben ser sobrepasados pero se permite una ligera desviación en casos especiales cuando se demuestre que no se sobrepasan las restricciones básicas correspondientes. Esto se debe a que los valores de referencia se corresponden con los respectivos valores propuestos como máximos para las restricciones básicas teniendo en cuenta las situaciones más desfavorables (p.e. polarización de E y H mas desfavorable).
Los valores de referencia, que se muestran en las tablas 1 y 2, dependen de la frecuencia de las ondas y de la duración de la exposición. La tabla 1 muestra dichos valores para emisión continua y en la tabla 2 figuran los límites para la radiación pulsada de duración de los pulsos igual o menor de 30 microsegundos (ms).


Tiempo de exposición y ponderación temporal
Se denomina exposición continua si el tiempo de exposición t ³ 6 minutos y de corta duración si es t < 6 minutos.
Se distinguen así mismo las exposiciones a radiación pulsante en las que la duración de los pulsos es menor de 30 ms (1ms = 10-6 s). Además se valoran de forma distinta aquellas exposiciones de frecuencias menores de 700 kHz que duran igual o menos de 100 milisegundos.
La ponderación de las exposiciones en el tiempo se lleva a cabo de la siguiente forma: Cuando la duración de la exposición es igual o menor de 100 ms y la frecuencia es menor de 700 kHz, donde predomina el efecto debido a la corriente inducida, las magnitudes que intervienen son la intensidad del campo eléctrico (E) y la intensidad del campo magnético (H), y el tiempo de ponderación es de T = 0.1 segundos.
Los valores de E y H medios ponderados en el tiempo que deben utilizarse son respectivamente,

T= 0,1 s
Por encima de frecuencias de 38 kHz para el campo magnético y 610 kHz para el eléctrico, donde predomina el efecto debido a la SAR (efecto térmico), las magnitudes que tienen mayor importancia son los cuadrados de la intensidad del campo eléctrico (E) y la intensidad del campo magnético (H), y el tiempo de ponderación es de T = 6 minutos. Los valores medios de E, H ó S (densidad de potencia) deben ser comparados con los respectivos valores de referencia máximos (tabla 1).

Las magnitudes E, H ó S correspondientes a pulsos (T £ 30 ms) se valoran comparando directamente con los valores de referencia de la tabla 2.

Ejemplo de aplicación
Evaluar el riesgo higiénico debido a la presencia de radiación electromagnética de un individuo que controla el funcionamiento de un horno de secado mediante RF de frecuencia 27 MHz. Durante la mayor parte de la jornada se halla a 2 metros de distancia del horno debiendo aproximarse de vez en cuando para realizar breves intervenciones en la alimentación y descarga. De la observación del proceso se determina que en las peores condiciones (periodos de 6 minutos de máxima exposición) permanece 20 segundos junto al horno donde las mediciones ambientales arrojan valores de E = 140 V/m y H = 0.3 A/m, 200 segundos a 50 cm del horno donde E = 32 V/m y H = 0.07 A/m, y el resto (140 segundos) a 2 metros del horno, donde E = 15 V/m y H = 0.04 A/m.
A partir de las ecuaciones (8) y (9) se calcula:

De la tabla 1 se extraen los valores de referencia para f = 27 MHz, E = 61.4 V/m y H = 0.16 A/m. Se puede concluir que si las condiciones no varían no se superará la restricción básica de la SAR £ 0.4 W/kg establecida para los riesgos derivados del incremento térmico de los tejidos.
Exposiciones simultáneas a una o más fuentes
Estrictamente hablando, a frecuencias inferiores a 10 MHz los campos eléctricos y magnéticos son capaces de inducir corrientes eléctricas por lo que sus respectivas contribuciones deberían ser adicionadas. Para ello se suman los respectivos valores de las magnitudes intensidad del campo eléctrico (E) e intensidad del campo magnético (H) estandarizadas al valor límite (L i ) correspondiente según se indica en la tabla 1:


Debe tenerse en cuenta que los sumatorios indicados tienen en cuenta Ei y Hi si provienen de una sola fuente o de varias.
Por otra parte existirá aditividad respecto al valor final de la SAR (efecto térmico) de las radiaciones de frecuencias entre 10 kHz y 300 GHz y son las magnitudes E y H al cuadrado las que intervendrán por lo que se aplicará:

Como que a frecuencias entre 10 kHz y 10 MHz se solapan los efectos de inducción de corriente eléctrica y cesión de calor, se opta por el criterio más restrictivo en cada caso. Como norma que facilita la evaluación se utiliza la ecuación (11) para frecuencias menores de 700 kHz y las (12) y (13) para frecuencias superiores a ese valor.
La existencia de pulsos provenientes de diferentes fuentes de emisión se evalúa a través de las siguientes expresiones:


siendo Li los respectivos niveles de referencia para valores "pico" que se muestran en la tabla 2
Ejemplo de aplicación
En el servicio de rehabilitación de un hospital se utilizan diversas técnicas de diatermia para la aplicación localizada de calor a los pacientes. Se dispone en concreto de una unidad de terapia de onda corta con generador de 27 MHz que puede trabajar en continuo o en radiación pulsada cuyos impulsos duran 400 ms y cuya frecuencia de impulsos es de 200 Hz. Se dispone además de un generador de microondas de frecuencia de emisión f = 2450 MHz en modo continuo. Ambas unidades se hallan localizadas en compartimentos contiguos. Debido al reducido espacio de que dispone el Servicio de rehabilitación y a la acumulación los diferentes instrumentos se producen a menudo exposiciones en puntos cercanos a las unidades de RF y MO de forma que se simultanea la presencia de ondas de 27,12 MHz y 2450 MHz con valores medidos para la primera E = 40 V/m y H = 0,07 A/m en continuo y en forma de pulsos de E = 100 V/m y H = 0,2 A/m. Siendo para la segunda, de E = 70V/m y H = 0.08A/m. Dichas exposiciones pueden durar más de 6 minutos. Valorar el riesgo por exposición a radiaciones electromagnéticas del personal del servicio sometido a esas condiciones.
Ya que las frecuencias que intervienen son netamente superiores a 700k Hz predomina el efecto térmico por lo que la exposición depende de los valores E2 y H2 . Teniendo en cuenta lo indicado en cuanto a exposición a dos fuentes simultáneas (ecuaciones 12 y 13) y suponiendo dos situaciones diferentes:
CASO 1) Emisión simultanea de RF continua y MO

CASO 2) Emisión simultánea de RF pulsada y MO
El valor de E y H provenientes de la radiación RF pulsada de 27.12 MHz se obtiene del valor de esas magnitudes en los pulsos la duración del pulso y la frecuencia de repetición de los pulsos, teniendo en cuenta además, que la exposición se pondera en 6 minutos, pero que el valor de la media de E y H se mantiene en ciclos de 1 segundo:

Los pulsos duran más de 30 ms, por lo que se valora en función de los valores de la tabla 1. Aunque el tiempo por pulso es menor de 100ms, la frecuencia de las ondas es netamente superior a 700 kHz, por lo que la valoración es por efecto térmico.
Aplicando las ecuaciones 12 y 13

De lo que se concluye que no se superan los valores de referencia en las condiciones mencionadas. Deberán evitarse no obstante, las exposiciones de trabajadores que debido a sus condiciones individuales no se pueda garantizar su seguridad con los valores de referencia aplicados (p.e embarazo, enfermedad, marcapasos, etc.)


Margarisabel Velasco Salas
Comunicaciones De Radiofrecuencia
http://www.siafa.com.ar/notas/nota15/exposicion-radiofrec1.htm

Radiofrecuencias y microondas

Introducción

Esta nota técnica tiene por objeto dar a conocer el riesgo que puede existir por la exposición de personas a campos electromagnéticos de radiofrecuencias o microondas (RF-MO), así como, algunos criterios y recomendaciones básicas para su evaluación.

Los límites de exposición en que se han basado estos criterios de evaluación, proceden de la publicación realizada en su día por el International Non-lonizinq Radiation Committee of the International Radiation Protection Association (IRPA/INIRC), a cuya consulta queda emplazado el lector para un completo tratamiento del tema.

Las medidas de prevención y protección frente a estos riesgos serán objeto, de otra nota técnica de prevención.
Características físicas

Una onda electromagnética está formada por una componente eléctrica
(intensidad de campo magnético v/ m). estos vectores son perpendiculares entre sí y a su vez, perpendiculares respecto a la dirección de propagación de la onda. al producto vectorial de estas dos componentes s=
se le conoce como vector de poynting que representa a la densidad de potencia de la onda (w/m2).


Fig. 1: Representación de una onda electromagnética

El valor medio del vector de Poynting de una onda plana puede expresarse como:

donde:

k vector unitario de la dirección de propagación

E = valor eficaz de la intensidad de campo eléctrico

H = valor eficaz de la intensidad de campo magnético
Frecuencia. Longitud de onda. Energía fotónica

Los campos eléctricos y magnéticos de una radiación varían sinusoidalmente a una frecuencia f (Hz).

La velocidad a que se desplazan las radiaciones electromagnéticas depende de las constantes físicas: permitividad Î (F/m) y permeabilidad µ (H/m) del medio. En el aire se cumple:


Îo = permitividad absoluta del aire = 10-9 / 36 p farad/m

µo = permeabilidad absoluta del aire = 4 p · 10-7 henry/m

La velocidad (v), la frecuencia (f) y la longitud de onda (l) están relacionadas por la ecuación:

l = v/f

En la tabla 1 se indican las frecuencias y longitudes de onda en el vacío para las distintas bandas del espectro electromagnético.


Tabla 1: Espectro de radiaciones electromagnéticas

Según la teoría cuántica a cada onda electromagnética le corresponde un fotón cuya energía vale

W = hf .

h = 6,63 · 10-34 Js (cte. de Planck)

f = Frecuencia de la radiación (Hz)

La energía fotónica de las radiaciones RF - MO varía entre 1,24 - 10-9 eV y 1,24 - 10-3 eV, resultando insuficiente para alterar estructuras moleculares. Para ello se precisa una energía diez mil veces mayor (12,4 eV) que se alcanza dentro de la banda ultravioleta (1 eV = 1,602 - 10-19 J).

Por consiguiente las radiaciones RF-MO junto con las infrarrojas, luz visible y una parte de ultravioletas son RADIACIONES NO IONIZANTES.

Reflexión, Absorción. Transmisión

Las radiaciones electromagnéticas pueden ser absorbidas, reflejadas o transmitidas por la materia.


Fig. 2: Reflexión, absorción y transmisión de una onda al pasar, de un medio, a otro electromagnéticamente distinto

La frecuencia de la radiación junto con algunas características del medio material (conductividad, permitividad constante dieléctrica, tamaño, espesor) determinan los grados de absorción, reflexión y transmisión.

En el caso de tejidos animales que interaccionan con radiaciones de RF-MO suelen darse en mayor o menor grado los tres fenómenos.

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 a la distancia en que las amplitudes de los campos eléctricos y magnéticos se reducen por el coeficiente e-1 (36,7%), o, la densidad de potencia se reduce por e-2 (13,5%), respecto de los valores en la superficie. (Tabla 2)

Tabla 2: Penetración de las RF-MO en medios biológicos
Campo próximo y campo lejano

En la proximidad de un elemento radiante (campo próximo, Zona de Fresnel) normalmente se desconoce la fase y la relación existente entre los vectores de campo eléctrico y de campo magnético

La densidad de potencia oscila rápidamente con la distancia al elemento radiante, lo que la hace inoperante para definir las características del campo electromagnético en esa zona.

Por consiguiente será necesario medir por separado cada una de las componentes para poder definir el campo electromagnético. (Fig. 3)

Fig. 3: Representación gráfica de E y H en campo próximo y campo lejano

La distancia mínima (d) respecto del elemento radiante, que se extiende al campo próximo es una longitud de onda (l). Si el tamaño (a) del elemento radiante es mucho mayor que l, esa distancia puede verse aumentada hasta 2a2/l. A mayor distancia del elemento radiante (campo lejano, Zona de Fraunhofer) los campos eléctricos y magnéticos están en fase y los módulos de los vectores que los representan se relacionan por la expresión:

donde

Zo es constante y se la denomina impedancia espacial.

La densidad de potencia S de la radiación por ángulo sólido es constante y se puede utilizar para medir y definir las exposiciones. En esta zona basta con realizar una sola medición de E, H ó S para poder calcular las otras dos sabiendo que:

S = E 2 / 120 p = H 2 120 p (W/m2)
Efectos biológicos

Como resultado de una amplia labor investigadora basada en experimentación animal, en modelos humanos artificiales, o en estudios epidemiológicos de personas expuestas, la literatura científica cita diversos efectos producidos en los seres vivos que se exponen a campos electromagnéticos de RF-MO y que se clasifican según su origen en efectos térmicos y efectos no térmicos.
Efectos térmicos

Los principales son: hipertermia, quemaduras, cataratas y esterilidad.

La absorción de la energía electromagnética por los tejidos y su inmediata conversión en calor produce incrementos de temperatura en el interior del cuerpo. A diferencia de una exposición a radiaciones solares o de infrarrojos en que el calor se genera en la superficie, en una exposición a RF-MO, debido a su poder penetrante, el calor también se genera en los tejidos profundos.

Si estos incrementos de temperatura no pueden ser compensados por los mecanismos de termorregulación corporales, como son la vascularización interna y la evaporación del sudor, se produce la hipertermia y el estrés térmico.

Se citan casos de animales que han muerto por hipertermia en exposiciones a varios miles de mW/cm2 y otros casos en que se han encontrado lesiones en órganos internos después de exposiciones de larga duración en campos menos intensos.

En el hombre y en los animales son especialmente sensibles a los efectos térmicos las partes transparentes de los ojos que por su bajo riego sanguíneo disipan muy mal el calor.

Un incremento de temperatura en estas partes puede producir una inhibición del proceso de mitosis y diferenciación celular en el cristalino con la consiguiente aparición de cataratas.

Una elevación prolongada de temperatura en los testículos, que en condiciones normales permanecen a 4ºC por debajo de la temperatura corporal, podría dañar a las células germinales.
Efectos no térmicos

Ciertos transtornos se observan sin que medie un incremento significativo de temperatura y por ello se les atribuye un origen no térmico. En estos casos no siempre queda establecida una correlación entre el efecto y la dosis de radiación recibida y, en general se admite que los conocimientos en este terreno deben ser ampliados en un futuro inmediato.

Algunos de estos efectos son:

*

Alteraciones celulares, cromosómicas y genéticas.
*

Alteraciones del ritmo cardíaco y de la tensión arterial.
*

Alteraciones del encefalograma.
*

Efectos endocrinos y neuro endocrinos.
*

Efectos hematopoyéticos.
*

Efectos sobre la audición.
*

Efectos sobre la reproducción y el desarrollo.
*

Aumento del eflujo de calcio.
*

Cambios de comportamiento en los individuos.

Aplicaciones

El uso de RF-MO ha estado tradicionalmente asociado a las telecomunicaciones. Ha sido en las últimas décadas cuando se ha extendido de forma creciente a procesos industriales, actividades médicas y científicas, e incluso domésticas, de forma que en la actualidad sus aplicaciones son innumerables y están basadas en las propiedades de transmitir información, de detectar la presencia de objetos y cambios en el medio, o en producir calor.

Los equipos generadores pueden tener una potencia desde fracciones de watt en el caso de algunas transmisiones hasta centenares de kW en procesos industriales de secado, emisoras de radiodifusión o estaciones de radar. Las principales aplicaciones industriales son:
Calentamiento por inducción

El calentamiento se produce por exposición de metales a campos magnéticos intensos. Las frecuencias son de 10 Hz a varios MHz y las potencias de 1 kW a 5000 kW.

Cabe citar las operaciones de soldadura, recocido, temple, secado de metales pintados, etc.
Calentamiento por histéresis dieléctrica

El calentamiento se produce por exposición de materiales aislantes a campos eléctricos intensos.

Las frecuencias utilizadas suelen ser 13,56 MHz-27,12 MHz-40,68 MHz y las potencias de 500 W a 200 kW.

Cabe citar la soldadura, fusión y reblandecimiento de plásticos.

Límites de exposición
Límites básicos

Normalmente los límites básicos de exposición a RF-MO suelen establecerse sobre la energía electromagnética absorbible por una masa biológica en un tiempo determinado.


Tabla 3: Límites básicos de exposición a RF-MO (IRPA/INIRC)

A esta magnitud se le denomina:

*

TAE Tasa de Absorción Específica.
*

SAR Specific Absortion Rate.
*

DAS Débit d'Absortion Spécifique.

y se expresa en watt por kilogramo (W/kg o J·kg -1·S-1)

La TAE puede ser promediada sobre toda la masa de un cuerpo expuesto o sobre cualquiera de sus partes. También puede promediarse en todo el tiempo de exposición, en un pulso, o en un período modulado de radiación.

Los límites básicos también pueden expresarse, para frecuencias inferiores a 10 MHz, en términos de E (V/m) y de H (A/m).

Según ANSI C95.1-1982 (2), se consideró, tras una minuciosa revisión de la bibliografía científica, que no había observación de efectos adversos en experimentación animal para exposiciones por debajo de 4 W/kg. Tomando un coeficiente de seguridad de 10, fija los límites de exposición laboral en una TAE media para todo el cuerpo de 0,4 W/kg y de 8 W/kg para cualquier gramo de tejido, promediados en cualquier período de 6 minutos. Consecuencia de ello es que se permiten cortas exposiciones a campos intensos.

El calor que genera un individuo en reposo (calor basal) equivale a una potencia específica media aproximada de 1,2 W/kg. Si el individuo realiza un trabajo pesado este valor puede ser hasta cinco veces superior.

Con un incremento medio de 0,4 W/kg se espera evitar tanto los efectos adversos irreversibles como el agotamiento por calor de los individuos expuestos.

Límites operativos

Dado que la TAE no es medible si no es en condiciones de laboratorio, se establecen normalmente unos límites operativos, que se expresan en unidades de E, H ó S correspondientes a una onda plana en el aire, que produciría en el cuerpo expuesto una TAE bastante aproximada a la fijada como límite básico.

Actualmente en España, en ausencia de legislación específica vinculante, y ante la necesidad de controlar las exposiciones a RF-MO puede recurrirse a diversas normas publicadas por entes científicos de todo el mundo.

En las tablas 4 y 5 se exponen los límites de exposición de RF-MO fijados por el IRPA/INIRC 1983

Tabla 4: Límites operativos de exposición laboral a RF-MO (IRPA/INIRC 1983)

f = frecuencia en MHz
Para ondas planas, estos valores implican una TAE » 0,4 W/kg.
Para f > 10 MHz pueden sobrepasarse los límites indicados (en aplicaciones específicas) si se garantiza que la TAE permanece por debajo de los límites básicos de exposición a RF-MO (IRPA/INIRC).
Para f < 10 MHz pueden sobrepasarse los límites indicados hasta 615 V/m y 1,6 A/m si se toman medidas para evitar las quemaduras de R.F.
* Valores apuntados a título indicativo, no deben utilizarse para valorar exposiciones.

Tabla 5: Límites operativos de exposición del público en general a RF-MO (IRPA/INIRC 1983)

f = frecuencia en MHz
* Valores apuntados a título indicativo, no deben utilizarse para valorar exposiciones.

Tabla 6: Límites operativos de exposición expresados en densidad de potencia según IRPA/INIRC 1983, ACGIH 1989-90, ANSI 1982

Los límites de exposición indicados son válidos para exposiciones de cuerpo entero a campos electromagnéticos modulados o no, aunque provengan de una o más fuentes.

Los conocimientos actuales acerca de exposiciones parciales o totales del cuerpo, indican que para ambos casos deben adoptarse los mismos límites.

Aunque la exposición total del cuerpo en un corto periodo de tiempo a densidades de potencia hasta 10 veces superior a los valores indicados en las tablas no deberían producir efectos adversos, es muy recomendable que las exposiciones se mantengan por debajo de los límites indicados.

Evaluación del riesgo de exposición

Los criterios de evaluación que se indican a continuación intentan resumir la aplicación de los límites operativos de exposición a RF-MO establecidos por IRPA/INIRC para exposiciones laborales y de público en general tanto para laborales y de público en general tanto para campos permanentes modulados o no, como para campos pulsantes.

Campos permanentes modulados o no

Tabla 6: Datos básicos para valorar exposiciones a campos de una o varias frecuencias

f = cada una de las frecuencias existentes en el lugar que se valora.
tf = tiempo de exposición para cada frecuencia dentro del período de 6 minutos que se considera.
Ef, Hf, Sf = magnitudes de campo medidas en cada frecuencia.
LEf,LHf, LSf = valores límites establecidos para cada una de las frecuencias.
Campos pulsantes

Debido a que actualmente se dispone de poca información acerca de la relación existente entre efectos biológicos y valores de pico de campos pulsantes, se recomienda que, para todas las frecuencias, los valores instantáneos no excedan en 100 veces los valores indicados en las tablas. Además tampoco deben exceder los límites indicados, cuando se promedien en cualquier período de seis minutos.

Tabla 7: Criterios para la evaluación del riesgo de exposición a campos de RF-MO no pulsantes
Medición

Para poder evaluar el riesgo de exposición a radiaciones electromagnéticas de RF-MO es preciso conocer las magnitudes H, E, ó S de los campos existentes en la proximidad del individuo.

Las estimaciones de cálculo partiendo de las características de la fuente y de otros condicionantes ambientales resultan engorrosos y, en ocasiones, poco fiables, por lo que en la práctica se impone la realización de mediciones de radiación con el instrumental adecuado.

Estos equipos constan de un aparato medidor y un conjunto de varias sondas intercambiables que deben conectarse en cada caso según la frecuencia y la componente del campo que se pretenda medir.

Por lo general estas sondas actúan a modo de antena y son sensibles sólo a una de las componentes o del campo y la magnitud que indica el instrumento es el módulo de la densidad de potencia de la radiación.

Cuando sea preciso, la transformación de E ó H a densidad de potencia S, o viceversa, puede realizarse fácilmente a partir de las siguientes expresiones:


Margarisabel Velasco Salas
Comunicaciones De Radiofrecuencia
http://www.siafa.com.ar/notas/nota14/exposicion-radiofrec.htm

EXPERIMENTOS CON MICROONDAS

            OBJETIVOS:

            En esta práctica nos familiarizaremos con la microondas y su interacción con materiales conductores y dieléctricos. Reparemos en un paralelismo absolutos con el comportamiento de la luz visto en óptica, salvando la longitud de onda con la que trabajamos:  

DETERMINACIÓN DE LA POLARIZACIÓN DEL CAMPO ELECTROMAGNÉTICO, EN LA BANDA DE MICROONDAS, EMITIDO POR UNA ANTENA DE BOCINA: 

            Determinaremos antes de nada qué tipo de polarización que caracteriza las microondas emitidas por la antena de bocina que usaremos como generador.

            Para ello mediremos con una sonda la amplitud del campo eléctrico en las direcciones vertical y horizontal contenidas en un plano perpendicular a la dirección de emisión de la antena. Colocando la sonda a 30 Cm. de la antena y en frente de esta, leemos un voltaje proporcional al campo eléctrico en ese punto. Los valores medidos resultaron ser: 

            En principio, este resultado correspondería con una polarización elíptica, con el eje mayor orientado verticalmente y muy excéntrica. Sin embargo, dado que la medida del campo horizontal es del mismo orden que el ruido captado por la sonda, consideraremos que la antena emite microondas polarizadas linealmente en la dirección de la vertical.

 
COMPROBACIÓN DE LA LEY DE MALUS:

            La ley de Malus nos dice qué intensidad se transmitirá a través de un polarizador lineal cuando incide sobre él una onda electromagnética. Viene dada por la expresión:

    (1)

 donde I es la intensidad que emerge del polarizador, I₀ la intensidad que incide sobre él y es el ángulo que forma el plano de polarización del polarizador y el plano del campo eléctrico incidente.

            Hay que hacer notar que la escala de ángulos del polarizador usado estaba desplazado 90º, por lo que si llamamos al ángulo medido directamente, debemos trabajar con la expresión:

    (2)

            Hay otra consideración más: la sonda sólo detecta la componente que vibra en el plano en que se encuentra esta, por lo que en la práctica la intensidad del campo eléctrico que entra en juego es sólo una de sus componentes. Si E_T es el campo total que incide en el polarizador, la componente del campo que debemos tener en cuenta será: 

  (3)

            Ademas, la intensidad viene dada por el cuadrado del campo eléctrico, por lo la intensidad a tener en cuenta será I₀', relacionada con I₀ mediante la expresión:

    (4)

            Usando esta expresión en (2) nos da:

    (5)

            Introduzcamos ahora el polarizador entre la antena y la sonda y midamos el voltaje suministrado por esta para distintos ángulos del polarizador. Las medidas son:

(grados)	VOLTAJE (V)	V/Vmax	sen^4()
0	0.37	0.27	0.00
10	0.36	0.26	0.00
20	0.33	0.24	0.01
30	0.45	0.32	0.06
40	0.63	0.45	0.17
50	0.77	0.55	0.34
60	1.01	0.73	0.56
70	1.20	0.86	0.78
80	1.35	0.97	0.94
90	1.39	1.00	1.00
100	1.25	0.90	0.94
110	1.04	0.75	0.78
120	0.71	0.51	0.56
130	0.59	0.42	0.34
140	0.44	0.32	0.17
150	0.30	0.22	0.06
160	0.36	0.26	0.01
170	0.36	0.26	0.00
180	0.29	0.21	0.00

            Podemos representar ahora gráficamente el voltaje normalizado y    sen⁴() frente al ángulo: 

            Podemos considerar, dada la casi coincidencia de ambas curvas, que la ley de Malus se cumple. Las irregularidades observadas para los casos en que el voltaje medido es pequeño, se deben al gran ruido de fondo. 

            Repitamos ahora todo el proceso pero colocando la sonda horizontalmente. Ahora el ángulo medido es directamente el referido en la expresión (1) (ley de Malus). Debemos hacer también las mismas consideraciones respecto al campo, por lo que la formula que debemos usar ahora viene de combinar (1) y (4):

  (6)

            En esta ocasión, procediendo igual que antes, pero con la sonda horizontal, obtenemos: 

(grados)	VOLTAJE (V)	V/Vmax	sen^2() * cos^2()
0	0.19	0.54	0.00
10	0.23	0.66	0.03
20	0.33	0.94	0.10
30	0.32	0.91	0.19
40	0.35	1.00	0.24
50	0.33	0.94	0.24
60	0.27	0.77	0.19
70	0.23	0.66	0.10
80	0.20	0.57	0.03
90	0.19	0.54	0.00
100	0.21	0.60	0.03
110	0.26	0.74	0.10
120	0.30	0.86	0.19
130	0.33	0.94	0.24
140	0.30	0.86	0.24
150	0.28	0.80	0.19
160	0.24	0.69	0.10
170	0.25	0.71	0.03
180	0.14	0.40	0.00

            Representemos el voltaje normalizado y sen²() * cos²() frente al ángulo :

 

            Podemos comprobar que en este caso, salvo las diferencias debidas a errores explicadas antes, también hay una correspondencia entre la expresión teórica y los datos experimentales.

 DISTRIBUCIÓN DEL CAMPO DELANTE DE LA ANTENA: 

            Esta parte consiste en hacer medidas del campo eléctrico enfrente de la antena a distintas distancias de esta. La sonda debe estar en posición vertical, ya que así es la polarización de la onda emitida.

            Los resultados se presentan en la siguiente tabla:

DISTANCIA (metros)	VOLTAJE (V)	V/Vmax
0.10	5.92	1.00
0.14	4.29	0.72
0.18	3.35	0.57
0.22	2.65	0.45
0.26	2.11	0.36
0.30	1.59	0.27
0.34	1.64	0.28
0.38	1.14	0.19
0.42	1.17	0.20
0.46	0.90	0.15
0.50	0.97	0.16
0.54	0.84	0.14
0.58	0.78	0.13
0.62	0.65	0.11
0.66	0.74	0.13
0.70	0.51	0.09
0.74	0.61	0.10
0.78	0.50	0.08
0.82	0.44	0.07

            Representamos ahora el voltaje normalizado frente a la distancia: 

            Podemos apreciar que la intensidad del campo se reduce con la distancia más rápido que con una función de tipo lineal. Aunque la imprecisión de los datos no permite calcular una función de ajuste a los datos compatible con la teoría, apreciamos una similitud con una expresión del tipo I = A + B/r² tal y como cabría esperar. 

DISTRIBUCIÓN TRANSVERSAL DEL CAMPO: 

            Vamos a estudiar cual es la distribución del campo en un plano perpendicular a la dirección de emisión de la antena. Para ello colocaremos la sonda a una distancia dada de la antena, frente a ella, tomamos medidas del campo en un plano perpendicular. Asignaremos al punto frente a la antena el valor cero y mediremos distancias a partir de él, negativas hacia un lado y positivas hacia el otro.

            La experiencia se realizó para dos distancias diferentes de la antena. Una a 0.1 metros y otra a 0.2 metros. Como de costumbre expondremos en una tabla los resultados obtenidos así como la normalización del voltaje medido.

            Para el caso de la sonda colocada a 0.1 metros de la antena obtenemos: 

DISTANCIA (metros)	VOLTAJE (V)	V/Vmax
-0.40	0.23	0.04
-0.36	0.21	0.04
-0.32	0.23	0.04
-0.28	0.23	0.04
-0.24	0.24	0.04
-0.20	0.30	0.05
-0.16	0.36	0.06
-0.12	0.58	0.10
-0.08	1.60	0.28
-0.04	4.03	0.71
0.00	5.68	1.00
0.04	3.48	0.61
0.08	1.29	0.23
0.12	0.41	0.07
0.16	0.28	0.05
0.20	0.27	0.05
0.24	0.23	0.04
0.28	0.20	0.04
0.32	0.19	0.03
0.36	0.19	0.03
0.40	0.34	0.06

 
            Hagamos ahora la gráfica correspondiente:

            Tal como cabría esperar la distribución de intensidad presenta un pico muy acusado en las proximidades del eje de emisión de la antena, amortiguándose rápidamente a medida que nos alejamos de él. 

            Hagamos ahora lo mismo para la distancia de 0.2 metros. La tabla queda:

DISTANCIA (metros)	VOLTAJE (V)	V/Vmax
-0.40	0.26	0.90
-0.36	0.23	0.79
-0.32	0.20	0.69
-0.28	0.20	0.69
-0.24	0.17	0.59
-0.20	0.22	0.76
-0.16	0.22	0.76
-0.12	0.20	0.69
-0.08	0.18	0.62
-0.04	0.17	0.59
0.00	0.29	1.00
0.04	0.24	0.83
0.08	0.21	0.72
0.12	0.19	0.66
0.16	0.16	0.55
0.20	0.14	0.48
0.24	0.12	0.41
0.28	0.11	0.38
0.32	0.10	0.34
0.36	0.08	0.28
0.40	0.04	0.14

            Y el gráfico correspondiente: 

            En esta ocasión, los resultados son sorprendentemente incoherentes, puesto que la gráfica ni tan siquiera es simétrica respecto al valor marcado por la distancia 0. Ello se debe, con total seguridad, al ello de que a una de 0.2 m de la antena, los valores del campo ya son suficientemente pequeños como para tener un valor comparable con el ruido de fondo existente en el laboratorio, por lo que son enmascarados. 

ONDAS ESTACIONARIAS Y CALCULO DE LA LONGITUD DE ONDA: 

            Si colocamos una placa metálica (aluminio) en frente de la antena de bocina, las ondas emitidas por esta rebotará, produciéndose una reflexión. En el espacio existente entre la antena y la paca, se superpondrán la onda incidente y "rebotada". Estas dos señales poseen exactamente las mismas características (excepto amplitud), salvo que se propagan en sentido contrario. Esto hace que entre la antena y la placa se forme una onda estacionaria.

            Empleando la sonda, y con ayuda de papel milimetrado, hagamos ahora una colección de medidas del campo eléctrico en esta zona (contenidas en el eje de emisión). Obtenemos (las distancias se toman a partir de la antena):

PUNTO Nº	DISTANCIA (metros)	VOLTAJE (V)
1	0.050	0.16
2	0.055	0.24
3	0.060	0.17
4	0.065	0.15
5	0.070	0.26
6	0.075	0.13
7	0.080	0.25
8	0.085	0.13
9	0.090	0.21
10	0.095	0.18
11	0.100	0.14
12	0.105	0.21
13	0.110	0.20
14	0.115	0.10
15	0.120	0.20
16	0.125	0.16
17	0.130	0.16
18	0.135	0.18
19	0.140	0.15
20	0.145	0.22
21	0.150	0.12

 
            Si representamos ahora el voltaje frente a la distancia, obtenemos la "forma" de la onda:

 

            De nuevo, debido al ruido de fondo, la representación no es muy buena, pero podemos usarla para calcular la longitud de onda con la que estamos trabajando. Para ello reparemos en que se dan máximos en los puntos nº 2, 5, 7, 9 y 12, (los siguientes ya están demasiado enmascarados por el ruido, la forma de la onda es muy irregular, y no los tendremos en cuenta). Las operaciones a realizar ahora son las siguientes:

            Se resta la distancia de cada máximo de la distancia del máximo siguiente. Esto nos dará la semilongitud de onda (/2) de la señal, que debemos multiplicar por dos para hallar . Quedando:

DISTANCIA DE MÁXIMO (m)	DISTANCIA DE MÁXIMO SIGUIENTE (m)	DIFERENCIA (/2)	(m)
0.055	0.070	0.015	0.030
0.070	0.080	0.010	0.020
0.080	0.090	0.010	0.020
0.090	0.105	0.015	0.030

            A la vista de estos datos, consideraremos que el resultado buscado es la media de los que aquí calculamos. Obtenemos:

 = 0.025 m 

            O, lo que es lo mismo, una frecuencia de: 

f = 12 GHz

            Este resultado es coherente con la banda electromagnética correspondiente a las microondas. 

PROPAGACIÓN DE MICROONDAS EN DIELÉCTRICOS: 

            Mediremos ahora el índice de refracción de un dieléctrico, en nuestro caso PVC. El método experimental es el siguiente: Colocamos una plancha de aluminio frente a la antena (a 0.5 m), de tal forma que se forme una onda estacionaria, y buscamos con la sonda un mínimo de esta. A esta distancia la llamaremos X1. Posteriormente, colocamos a la misma distancia (0.5 m) un bloque de PVC de espesor d = 0.02 m, e, inmediatamente después, pegada a ella, la lámina metálica. De nuevo se forma una onda estacionaria, pero el mínimo que habíamos encontrado se desplaza, debido a la presencia del dieléctrico, a una distancia X2. Tenemos: 

X1 = 0.65 m

X2 = 0.63 m

D = X1 - X2 = 0.02 m

            El índice de refracción del PVC puede ser calculado ahora aplicando la expresión:

 

 Lo que nos de el valor de:

 n = 2

            Este valor es del mismo orden que el esperado, ya que según los guiones 1<n<2.

 DIFRACCIÓN DE MICROONDAS EN UN BORDE:

            Colocamos la placa de aluminio perpendicular al eje de emisión de la antena, pero de forma que sólo cubra un lado de este. Luego medimos con la sonda a lo largo de otro plano, también perpendicular al eje de emisión, pero más alejado.

            La placa se colocó a 0.1 m de la antena, y el plano donde se tomaron las medidas, a 0.24 m. Las distancias de los lugares de medidas transversales se tomaron negativas en el lado cubierto por la placa, y positivas hacia el otro. Los resultados fueron:

DISTANCIA TRANSVERSAL (M)	VOLTAJE (V)
-0.11	0.094
-0.10	0.088
-0.09	0.080
-0.08	0.092
-0.07	0.088
-0.06	0.062
-0.05	0.055
-0.04	0.087
-0.03	0.074
-0.02	0.145
-0.01	0.140
0.00	0.047
0.01	0.080
0.02	0.090
0.03	0.090
0.04	0.099
0.05	0.100

 
            Si representamos ahora el voltaje frente a la distancia transversal: 

            En esta gráfica puede apreciarse fácilmente como el máximo de intensidad se encuentra desplazado hacia la parte cubierta por la placa metálica (parte negativa). Este fenómeno, producido en este caso por la presencia de un borde, se denomina difracción. 

DIFRACCIÓN DE MICROONDAS EN UNA RENDIJA SENCILLA: 

            Colocamos dos placas metálicas en un plano perpendicular al eje de emisión de la antena, pero dejando entre ellas, y frente a la antena, una separación que formará una rendija. A continuación, empleando la sonda, mediremos la intensidad del campo tras las placas, en una semicircunferencia con centro en la rendija, que nos permitirá monitorizar la distribución angular de la intensidad. 

            Las placas se situaron a 0.2 m de la antena. El radio de la circunferencia fue de 0.5 m.

            Se hicieron medidas para rendijas de 0.04 y 0.06 m de anchura, obteniéndose:

		D = 0.04 m			D = 0.06 m
	ÁNGULO (grados)		VOLTAJE 1 (V)	V1/Vmax		VOLTAJE 2 (V)	V2/Vmax
	-70		0.130	0.395		0.124	0.182
	-60		0.166	0.505		0.125	0.184
	-50		0.161	0.489		0.130	0.191
	-40		0.166	0.505		0.133	0.196
	-30		0.170	0.517		0.202	0.297
	-20		0.205	0.623		0.284	0.418
	-10		0.247	0.751		0.405	0.596
	0		0.286	0.869		0.580	0.853
	10		0.329	1.000		0.680	1.000
	20		0.290	0.881		0.666	0.979
	30		0.246	0.748		0.514	0.756
	40		0.205	0.623		0.348	0.512
	50		0.211	0.641		0.204	0.300
	60		0.190	0.578		0.128	0.188
	70		0.156	0.474		0.124	0.182

            Podemos ahora representar los voltajes normalizados frente al ángulo: 

            Según la óptica geométrica, las ondas deberían formar un patrón de interferencia en el que los máximos y mínimos vendrán dados por:

con n = 1, 3, 5, .... para los máximos y n = 0, 1, 2, 3, .... para los mínimos. 

            Lamentablemente, en la gráfica no podemos apreciar nada de esto. En este caso el ruido de fondo y los errores de medida han dado al traste con esta parte de la experiencia.  

DIFRACCIÓN DE MICROONDAS EN UN OBSTÁCULO: 

            Se trata ahora de colocar la placa de aluminio frente a la antena (a 0.2 m de ella), y medir con la sonda en puntos de un plano transversal (a 0.4 m de la antena). Como siempre, se toma el 0 frente a la antena, y valores negativos y positivos a un lado y al otro. 

            Las medidas fueron: 

DISTANCIA (m)	VOLTAJE (V)
-0.15	0.109
-0.14	0.115
-0.13	0.130
-0.12	0.120
-0.11	0.102
-0.10	0.104
-0.09	0.105
-0.08	0.106
-0.07	0.094
-0.06	0.064
-0.05	0.057
-0.04	0.062
-0.03	0.065
-0.02	0.073
-0.01	0.078
0.00	0.129
0.01	0.138
0.02	0.138
0.03	0.114
0.04	0.103
0.05	0.097
0.06	0.104
0.07	0.083
0.08	0.070
0.09	0.083
0.10	0.082
0.11	0.090
0.12	0.067
0.13	0.066
0.14	0.105
0.15	0.100

            La representación gráfica correspondiente:

            Lo que cabría esperar, con la teoría de la difracción en la mano, sería un pico central con mínimos a los lados. El enmascaramiento de los datos por el ruido hace de nuevo que fracase esta experiencia. 

            En general, en los últimos 3 apartados, dedicados a difracción, los resultados no son concluyentes, dado que el ruido de fondo existente en el laboratorio hace que el error cometido al tomar las medidas sea demasiado grande. 

LEY DE LA REFRACCIÓN:

            Tal y como se ve óptica, cuando una onda atraviesa la frontera entre dos medios, cambia de dirección según la expresión: 

donde n₁ y n₂ son los índice de refracción de cada medio y y son los ángulos que la dirección de la onda forma con la normal.

            Pegando a la antena un recipiente semicilindrico lleno de arena, con la parte redonda graduada en ángulos, podíamos medir, empleando la sonda, los ángulos de entrada y salida. Sabiendo que n₁ = 1 (aire), podemos calcular n₂ sin más que despejar: 

            Los resultados son: 

(grados)	(grados)	n2
10	5	1.99
20	10	1.97
30	15	1.93
40	17	2.20
50	22	2.04

            La media de los resultados es:

n₂ = 2.03

            Este resultado es aceptable, por lo que hemos comprobado la validez de la ley de la refracción aplicada a las microondas. 

EFECTO FOCALIZADOR DEL CUARZO:

            Empleando un recipiente de plástico con forma de lenteja lleno de arena de cuarzo, a modo de lente, encontramos que si colocamos la sonda a 0.72 m de la antena medimos un voltaje de 0.26 V. Si ahora interponemos la lente entre la sonda y la antena, a 0.5 m de esta, el voltaje sube hasta 3.9 V: Hemos demostrado que las microondas pueden focalizarse. 

REFLEXIÓN TOTAL DE MICROONDAS: 

            Para un cierto ángulo de incidencia, cuando una onda pasa de un medio denso a otro de menor densidad, se produce reflexión total. Si el medio poco denso es el aire, este ángulo se calcula teóricamente como: 

donde n es el índice de refracción del medio más denso. Antes habíamos calculado el valor de n para la arena de cuarzo (apartado anterior) es 2.03.

Por tanto, teóricamente, = 60º aproximadamente. 

            Midamos ahora este ángulo de forma empírica. Para ello usaremos el semicilindro lleno de arena pegado a la antena. Buscamos con la sonda el máximo de la onda reflejada. Llamamos al ángulo de entrada, y ' al ángulo en que se mide el rebote. Las medidas fueron: 

	'	VOLTAJE (V)
10	20	0.66
20	35	0.40
30	40	1.05
40	50	2.30
50	60	3.30
60	70	5.30
70	70	2.60
80	80	1.40

            Apreciamos que el ángulo de entrada para el que se produce una salida máxima es de 60º, lo que coincide plenamente con la predicción teórica. 

EFECTO GOOS-HÄNCHEN: 

            Coloquemos un prisma de PVC frente a la antena y busquémosle una posición tal que las dos caras no directamente expuestas cumplan la siguiente condiciones: El campo emergente por una de ellas sea muy pequeño (sólo se detecte ruido) y el emergente por la otra sea muy grande. 

            Si ahora colocamos la mano pegando a la cara por donde no sale energía, observamos que la señal emergente por la otra decae. Si repetimos esto colocando una plancha metálica junto a la cara del prisma por la que no hay señal, comprobamos que si pegamos la mano a esta, ahora no decae la señal que sale por la otra. 

            Este fenómeno se denomina efecto GOOS-HÄNCHEN, y se debe a la presencia de una onda evanescente viajando paralela a la cara del prisma que no emite. Esta onda puede ser absorbida por dieléctricos colocados junto a la superficie, pero no por metales.

 ANTEOJO PRISMÁTICO: 

            Tras focalizar la señal proporcionada por la antena usando la lente de arena, comprobamos que la amplitud producida en el foco puede ser desviada 90º empleando el prisma. Este es el principio en el que se basan los prismáticos.

 GUIADO DE MICROONDAS EMPLEANDO UN TUBO METÁLICO HUECO:

            Colocando el extremo de un tubo flexible, metálico y hueco frente a la antena, comprobamos, usando la sonda, que aunque lo contorneemos, la energía emerge en su práctica totalidad por el otro extremo: Las microondas pueden guiarse.

 EFECTO DOPPLER: 

            Usaremos el osciloscópio para medir la longitud de onda emitida por la antena y la reflejada por un objeto metálico en movimiento, expuesto a la radiación de la antena.

            La longitud de onda de la señal reflejada (f') no es la misma que la de la generada por la antena (f), debido al efecto Doppler. La relación entre ambas es:

            Nuestras medidas dieron f =9.4 GHz y f' = 0.1 KHz, por lo que se deduce que el objeto se desplazaba con una velocidad de: 

v = 1.58 m/s

Margarisabel Velasco Salas
Comunicaciones De Radiofrecuencia

 http://www.alipso.com/monografias/microwav/