Aplicaciones de las Radiaciones no Ionizantes
Facultad de Física
Eduardo Moreno Piquero
CEM , curso
2007/08
Pioneros del Electromagnetismo Aplicado :
Michael Faraday 1791 - 1867
James C. Maxwell 1831 – 1879 → Heinrich Hertz 1857-1894
Guglielmo Marconi 1874 – 1937
Thomas Alva Edison 1874 – 1931
Alexander Grahan Bell 1847 – 1922
Jacques Arsene D’Arsonval 1813 - 1940
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 ).
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Eduardo Moreno Piquero
CEM , curso
2007/08
Espectro Electromagnético
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Eduardo Moreno Piquero
CEM , curso
2007/08
Banda
Designación
4
VLF
5
Límites en frecuencia
Muy Baja Frecuencia
3 kHz -
30 kHz
LF
Baja Frecuencia
30 kHz -
300 kHz
6
MF
Frecuencia Media
7
HF
Alta Frecuencia
8
VHF
9
300 kHz -
3 MHz
3 MHz -
30 MHz
Muy Alta Frecuencia
30 MHz -
300 MHz
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
L
Rango de Frecuencias en GHz
1
Longitud de onda correspondiente
2
30
15 cm.
S
2
4
15
7.5 cm.
C
4
8
7.5
3.75 cm.
X
8
12
3.75
2.5 cm.
K
12
40
2.5
0.75 cm.
U
40
60
7.7
5 mm.
V
60
80
5
W
80
100
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Eduardo Moreno Piquero
3.75
3.75 mm.
3 mm,
CEM , curso
2007/08
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.
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Eduardo Moreno Piquero
CEM , curso
2007/08
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 )
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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 )
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CEM , curso
2007/08
Mecanismo del calentamiento por la radiación
electromagnética
1.
2.
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 )
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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.
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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.
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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
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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.
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- 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.
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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…).
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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.
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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 ).
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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…)
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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).
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CEM , curso
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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).
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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.
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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.
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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.
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Eduardo Moreno Piquero
CEM , curso
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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.
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Eduardo Moreno Piquero
CEM , curso
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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
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CEM , curso
2007/08
 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.
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Eduardo Moreno Piquero
CEM , curso
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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.
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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…
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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.
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CEM , curso
2007/08
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.
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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.
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CEM , curso
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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).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 :
1. Aperturas radiantes …guias de ondas abiertas → alta
permitividad, circula el aire y enfria la piel.
2. Controladores de fase por ordenador →proporcionan gran calor
en puntos precisos y profundos…
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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…).
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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 50.000 cámaras de MRI.
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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…
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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 ).
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Espectro
electromagnético :
Aplicaciones
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Anexo : Algunos recientes dispositivos y
proyectos…
Osstell mentor :
Sistema portátil para medir la
estabilidad de los implantes
(coeficiente de estabilidad,
ISQ→oseointegracióndiagnóstico).
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…
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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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 250000.
A pesar del número de pacientes tratados con este método, éste no suele ser muy
conocido por médicos y científicos.
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Bioelectromagnetismo
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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, 2004-05
Direcciones Web
http://www.cober.com/
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http://www.industrialmicrowave.com/
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APLICACIONES DE LAS RADIACIONES NO