Facultad de Fsica

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Aplicaciones de las Radiaciones no Ionizantes
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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 DArsonval 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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Espectro Electromagnético
4
(No Transcript)
5

• 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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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, carbonomateria orgánica )

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• A frecuencias más bajas, para las visible,
  Infrarrojos y frecuencias utilizadas en
  comunicaciones frecuencias menores que 3x1015 Hz
  ( ? gt 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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Mecanismo del calentamiento por la radiación
electromagnética

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

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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 (er). La
  potencia media convertida en calor por unidad de
  volumen es
• Pabs 2pe0ferE2 (W/m3) SAR s E 2 /
  ?m ( W/Kg ) (?m la densidad másica del
  tejido, s conductividad y E el campo eléctrico en
  el interior s f(er)
• er er ( 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 láserlight 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 espectralestructuras 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 Motors
  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 corporalesoperaciones en la
  obscuridad (futuro).

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MICROONDAS PROPIEDADES Y APLICACIONES

• Las microondas son ondas electromagnéticas (
  señales ) 300MHz lt frecuencia lt 300 GHz 3ns lt
  periodo lt 3 ps , y 1mm lt longitud de onda lt 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 gt 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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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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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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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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• 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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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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• 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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• 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.

36
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.

37

• 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.

38
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 sistemaEl tiempo
  de calentamiento debe ser entre 15 y 30 minutos.
  Esto ha conducido a establecer exposiciones
  recomendadas o estándar.

39

• SAR ( TAE ) Potencia que es absorbida sobre una
  unidad de masa de tejido
• No se puede medir en el interiornecesidad de
  evaluar los riesgos a los que está expuesto el
  tejido.

40

• SAR s E 2 / ? ( W/Kg ) (? la densidad
  másica del tejido, s conductividad y E el campo
  eléctrico en el interior control interno de los
  campos ?) ? Experimentación (Fantomas, animales
  ratas, conejos, etcriesgos extrapolación) y
  simulación numérica
• Aplicadores
• Aperturas radiantes guias de ondas abiertas ?
  alta permitividad, circula el aire y enfria la
  piel.
• Controladores de fase por ordenador ?proporcionan
  gran calor en puntos precisos y profundos

41

• 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).

42
Resonancia MagnéticaEs 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.

43

• Un campo magnético de 1.5 Tesla alinea los átomos
  de hidrógeno de los tejidos corporalescuando 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
  cerradoruido 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

44
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 ( d ) 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 ).

45
(No Transcript)
46
(No Transcript)
47
Espectro electromagnético Aplicaciones
48
Anexo Algunos recientes dispositivos y
proyectos

• Osstell mentor
• Sistema portátil para medir la estabilidad de los
  implantes (coeficiente de estabilidad,
  ISQ?oseointegración-diagnóstico).
• Técnica no invasiva.
• Se activa mediante un pulso magnético generado
  por la sonda de medición.
• Sistema resonante Varilla magnética ( Smartpeg
  ) colocada en el implanteen diversas sesiones
  (entre dos y tres meses), memorizando los datos,
  se observan las variaciones del ISQ

49
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.

50
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.

51
DISPOSITIVO EXPERIMENTAL PARA EXPOSICIONES DE GSM
A 900 MHz Y SU APLICACIÓN AL ESTUDIO DE RATAS
EPILÉPTICASE. 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.
52
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 tejidosno 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 ).

53
Effect of MillimeterWave IrradiationonTumor
MetastasisBioelectromagnetics 27258264 (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.

54
Bioelectromagnetismo
55
Bibliografía

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  Doméstica.
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  Wireless Propagation, and Microwave,
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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
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• http//www.gceurope.com/
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  Press, 2007