Radiaciones no ionizantes-parte 1- teoría

DEL UGH! AL AHHHH…. EN MATERIA DE RADIACIONES NO IONIZANTES (RNI)

PARTE 1

INTERACCIÓN DE LA ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA CON LA MATERIA

Entendiendo el título

El Ughh simboliza el pasmo que se apodera del público en general al tratar de informarse acerca de RNI, recurriendo a fuentes (aún confiables y oficiales) pero con un lenguaje demasiado especializado y con términos confusos. El Ahhh… simboliza la tranquilidad que nos invade cuando sentimos que entendemos lo que estamos leyendo o escuchando.

Objetivos de la publicación

Esta publicación tiene por objetivo explicar en lenguaje llano, los fenómenos de interacción de la energía electromagnética con la materia. En Internet abundan los artículos relativos a los efectos de la energía electromagnética sobre la salud humana, y muchos de ellos atosigan al lector con acrónimos, jergas incomprensibles para el lector o asumen que el lector tiene un doctorado en física y otro en química. También pululan artículos con tonterías infundadas. Pero ocurre que ese lector puede ser un médico que necesite asesorar un paciente, un administrador de consorcio que tenga que decidir si permitir o no, colocar equipos de telecomunicaciones en su edificio, un abogado, un ingeniero de la especialidad o de otra, estudiantes, o simplemente público en general Entonces, la idea de este artículo es brindar en un lenguaje “entendible por un mortal” y sin apabullar con fórmulas y datos, los fundamentos técnicos que le permitirán encarar esas publicaciones que pululan por Internet, separando “la paja del trigo” Está escrito pensando en transmitir conceptos y evitando expresiones matemáticas, la idea es primero entender y luego profundizar, no obstante, al contenido no le falta rigurosidad científica. En la parte 2 de este artículo, se pretende ayudar al mismo lector a interpretar criterios y terminologías que aparecen en las reglamentaciones vigentes, que a veces son confusas o difíciles de entender. Pero para eso necesita de los conceptos vertidos en esta primera parte. Resumiendo, esta publicación ayudará al lector a:

• Entender lo que ocurre con fundamentos “entendibles”. Fundamental para quitar miedos y difundir información cierta en materia de RNI.

• Asociar el fenómeno de la radiación y absorción de energía electromagnética, con los modelos físicos que mejor lo describen.

• Justificar la fundamentación técnica de las reglamentaciones vigentes.

• Identificar la relación entre los organismos de recomendación, reglamentación, implementación y control de las RNI.

El serio peligro para la salud que representan los celulares!

En general la ciudadanía está interesada en saber acerca de radiaciones no ionizantes debido al contacto diario con teléfonos celulares y sus radiobases. Si bien no tiene nada que ver con las radiaciones, dejo este mensaje a mi criterio el mas importante y que los lectores deben difundir entre sus vínculos sociales es que hay ALGO QUE ESTÁ 100% DEMOSTRADO: LOS TERMINALES CELULARES SON EXTREMADAMENTE PELIGROSOS POR LA DISTRACCIÓN QUE PRODUCEN Y SU RELACIÓN DIRECTA CON ACCIDENTES DE TODO TIPO

Los otros efectos, supuesto aumento de casos de cáncer, otras enfermedades, etc. están aún hoy -2023- en plena discusión pese a que hace mas de 100 años que la humanidad convive con radiofrecuencia y de esos casos no hay evidencia contundente ni al menos concreta. SI LA HAY SOBRE LOS ACCIDENTES y los robos frecuentes a los usuarios de celulares cuando están distraídos por el telefonito.

La física en su estado actual

Antes de empezar, y como en el texto se hacen varias referencias a conceptos “clásicos” o “cuánticos” conviene hacer un breve repaso acerca de la física actual, y sus diferentes puntos de vista concernientes a temas que afectan al objeto de este texto. Las diferencias entre las distintas visiones de la física son mucho más profundas y merecen un análisis más minucioso que no es objetivo del texto

LA FÍSICA DESDE EL SIGLO XX EN ADELANTE NO INTENTA EXPLICAR LA NATURALEZA, SINO ENCONTRAR MODELOS MATEMÁTICOS QUE DESCRIBAN LO MAS ACERTADAMENTE POSIBLE EL COMPORTAMIENTO DE LA NATURALEZA, AUNQUE ESTOS MODELOS SEAN INACEPTABLES POR EL SENTIDO COMÚN O LA EXPERIENCIA COTIDIANA.

Clásica “La del colegio” Teoría de la relatividad Física Cuántica

Del Ugh! al Ahhhh…. En materia de Radiaciones no Ionizantes

Enero 2022

Prof: Ing Martín Lema

Aplica a sistemas macroscópicos (muchos millones de átomos en adelante), que se mueven mucho más lento que la luz. Incluye la electricidad y el magnetismo.

Aplica a sistemas cuyas partes que se mueven a distintas velocidades o en distintos campos gravitacionales.

Aplica a sistemas microscópicos, desde partículas subatómicas hasta sistemas de con cantidades moderadas de átomos. Es la que mejor modeliza la electricidad y el magnetismo.

Ejemplos de aplicación en telecomunicaciones: Elementos pasivos filtros antenas motores eléctricos

Ejemplos de aplicación en telecomunicaciones: Ajuste de relojes atómicos en GPS

Ejemplos de aplicación en telecomunicaciones: Elementos activos, transistores diodos, toda la electrónica actual Es intuitiva, sigue el sentido común y es compatible con la observación de hechos de la vida diaria

Es determinista, hay reglas predeterminadas y el azar no existe. El azar es solo una percepción de algo desconocido.

No es tan intuitiva, nos cuesta creer que el tiempo no sea igual para todos, pero nos estamos acostumbrando

Es determinista, hay reglas predeterminadas y el azar no existe.

No es intuitiva en absoluto, choca con el sentido común. Parece totalmente absurda

No es determinista, la naturaleza es azarosa. Las reglas solo pueden predecir amplitud de probabilidad que algo ocurra.

La realidad existe, los estados existen independientemente si se miden o no

La realidad existe, los estados existen independientemente si se miden o no

Se pueden medir todos los estados con tanta precisión como se quiera, las mediciones no interactúan unas con otras

La realidad no existe. No se pueden saber los estados hasta que se los mide. Sin medir hay estados superpuestos Se pueden medir todos los estados con tanta precisión como se quiera, las mediciones no interactúan unas con otras. El límite de la exactitud de una medición es tecnológico, no hay límite teórico.

NO se pueden medir todos los estados con tanta precisión como se quiera, hay límites. Las mediciones interactúan unas con otras, sean simultáneas o no. Existen estados complementarios (si se mide uno con exactitud se desconoce bastante el otro)

La medición no afecta lo medido (Bien hecha, obviamente)

El tiempo es inexorable y transcurre igual para todos

La medición no afecta lo medido

El tiempo transcurre en función de la gravedad y la velocidad del sistema respecto de la luz, no es igual para todos

La medición afecta y mucho, es parte del sistema

El tiempo y el espacio empiezan a carecer de sentido a nivel cuántico

El tiempo, el espacio y la gravedad son cosas independientes

El tiempo-espacio es afectado por la masa, esa deformación es lo que conocemos como gravedad

La gravedad no se incluye ni tiene un modelo (al menos por ahora)

La interacción entre partes del sistema se modeliza mediante fuerzas que se propagan a velocidad finita. No existe la acción a distancia, una fuerza para interactuar debe haber pasado por todos los puntos intermedios. Todas las velocidades se suman.

Cronológicamente la causa está antes que el efecto

La interacción entre partes del sistema se modeliza mediante fuerzas que se propagan a velocidad finita. No existe la acción a distancia. La luz y las ondas gravitacionales viajan a velocidad de la luz independientemente de la velocidad del que las emita

A la velocidad de la luz o en el horizonte de sucesos no hay concepto de tiempo

No existen fenómenos instantáneos No existen fenómenos instantáneos

La interacción entre partes del sistema se modeliza mediante partículas, existe la acción a distancia con velocidades infinitas.

No tiene por qué ocurrir la causa antes del efecto, existe la retro causalidad

Existen fenómenos instantáneos

Las telecomunicaciones, las ondas, las antenas y la física cuántica

Generalmente nos contentamos con decir “si por un conductor circula corriente alterna, ese conductor irradia parte de la energía que transporta”, también decimos que esta energía se irradia en forma de ondas electromagnéticas. Eso es más que suficiente para prácticamente todos los casos prácticos que podamos encarar en telecomunicaciones, al menos en los sistemas actualmente en uso diario (radio, TV, celulares, satélites, radares, etc.)

Aun teniendo “todo claro” con el electromagnetismo, que incluye campos eléctricos y magnéticos, sigue el interrogante ¿Por qué se forman los campos?, ¿por qué irradia un conductor que transporta una corriente alterna? Y el caso inverso, ¿por qué toma energía del campo electromagnético donde está inmerso?

Este interrogante lo puedo hacer más extenso e incluir otras cosas que no sean exactamente “conductores” puros. Podría extenderlo a tejidos biológicos u otros materiales orgánicos o inorgánicos. En este caso el interrogante sería ¿Por qué un tejido biológico toma energía de un campo electromagnético?

Calentar alimentos en el horno a microondas es un claro ejemplo que este fenómeno es real y cotidiano

La respuesta a esto no está solo en los campos electromagnéticos, sino también en la física cuántica y la química, que deberemos abordar, al menos en sus conceptos más básicos para comprender este fenómeno extraño, casi mágico de la radiación y absorción de energía por parte de la materia.

En resumen, la física clásica (Campos, ondas, etc.) esmás que suficiente para encontrar un modelo adecuado que nos permita predecir la propagación y calcular la forma y medidas de las antenas. Pero no puede utilizarse para encontrar un modelo que describa los procesos de radiación y absorción en sí mismos.

Los campos son intuitivos, pero ¿existen de verdad?

En general estudiamos y estamos convencidos que hay ondas electromagnéticas viajan por el vacío, y en el vacío como nuestra intuición lo indica, no hay nada. También

tenemos la idea que esto se debe a la existencia de campos (eléctricos y magnéticos) producidos por la materia con cargas eléctricas, que, si son variables en el tiempo o en el espacio, se van propagando. Esto es electromagnetismo, la física clásica con la que nos formamos técnicamente. La física clásica nos dice que las cargas en movimiento son las fuentes de los campos, aun sin explicar el porqué.

La pregunta es: ¿Cómo puede haber algo en la nada? ¿Cómo puede existir un “campo” donde no hay nada?

¿Cómo puede ser que un imán atraiga o rechace a otro sin tocarlo? ¿El campo de uno “empuja” el campo del otro y a su vez este campo empuja el segundo imán? En este ejemplo si empujamos el imán A hacia la derecha, el imán B se desplaza hacia la derecha. ¿No es un proceso demasiado complejo como para que ocurra en la nada?

Y peor aún, sabemos bien que los campos eléctricos variables (en la nada) generan campos magnéticos variables (en la nada) y así se propagan las ondas (por la nada).

Para ser muy sincero nadie sabe si esto realmente ocurre, pero resulta ser un buen modelo, que si lo aplicamos sirve para resolver sistemas de electricidad, magnetismo y lo que nos interesa: telecomunicaciones.

Si no hay nada, quizá no suene muy racional pensar en la existencia de campos ymenos de ondas, debiera haber “algo” para alterar y notar la presencia o ausencia de campos y ondas.

Una explicación posible de la física clásica es que la existencia de campos solo puede verificarse interactuando con materia (poniendo una antena por ejemplo) y si hay una antena ya la nada es algo y dejó de ser nada.. Dicho de otra manera, las ondas pueden viajar por el vacío, pero solo se materializan al interactuar con materia. Todo parecido con el hecho que es necesario medir para materializar un estado indefinido, es pura coincidencia..

Si, como dijimos, la emisión y absorción de energía electromagnética en sí misma no puede modelizarse a través del electromagnetismo, ¿Entonces es cierto o no que la radiación se debe a la circulación de corriente alterna por un conductor?, ¿es cierto o no que en un conductor inmerso en un campo electromagnético variable se inducen corrientes? (antena receptora)

SI, ES CIERTO, pero veámoslo un poco más en detalle, ocurre que efectivamente la corriente circulando es la causa de la radiación, pero no nos olvidemos que la corriente eléctrica se debe a cargas en movimiento, y los portadores de esas cargas son los electrones

Cuando nos acercamos a los electrones, ya la física clásica no es aplicable y debemos pensar ya en física cuántica y en su dominio ya no hablamos de campos electromagnéticos clásicos, sino de emisión o absorción de partículas que en nuestro caso serán los fotones

Resumiendo,

• Para encontrar un modelo que pueda predecir el comportamiento de un sistema de telecomunicaciones, calcular el tamaño y forma de las antenas, saber cómo se distribuye la energía alrededor de las antenas, hacemos uso de las leyes del electromagnetismo.

• Para encontrar un modelo que represente la radiación y la absorción de energía por parte de la materia (sean conductores o no) es necesario recurrir a la física cuántica.

Es importante aclarar que usé el término “encontrar un modelo” y no el término “explicar” ya que la física del siglo XX y XXI abandonó la idea de “entender la naturaleza” y en su lugar se buscan modelos que representen lo más acertadamente el comportamiento observable de la naturaleza, aunque esos modelos parezcan absurdos. Un buen ejemplo de esto es la electrodinámica cuántica (QED en inglés) que es la rama de toda la física que brinda resultados más cercanos a las mediciones experimentales, aunque se base en modelos “absurdos” al razonamiento, como ser partículas virtuales que viajan para atrás en el tiempo, fotones que saben si va a ser absorbidos y otras “rarezas” mas. Aclaro que son “modelos”, no que realmente pase eso

Por eso la física actual tiende a los modelos que representen lo que se observa, aunque no se entienda la naturaleza ni se busque entenderla.

Antes de encarar de lleno el tema de la radiación y la absorción, y teniendo en cuenta que algunos fenómenos necesitan de la física y la química para encontrar un modelo adecuado, haré una breve reseña de física de los átomos, solo con los aspectos imprescindibles para tal fin, sin fórmulas y teniendo en mente que los lectores no son doctorados en física del instituto Balseiro …yo tampoco lo soy

Todo está hecho de átomos y los átomos.. ¿de que están hechos?

Todo lo que nos rodea y nosotros mismos estamos formados por materia de distinto tipo con infinidad de compuestos químicos. Nosotros como seres vivos, tenemos algo más que no se explica con física que es la VIDA, eso no tiene explicación científica al menos por ahora. Pero visto desde el lado físico, el universo en su totalidad se puede asegurar que está compuesto por distintas combinaciones de los 119 elementos conocidos hasta el día de hoy Son los 119 elementos de la tabla periódica.

Entonces podemos decir que con 119 “cosas distintas” podemos explicar el universo completo (sin incluir el fenómeno de la vida que ya sabemos no tiene fundamentación química o física). Estos 119 elementos son átomos, el primero y más simple es el hidrógeno y el último descubierto es el elemento 119 (Ununpentio, o Moscovio de posición 115 en la tabla)

Muy antiguamente se suponía que los átomos estaban “hechos de átomo” y de ahí su nombre a-tomon que significa indivisible. Hoy sabemos que no es así, y que los átomos están conformados por partículas sub atómicas.

Entonces se puede simplificar aún más, porque todos y cada uno de estos 119 elementos (más sus isótopos) surgen de distintas combinaciones de 3 partículas subatómicas, electrones, protones, neutrones. Todas las partículas subatómicas del mismo tipo son idénticas. Esto significa que un electrón de un átomo de hidrógeno es idéntico a uno de un átomo de hierro, lo mismo para los protones y neutrones.

Entonces podemos reducir el número de “cosas” con las cuales podríamos describir el universo completo y llegamos a solo 3. Esto no es tan cierto ya que existen otras partículas subatómicas que son necesarias para explicar muchos otros fenómenos como ser los neutrinos, además obviamente de la antimateria y la materia oscura (no

bariónica), pero para este texto pensemos que son solo 3 “ladrillitos del universo”, protones, neutrones y electrones y nos olvidamos de antimateria, neutrinos y materia no bariónica al menos para este texto

Y un curioso preguntaría: ¿y no habrá algo aún más chiquito? ¿de qué están hechos los protones, neutrones y electrones?

Bueno, los neutrones y protones efectivamente están hechos de “lo mismo” que son los quarks. Hay de distinto tipo y distinta configuración, pero son en definitiva quarks. Resumiendo, los protones y neutrones están hechos de quarks y los electrones están hechos de electrón..

Entonces, todo lo que existe en el universo como materia conocida, puede resumirse en

• Electrones

• Quarks

Y el curioso preguntón seguirá insistiendo ¿hay algo más chico aún que resuma todo en un solo “ladrillito del universo”?

Esto aún está en el terreno teórico y sin verificación experimental. Hasta el paso anterior, de los quarks y electrones, si hay evidencia experimental

La teoría de las cuerdas resumiría la totalidad de la materia (o sea los quarks y los electrones) como distintas formas de vibración de unos cúmulos de energía que son las denominadas “cuerdas” El físico argentino Juan Martín Maldacena es quizá el “Einstein del siglo XXI” o “el Messi de la física actual” y uno de los principales defensores de este concepto.

Retomando el eje temático del texto, podemos decir que todo el universo está compuesto por distintas combinaciones de quarks y electrones que interactúan entre sí

Lo que nos interesa para este texto es como interactúan los electrones entre sí, aunque estén a Km de distancia. Recordemos que la corriente eléctrica de la antena transmisora son electrones que “se mueven” y los de la antena receptora también. Y la radiación que nos llega a nuestro cuerpo proveniente de un equipo de telecomunicaciones interactúa con nuestros electrones.

Los protones, los electrones y el equilibrio eléctrico

Dijimos que los átomos están formados por electrones, protones y neutrones. Los protones tienen carga eléctrica positiva, los electrones negativa y los neutrones como su nombre lo indica no tienen carga, son neutros.

La naturaleza está organizada de modo tal, que en estado “normal” en cualquier átomo se compensa el número de cargas, de manera que hay tantas positivas como negativas, y eso se verifica para todos los átomos.

Por lo tanto, un átomo solo o un conjunto de átomos por grande que sea es eléctricamente neutro (incluso nosotros que somos un conjunto enorme de átomos).

Los tejidos biológicos y los átomos

Los tejidos biológicos entendiendo por esto la piel, huesos, grasa, nervios y todas las parte que estamos hechos nosotros, los perros, las plantas, las bacterias y todos los seres vivos, están compuestos por células, que a su vez están compuestas por moléculas. Esas moléculas constan de átomos que se unen entre sí por enlaces químicos. Ya sabemos que cada átomo tiene protones neutrones y electrones. Y sabemos también que en condiciones normales se compensan las cargas eléctricas,

átomo por átomo y del conjunto en general. En particular los electrones que forman parte de los átomos de las moléculas pueden compartirse con los de otros átomos para conseguir la máxima estabilidad de la molécula. El análisis detallado de este proceso está fuera del alcance del texto, pero es fácil de encontrar en cualquier libro de química.

Arrancando electrones de una molécula, IONIZANDO

Se llama IONIZAR al fenómeno de sacarle (o agregarle) un electrón a un átomo. Vimos un párrafo más arriba que los átomos son eléctricamente neutros, si le agrego o le saco cargas ya no será neutro y tendrá carga positiva o negativa. En esa situación el átomo se llama ION.

Ahora, veremos qué pasa si de alguna manera “arranco” un electrón de su átomo, aplicándole energía desde fuera, por radiación. Hay otras maneras de hacer esto por procesos químicos, como ser mediante los radicales libres, pero no nos olvidemos que este texto apunta a entender el efecto de la radiación electromagnética en los tejidos.

Si le aplico energía al tejido hasta arrancar un electrón de un átomo, ese átomo ya no es el mismo (ahora es un ION) y lo más probable que si el átomo estaba formando parte de alguna molécula, trate de “robarle” un electrón a algún átomo vecino para reponer su equilibrio, éste a su vez haga lo mismo, y el electrón “arrancado” vaya a parar a otra molécula, cambiando la estructura química de las moléculas involucradas porque cambió la forma que están enlazadas.

Y pensemos que pasa si ese átomo al que le arrancamos un electrón, estaba justo en la cadena de ADN de alguna célula y el que tomó de otro átomo era de la misma cadena o de otra, y el electrón sobrante alteró alguna otra parte mas de la cadena.. Y sabemos que el ADN es el “sistema operativo de la célula” si tocamos algo ahí.. vaya uno a saber qué pasa con la célula, que hace, como se reproduce y que efecto tiene en el tejido que esa célula tenía función. Dicho en palabras simples: arrancar un electrón, si justo era del ADN, hace un verdadero desastre.

Es fácil hacer esto de “arrancar un electrón”, ¿Cuánta energía hace falta?

Por suerte para nosotros, no es algo tan simple que ocurra. Los electrones de las moléculas de las que estamos hechos, aún los más alejados del núcleo, necesitan de bastante energía para que se arranquen del átomo al que pertenecen. Es como si los electrones estuvieran “amarrados con un resorte” si uno les aplica energía, se estira el resorte, y cuando se deja de aplicar energía vuelve a su lugar. Ahora si le aplico más y más y más energía, en algún momento se rompe el resorte y pasa lo que dijimos antes. Este valor de energía depende de cada átomo, pero está por encima de 3 eV (electrón Volt) para cualquiera de todos los átomos que existen (los 119 de la tabla) Una vez que avancemos más en el texto veremos que la energía que producen los equipos de radiocomunicaciones está muy pero muy por debajo de este valor, por lo tanto, no es posible que este efecto se produzca por radiación de equipos de telecomunicaciones Para que ocurra son necesarias radiaciones de energía muy superior como la de los rayos X, rayos Gamma o radiactividad en general.

Física cuántica para salita de 4

En este párrafo solo mencionaré algunos conceptos básicos necesarios para lo que nos interesa, que es describir el modelo que represente con la mayor aproximación posible el mecanismo de transporte de energía electromagnética entre materia, sea ésta un conductor, un aislador o materia orgánica.

La física cuántica es la rama de la física que aplica para las cosas que van desde un tamaño comparable con un átomo hasta partículas subatómicas. En el caso que nos interesa, el de los electrones. Un electrón es una partícula subatómica, por lo que claramente solo aplica las leyes de la física cuántica. Recordemos que llegamos a este punto porque queremos profundizar en el porqué de la radiación de energía por parte de los electrones. Para todos los demás fenómenos que ocurren en las telecomunicaciones, el electromagnetismo clásico la mejor herramienta disponible para calcular enlaces, dimensiones de antenas, etc. En sistemas macroscópicos como una antena o un cable coaxial no aplican las leyes de la física cuántica, así como es inadecuado aplicar las leyes de Newton a un átomo.

En física clásica la interacción entre “cosas” se explica mediante campos clásicos, por ejemplo, el campo gravitatorio que nos mantiene sentados en la silla, o el campo magnético de un imán que es responsable que esté pegado en la heladera sin caerse

En la física clásica, decimos que el campo lo produce la materia (a eso le llamamos localismo), por eso decimos “el campo magnético de un imán”. Es como que el imán genera el campo a su alrededor. Lo mismo pasa con “los campos que produce una antena transmisora”, tenemos la idea que la antena es la fuente de los campos que la rodean. Asimismo, tenemos la idea que hay tantos campos como fuentes que los generan, por ejemplo, decimos “el campo producido por tal canal de TV, es más fuerte que el producido por tal otro”. También tenemos la idea que los campos tienen la habilidad de propagarse por la nada (el espacio libre en la jerga de las telecomunicaciones, donde no hay absolutamente nada).

Pero en la física de lo chiquitito todo es diferente y el concepto de campo esradicalmente distinto, de hecho no es “algo que rodea la materia y que explica las interacciones”, sino que es la materia en si misma (interesante, pero no ahondaremos en ello, no es necesario para el objeto de este texto).

Para la física cuántica las distintas partículas no interactúan entre si mediante fuerzas y campos (clásicos) sino mediante otras partículas. Y como si esto fuera poco, no hay distinción entre partícula y onda. De este modo un electrón, un protón o un fotón los podemos considerar onda o partícula según nos convenga o según lo que “parece ser”, analizando el comportamiento en un experimento en particular. Un ejemplo lo aclara todo: La energía que nos llega de la luz del sol se comporta como onda, produce patrones de interferencia y hace todas las cosas que hace una onda, eso hasta que impacta en nuestra piel, una planta o en un panel solar, ahí se comporta como partícula, que en cierta forma sería como una onda mucho más localizada. No tiene explicación el funcionamiento de un panel fotovoltaico si consideramos la luz como “onda”. Cuando alcanza el panel solar, ahí es una partícula Si la luz la consideramos onda ¿Por qué nos bronceamos al sol? ¿Por qué producen fotosíntesis las plantas? , ahí tenemos que analizar la energía transportada por la luz como partícula.

Partícula y onda son la misma cosa, creer o reventar! Y elegimos a que se parece mas, según nos convenga en función de lo que estemos haciendo.

Cada partícula (un electrón, un quark, un fotón) tiene su función de onda que los físicos le llaman ψ (Psi), pero ese es terreno de los físicos, este texto es para público en general, así que contentémonos con saber que cada partícula tiene su función de onda asociada sin desarrollarla matemáticamente.

Resumiendo, nuestras tan queridas ondas de radio también son partículas, y veremos que nos conviene tratarlas como partículas en unas cuantas situaciones, por ejemplo, en el instante mismo que son emitidas, en el que son recibidas y para predecir si van a ser peligrosas al momento de interactuar con la materia viva. Para el resto de las situaciones como ser calcular las dimensiones de una antena, calcular un radioenlace y otro montón de cosas que hacemos a diario los ingenieros en telecomunicaciones, siguen siendo nuestras viejas y queridas ondas

¡Las partículas no son bolitas chiquitas!

En la jerga de los físicos, “la partícula” no es lo que los ingenieros consideramos como tal: una bolita chiquiiiiita chiquiiiiita..

Para los físicos, partícula es un concepto, no es algo físico con dimensiones ni pequeñas ni grandes

Como dijimos antes, en los modelos de la física cuántica solo hay partículas, que interactúan entre si con otras partículas.

Simplificando mucho podemos decir que hay 2 tipos de partículas:

• Las de materia (fermiones)

• Las de fuerza (bosones)

Existen muchas partículas subatómicas, pero solo nombraremos aquí las más famosas, ya que son las que nos interesan a los fines de este texto,

• Los fermiones más famosos son el electrón y el quark (los protones y neutrones están “hechos” con quarks, eso lo dijimos unos párrafos antes)

• El bosón más famoso es el fotón

Entonces decimos que las partículas de materia (fermiones) interactúan entre sí por medio de partículas de fuerza (bosones). Y está claro que el concepto de partícula no es el de una “bolita chiquitiiiiiita”

¿Cómo se puede materializar una fuerza intercambiando una partícula? El “sandión” (bosón sandía) es un buen ejemplo.

Imaginemos que estamos en un bote y tenemos una sandía y al lado tenemos otro bote con un amigo, que nos pide la sandía. Tenemos que hacer bastante fuerza para arrojarla de manera que llegue hasta el bote de al lado, cuando nuestro amigo la recibe, el bote de él se aleja (por el momento o cantidad de movimiento de la sandía), si él nos la devuelve, tiene que arrojarla con más fuerza aún, y al recibirla nuestro bote se aleja aún más, si repetimos esto tenemos un intercambio de energía que nos aleja mutuamente, en naves propulsadas a “sandiones”. La energía salió de nuestros músculos y ahora es energía cinética de los botes, la sandía solo la transportó como momento o cantidad de movimiento. Este ejemplo es poco académico, pero creo que aclara como pueden interactuar dos partículas usando una tercera como “transportador de energía”.

Volvamos al formalismo, ya que una sandía está muy lejos de ser una partícula cuántica y digamos que llamamos partícula a un cúmulo de energía en un campo cuántico. Una vez más: no es “una pequeña bolita” como imaginamos una partícula en el mundo macroscópico. Podemos imaginarlas como una entidad más o menos localizada (como un electrón por ejemplo) o algo nada localizado (como un fotón)

En el caso que nos interesa, un electrón interactúa con otro electrón a través de un fotón. Siempre ocurre en pareja, UN electrón emite UN solo fotón e interactúa con UN solo electrón destinatario. Nunca con dos o más

PRÁCTICAMENTE TODOS LOS FENÓMENOS DE LA NATURALEZA QUE UTILIZAMOS EN LAS TECNOLOGÍAS ACTUALES, SON CONSECUENCIA DE LA INTERACCIÓN DE FOTONES CON ELECTRONES.

Esto incluye el electromagnetismo, la química, la metalurgia, los fenómenos biológicos y muchos otros más Los que no se explican solo con fotones y electrones son los fenómenos nucleares y la mismísima gravedad que hoy día es el fenómeno menos conocido

Es importante aclarar que todos los equipos electrónicos actuales se basan en principios de física cuántica, por eso se empezaron a desarrollar durante la madurez de la primera revolución cuántica (fines de la 2da guerra mundial). Ahora estamos en plena segunda revolución cuántica y se empiezan a desarrollar nuevos dispositivos con aplicaciones reales para computadoras basadas en cúbits (bits cuánticos), entrelazamiento, etc.

LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA ES CONSECUENCIA DE LA INTERACCIÓN DE ELECTRONES A TRAVES DE LA PARTÍCULA QUE MODELIZA ESTA INTERACCIÓN QUE SON LOS FOTONES

Algunas cosas importantes sobre los electrones

Ahora que sabemos que un electrón es una partícula, o también un cúmulo de energía bastante localizado y no una bolita chiquitita, volvamos a un punto de vista, si bien en el terreno de la física, ya menos abstracto.

¿Dónde están los electrones?

Ya sabemos que los electrones están alrededor del núcleo atómico, aunque no se puede saber con exactitud donde (la física cuántica no es determinista). La mayor probabilidad de encontrarlos está dentro del orbital que le corresponde. La descripción de los orbitales, su forma, la cantidad de electrones que contiene cada uno y, así como la probabilidad que un electrón esté en un determinado orbital, puede encontrarse en cualquier libro de química y no se trata aquí ya que no es necesario para el tema que nos interesa. Para el propósito de este texto solo nos interesa saber que hay orbitales más cercanos al núcleo y otros más alejados. Para arrancar un electrón de los orbitales más pegados al núcleo atómico se necesita de mucha energía, y para arrancarlo de los más alejados menos energía.

Los electrones más alejados del núcleo son los que interactúan con electrones de otros átomos y son los responsables de la mayoría de los procesos químicos y eléctricos, por eso nos focalizamos en ellos. El orbital mas alejado del núcleo y como dijimos, el que nos interesa para el propósito de este texto, se denomina orbital de valencia, y los electrones que se encuentran en este orbital, se denominan electrones de valencia.

En la figura anterior se presenta el átomo de cobre y el de aluminio ya que son los dos materiales más comunes que podemos encontrar en un sistema irradiante (Antena). Los dibujos de los orbitales están hechos a escala como para tener idea de las dimensiones relativas aproximadas de la estructura del átomo. Observar que en el cobre el orbital más extremo es de forma esférica, no así en el aluminio que hay uno esférico y uno en forma de lóbulo.

En este gráfico, solo el electrón está dibujado exageradamente grande ya que mide aproximadamente 1/100000 del tamaño del átomo. La denominación de los orbitales 1s, 2s, 2p etc, se explica en cualquier libro de química y no es necesario profundizar en eso para este texto Respecto de la “medida” de un electrón u otra partícula subatómica, lo expuesto es una extrapolación de nuestra percepción macroscópica, no se puede hablar de “cuanto mide un electrón” recordemos que no es una bolita, es un cúmulo de energía con una cierta probabilidad de estar en cierto lugar del espacio y ocuparlo.

Es importante aclarar que UN ORBITAL ES UN VOLUMEN, NO UNA TRAYECTORIA

El movimiento de los electrones ocurre mayoritariamente en algún lugar dentro del orbital que le corresponde. Los electrones no siguen una trayectoria predecible como la órbita de un planeta alrededor del sol. De hecho, la física dice que es IMPOSIBLE saber con exactitud absoluta donde está un electrón, solo puede estimarse una probabilidad que esté dentro de un volumen con fronteras bastantes difusas.

Los metales por dentro

Los conductores (Cables) y las antenas son metálicas, por lo tanto, para este texto es necesario acercarse a la física de los metales. La teoría que modeliza el comportamiento de los átomos que conforman un metal, es realmente compleja y está fuera del alcance del texto. De todos modos, resumiré aquí lo más importante y lo estrictamente necesario para los fines que nos ocupan

Las teorías contempladas son

• La de la nube de electrones o de los electrones libres (Sommerfeld Drude)

• Modelo de bandas en los enlaces metálicos

En los metales, los átomos se mantienen unidos entre sí mediante “enlaces metálicos”, estos enlaces se materializan compartiendo los electrones de valencia. Si un átomo cede un electrón se transforma en ion, en este caso catión. Si cada átomo cede sus electrones de valencia a la “comunidad de átomos”, cualquier pedazo de metal puede considerarse como un conjunto de cationes inmerso en un mar de electrones. Y estos electrones no están ligados a un átomo en particular sino a cualquiera de la “comunidad”, son libres pero no tanto (pertenecen a la comunidad). De todos modos, deambulan por el metal, y si se ven atraídos por potenciales eléctricos, se mueven, y

este movimiento de electrones no es otra cosa que una corriente eléctrica. El equilibrio eléctrico se mantiene porque cada átomo se desprende de sus electrones de valencia (y queda cargado positivo), pero hay tantos electrones de valencia en el mismo sistema como átomos cargados, por lo tanto la carga total es nula. Desarrollando adecuadamente este modelo, se llega a la conclusión que es adecuado para encontrar modelos matemáticos para

• La resistencia del metal

• La conductividad térmica del metal

• El brillo del metal

• La ductilidad del metal

La teoría de bandas dice que en un sistema formado por muchos átomos, también debe cumplirse el principio de exclusión de Pauli. Este principio dice que en un sistema no puede haber dos partículas en el mismo estado cuántico. Una antena, un cable o las cosas que nos interesan para este texto, están formadas por muchísimos átomos que comparten los electrones de valencia. En el caso de un metal, el sistema lo forma todo el pedazo de metal, ya que, si los electrones de valencia se comparten “en comunidad”, el principio debe aplicarse a todo el pedazo de metal, que tiene millones de millones de millones de átomos. Desarrollando el sistema, surge que lo único que puede cambiar de un estado cuántico a otro en semejante número de electrones es el nivel de energía de cada electrón, que deben ser todos distintos y habrá tantos niveles como electrones de valencia haya. Todos estos niveles, aunque son diferentes, forman casi un continuo, es decir una banda de energía posible. También de un análisis minucioso de este desarrollo surge que aparecen bandas de valencia y de conducción que en los metales están solapadas. O sea que un electrón de valencia tiene estados energéticos de conducción disponibles y convertirse en un electrón de conducción de corriente eléctrica. Lo que nos dice esto es que cada electrón que tiene un estado energético posible puede absorber cualquier fotón de la energía que sea (siempre y cuando esté dentro de la banda) y puede también liberar esa energía y volver a su estado original. Cuando digo cualquier energía, significa (para nosotros) cualquier frecuencia, por eso se puede propagar RF dentro de un metal. La relación de la energía con la frecuencia la veremos un poquito más adelante Si el fotón que recibe es mucho más energético que la banda de conducción, se lo arranca del metal, pero este caso no se aplica en antenas que es lo que nos interesa para este texto

Los electrones son haraganes

Los electrones son “haraganes” siempre quieren estar en su estado de menor energía, si de algún modo se les aporta energía , por ejemplo con un fotón, se la quieren sacar de encima cuanto antes, emitiendo otro fotón

Este fotón a su vez interactuará con otro electrón de otro átomo, que también se sacará de encima la energía emitiendo otro fotón, y así se irá propagando la energía mediante fotones ayudado por los electrones. Es importante observar que este fenómeno no tiene por qué darse con átomos contiguos, puede haber distancias considerables entre átomos. Al extremo que cuando vemos una estrella, cada fotón lo emitió un electrón de la estrella y, si asumimos espacio libre, ese mismo fotón es el que interactúa con un electrón de nuestro ojo. Lo mismo pasa con las ondas de radio que en definitiva son fotones.

Los fotones son eternos, o tienen vida cero, depende de quien los mire

Podemos decir, sin temor a equivocarnos, que el fotón es un bosón que tiene “vida infinita”, o al menos tan larga como desde que se emitió hasta que se absorbió. Pero durante ese lapso NO PUEDE PASARLE NADA, ni gana ni pierde energía. Si aún se observan los fotones más antiguos del fondo de microondas, se puede deducir que para un observador como nosotros (que nos movemos muchísimo más lento que a luz), la vida de un fotón si no es infinita debiera ser al menos mayor a 14 mil millones de años que es la edad de los fotones más antiguos y casi la del universo observable.

En la práctica decimos que los fotones tienen no se degradan con el paso del tiempo. Esto es válido al menos para el tema que nos compete que son las telecomunicaciones como fenómeno macroscópico que involucra numerosísimos fotones.

Esto que parece solo un refinamiento de la física tiene una implicancia directa en el entendimiento de cualquier enlace de radio.

SI LOS FOTONES VIVEN NO SE DEGRADAN, CUANDO UN ELECTRÓN EMITE ENERGÍA EN FORMA DE FOTÓN, ESTA SE MANTIENE INALTERABLE HASTA QUE INTERACTÚA CON OTRO ELECTRÓN, DICHO EN PALABRAS SENCILLAS: LOS FOTONES NO PIERDEN ENERGÍA POR EL CAMINO, TAMPOCO LA GANAN. Y otra cosa que en física clásica es imposible: LOS FOTONES SE EMITEN Y SE ABSORBEN EN FORMA INSTANTÁNEA. Es decir no hay un tiempo en el que un electrón absorbe la energía, ese tiempo es CERO.

Visto desde el punto de vista del mismo fotón, para él no existe el tiempo (porque viaja a la velocidad de la luz y por lo tanto lo tanto “alcanza al tiempo”). Si no pasa el tiempo no puede ocurrirle nada y es otra manera de ver porque no pierde energía transformándola en otro tipo. Visto desde su óptica sea el viaje de la distancia que sea (para nosotros) para el fotón la distancia es cero o no existe y el tiempo nunca paso, y su vida es cero (llega cuando sale).

Entonces no hay límite teórico para las comunicaciones que usan ondas electromagnéticas (fotones) y un conjunto de fotones alcanzaría cualquier destino sin perder la energía que transporta, sin importar cuán lejos esté ese destino. Esto aplica siempre y cuando no interactúe con materia.

¿Solo los electrones emiten/absorben fotones?

La física demuestra que la partícula de materia relacionada con la emisión y absorción de fotones de baja energía es efectivamente el electrón.

El fenómeno que estamos analizando en este texto es el de las radiocomunicaciones y los fotones involucrados son de muy baja energía, por eso solo consideramos interacción con electrones

También existen fenómenos nucleares que involucran fotones, pero nada tienen que ver con el tema abordado en este texto

Cuando las longitudes de onda son suficientemente cortas (de la luz en adelante) hay una clara correlación de un electrón→un fotón. El mejor ejemplo es un LED.

En longitudes de ondas más largas, como ser las de las ondas de radio que es lo que nos interesa para este texto, no está tan clara esta relación de un electrón→un fotón y aplica más la relación: un conjunto de electrones → un conjunto de fotones. Esto se debe a que la radiación es producto de la circulación de corriente por la antena que es un conductor, y la circulación de corriente es un fenómeno macroscópico (requiere de millones de átomos para formar un conductor real). En el caso de la recepción, el fenómeno se produce en la antena receptora, donde aparecen corrientes que también requiere de una estructura macroscópica para funcionar.

Algunas cosas importantes sobre los fotones

¿Cuánta energía es capaz de transportar un solo fotón?

Ya sabemos que el fotón es el encargado de transportar energía electromagnética de un electrón a otro, pero ¿Cuánta?

La física cuántica dice que la energía que transporta un fotón es:

E= h x f

E: es la energía que transporta un fotón h: es la constante de Plank h=6.626 10-34 Joule Seg. f : es la frecuencia en Hz

Poniéndole números reales a todo esto, ¿cuánta energía transporta un fotón de un access point de WiFi?

E= h x f

E= 6.626 10-34 Joule Seg x 2400 106 Hz = 1.59 10-24 Joule

Que expresado en una unidad más adecuada que es el eV (electrón-Volt) da como resultado 0.00001 eV

1 eV=1,602 × 10-19 Joule

Y ahora podemos preguntar ¿Cuántos fotones emite una antena de WiFi que emite 100 mW a 2400 MHz?

Ya sabemos cuanta energía transporta cada fotón

E= 1.59 10-24 Joule

Si la potencia es 100 mW=0.1W, es porque la energía emitida es de 0.1 Joule cada segundo

Entonces la cantidad de fotones por segundo que abandonan la antena de WiFi será

�� = 0.1 1.59 10 24 =6.28 1022 ����������������������������������

Nota: 1.59 10-24 Joule por segundo es 1.59 10-24 watt, que pasado a dBm resulta ser207 dBm Lo paso a dBm porque los que trabajamos en telecomunicaciones no podemos “visualizar” un Joule, pero tenemos más que claro cuánto es -207 dBm…un “aliento de mosquito” usando la jerga de los radio operadores.

Este valor es algo dificilísimo de detectar al estar muy por debajo del nivel de ruido de cualquier detector, por eso aún con el nivel de avance tecnológico de hoy es muy difícil, o casi imposible detectar un solo fotón a estas frecuencias. Ya en frecuencias más altas, dentro del dominio de la óptica hay detectores de un solo fotón.

Entendiendo la diferencia entre fotones mas o menos energéticos

Ya sabemos que la energía que transporta cada fotón depende solo de la frecuencia de la corriente que le dio origen (E= h x f), entonces un fotón es algo así como “una bolsita llena de energía” que la emite un electrón y la recibe otro electrón.

Hagamos la analogía de asociar la energía con kg de arena, e imaginemos que un fotón es una bolsa que contiene cierta cantidad de arena El sandión lo dejamos para otro ejemplo acá es mejor con arena que con sandías..

Bajo este ejemplo supongamos que hay que transportar 100 kilos de arena en un segundo.

Lo podemos hacer con una cierta cantidad de personas tirando uno a otro una bolsa. Uno lanza la bolsa, una sola bolsa por par de personas y el otro la recibe. Asumimos que las bolsas no están pinchadas y no pierden arena por el camino.

En esta analogía:

• Persona que arroja la bolsa→ electrón que emite

• Bolsa no pinchada → fotón que no pierde energía.

• Persona que recibe la bolsa→ electrón que absorbe.

Podemos hacerlo con 100 personas de cada lado tirando cada una, una bolsa de 1 Kg o 10 personas por lado cada una tirando bolsas de 10 Kg cada una o 2 personas, una por lado, tirando una sola bolsa de 100 Kg.

Claramente no es lo mismo, por más que en ambos casos se transportó la misma cantidad de kg de arena (energía) en el mismo tiempo (potencia). El cansancio muscular o eventualmente los daños severos no son iguales. Podríamos decir que hasta las bolsas de 10 Kg son fotones de baja energía como los de radiocomunicaciones y la de 100 Kg corresponde a fotones de rayos X o de algún material radioactivo, que seguramente dañará al átomo donde impacte.

10 bolsas de 10 Kg lanzadas a la vez transportan 100 Kg en 1 segundo sin causar daño alguno a los que la reciben

1 bolsa de 100 Kg también transporta 100 Kg en 1 segundo, pero con certeza dañará al que la recibe

Esta analogía puede aplicarse a la transferencia de energía entre electrones mediante fotones (bolsas de energía)

Los fotones no pierden energía por el camino, ya lo dijimos cuando explicamos que para ellos no transcurre el tiempo por viajar a la velocidad de la luz, entonces si se reciben fotones muy energéticos esté el electrón cerca o lejos de la fuente siempre serán muy energéticos y el electrón que lo reciba sentirá el “simbronazo” (bolsa muy pesada)

Si se reciben fotones poco energéticos esté el electrón cerca o lejos de la fuente siempre serán poco energéticos y el electrón que lo reciba solo vibrará un poquito (bolsa muy liviana)

Entonces ¿es o no es igual 1 watt a 1 MHz que 1 Watt a 25 GHz?

La respuesta correcta: NO ES IGUAL y la explicación está nuevamente en la energía que transporta cada fotón por separado.

Ya dijimos que los fotones son más energéticos cuanta más frecuencia tengan entonces el impacto de un fotón en un electrón es distinto dependiendo de la frecuencia de la radiación que transporta. El fotón asociado a 25 GHz transporta más energía que el de 1 MHz. Comparando con la analogía anterior de la arena, el watt sería la arena a transportar (cualquiera sea la frecuencia) y en el caso de 1 MHz setransporta enmuchas bolsas pequeñas y en 25 GHz en menos bolsas con más contenido cada una.

La interacción de fotones con la materia

Acabamos de ver que para transportar la misma energía si se realiza en frecuencias bajas se necesitan muchos fotones de baja energía cada uno, si la frecuencia es alta se necesitan menos fotones que transportan un poco más de energía cada uno.

En sistemas de telecomunicaciones cuando la interacción ocurre entre antenas, este fenómeno no deja de ser una curiosidad técnica y no tiene ninguna implicancia práctica. De hecho, ¿que nos importa si para establecerse una comunicación se necesitan muchos fotones de menos energía o pocos de mucha energía? ¿Qué nos importa cuantos electrones de la antena están involucrados en la telecomunicación?

Bueno, no nos importa a nosotros. Pero para los electrones, que son los que hacen el trabajo, no es lo mismo.

A los electrones SI les importa cuán energéticos son los fotones que tienen que atajar. Recuerden la analogía de las bolsas de arena.

Esta diferencia de recibir pocos fotones muy energéticos o muchos que sean menos energéticos, pasa a tener relevancia crucial cuando los electrones que reciben la energía no son los electrones de una antena, sino los de materia viva como ser plantas, animales o nuestro cuerpo.

Ahí estamos involucrados nosotros ya que, al fin y al cabo, los electrones de nuestro cuerpo son parte nuestra. Ahí es donde se nota “el cimbronazo” si el fotón es de alta energía, o que solo los hacen vibrar un poquito si el fotón es de baja energía. Luego, más adelante, profundizaremos un poco más en esto.

Resumiendo todo lo visto hasta ahora

Ahora que ya presentamos la parejita inseparable electrón-fotón, que sabemos qué hace cada uno, que sabemos que ambos son partícula u onda según nos convenga verlo (o las dos cosas a la vez), que para algunas aplicaciones nos conviene pensar en las ondas, que para otras conviene pensar en partículas, que las partículas no son bolitas, aparece de nuevo la pregunta ¿Qué es lo que irradia nuestro teléfono celular? ondas electromagnéticas o fotones.

La respuesta más sincera es: nadie sabe que es lo que ocurre, a lo mejor es magia…

Pero se encontraron modelos que predicen con mucha exactitud lo que realmente ocurre. Uno de ellos es “la onda” y el otro es “la partícula (fotón)” y aplicamos uno u otro según nos convenga. Aclaro una vez mas que un fotón es una onda y viceversa.

Si asociamos lo que ocurre en las antenas y en el espacio por donde viaja la energía con un modelo ondulatorio, los resultados son congruentes con las mediciones experimentales. Entonces decimos que hay campos eléctricos, magnéticos y ondas. Estos campos eléctricos y magnéticos clásicos se producen porque hay una corriente eléctrica que les dio origen (leyes de Maxwell).

Pero si queremos saber dónde dejó de ser corriente eléctrica para transformarse en onda, ahí es donde hacen su aparición los fotones. La corriente eléctrica se debe a electrones en movimiento por lo tanto la radiación proviene de los electrones, y la física modeliza esto mediante los fotones.

¿Por qué decimos que las ondas de radio son ondas y no otra cosa, aunque nunca las hayamos visto?

• Porque la experimentación permite medir longitud de onda y frecuencia que son típicos de las ondas.

• Porque la experimentación muestra fenómenos de interferencia que son típicos de las ondas.

• Porque usando las leyes de Maxwell se puede predecir la distribución de la energía alrededor de una antena y es comprobable experimentalmente con un alto grado de exactitud.

¿Y porque decimos que también las ondas son fotones?

• Porque el tipo de efectos que producen al interactuar con la materia depende de la frecuencia y no de la intensidad. Esto es típico de un fenómeno de partículas. Recordemos lo de las bolsas, si los fotones son muy energéticos (de frecuencia muy alta llegando al UV) pueden dañar un átomo, aunque haya muy pocos fotones o incluso uno solo (potencia baja)

• Porque tanto la radiación como la absorción de energía es instantánea y este es un fenómeno típico de partículas. La energía tarda en viajar, pero cuando llega se absorbe toda instantáneamente. Si la energía se emitiera o absorbiera como onda y dada la pequeñísima sección de un electrón, éste demoraría tiempos inmensos en absorber la energía.

• Porque el entrelazamiento cuántico solo puede ocurrir en partículas. Este es un fenómeno que no se usó hasta hoy en telecomunicaciones, pero empezará a tener importancia en el futuro inmediato

El Sistema completo:

Ahora, ya habiendo al menos delineado la idea de la física de partículas y teniendo claro cuando podemos decir que hay “ondas” y cuando “partículas” y aceptando, aunque sea a regañadientes, la idea loca que las partículas también son ondas, podemos encarar el estudio completo de un sistema de comunicaciones y ya no nos hace tanto ruido intentar convencernos de que, en algún momento, “la onda se hace partícula y la partícula se hace onda”

Todo sistema de telecomunicaciones tiene su parte eléctrica y su parte “onda”. En la parte eléctrica están el transmisor, el receptor, el cable coaxial y la antena. En ellos la señal a transmitir se define por sus parámetros eléctricos. Una vez que la antena hizo su trabajo de irradiar ahí la señal se define por sus parámetros de onda o de conjunto de fotones, según se la vea desde el punto de vista de la física clásica o de la física cuántica.

Entrelazamiento

Esta tabla nos muestra las equivalencias, por ejemplo, que la amplitud de una señal en un cable tiene su equivalente en energía radiada, si lo vemos como campos decimos que, si se aumenta la amplitud de la señal eléctrica, aumenta la intensidad de campo.

Visto como fotones, si se aumenta la amplitud, se aumenta el número de fotones por segundo.

Lo mismo pasa con la frecuencia, la frecuencia de un campo electromagnético es la misma que la de la corriente que le dio origen. En la perspectiva cuántica, el equivalente a la frecuencia es la energía que transporta cada fotón.

La fase es lo mismo en las dos formas de ver la radiación

Observamos que cuando pasamos de ser energía eléctrica conducida por cables, a energía electromagnética radiada, aparece un nuevo grado de libertad, la polarización.

La polarización es algo que aparece en el mundo de la radiación, pero no existe en el mundo de la corriente conducida. Este nuevo grado de libertad nos permite que en un mismo lugar del espacio y en el mismo momento del tiempo, puedan coexistir por ejemplo dos ondas de la misma frecuencia y no se interfieran entre si, siempre y cuando tengan distinta polarización. Esto tiene muchísimas aplicaciones prácticas en telecomunicaciones, como ser diversidad y MIMO entre otras Visto desde la perspectiva de los fotones, en el mismo lugar del espacio y momento del tiempo pueden coexistir dos fotones de igual energía y no interferirán entreellos si tienen distinto spin (equivalente a polarización). Acá cabe aclarar que el spin es una propiedad como puede ser la masa o la carga. NO ES PARA DONDE GIRAN ya que no aplica el concepto de “girar sobre su eje” en física cuántica. A veces para comprender el concepto de spin, se lo asocia con cosas “entendibles” y de ahí sale por ejemplo que el spin de un electrón como el sentido del campo magnético de una bolita cargada que gira sobre su eje. El electrón no es una bolita y menos que menos gira, pero esta analogía sirvió muchos años para asociar esa particularidad del electrón con algo que conocemos de nuestra percepción macroscópica, aunque no tenga nada que ver con la realidad subatómica. En el caso que nos incumbe que es el fotón y si queremos asociar el spin con algo del mundo macroscópico pensemos que está vibrando y el spin indica como vibra.

En el siguiente gráfico se resume donde conviene aplicar el modelo eléctrico (teoría de circuitos), el modelo electromagnético y el modelo cuántico

En el gráfico anterior se hicieron algunas simplificaciones que vale la pena aclarar: En el aire no se dibujaron átomos, por más que como sabemos el aire es un gas lleno de átomos. Esto se hizo por simplificación, aunque en casos reales debemos considerar la interacción de fotones con los átomos de aire produce efectos de refracción en los estratos de aire, al pasar el conjunto de fotones por capas de aire de distinta densidad, y también absorción al interactuar los fotones con los átomos de ciertos gases y moléculas, como ser la absorción de las moléculas de vapor de agua cerca de 23 GHz o la de átomos de oxígeno cerca de los 60 GHz

Establezco un límite de solo algunos Angstroms (o sea lo que miden algunos átomos) alrededor de la superficie de las antenas como frontera entre la aplicación de modelos cuánticos y electromagnéticos. Esta frontera es arbitraria y difusa. Lo que si puede asegurarse es lo siguiente:

Si no se establece y se considera todo modelizable por física cuántica, seria extremadamente engorroso (hasta imposible) calcular dimensiones reales de antenas, resonancias, etc.

Si no se establece y se considera todo modelizable por electromagnetismo, no tendrían explicación algunos fenómenos como la mismísima emisión y absorción. Los fotones son necesarios aún dentro del conductor para encontrar un modelo apropiado que justifique la velocidad con la que ocurre el fenómeno de propagación dentro de los cables (normalmente entre 0.7 y 0.9 veces la velocidad de la luz). Los electrones se mueven muchísimo más despacio y no podría explicarse el fenómeno si uno piensa que un electrón se “mueve” de punta a punta del cable

Interacción de la energía electromagnética con la materia en el proceso de absorción

El proceso de emisión de energía (transmisión en la jerga de las telecomunicaciones) es bastante intuitivo ya sea que lo miremos desde el punto de vista clásico (electromagnetismo) como desde el punto de vista cuántico (con fotones)

Sabemos que una antena irradia toda la energía que se le aplica para transmitir de lo contrario o violaría el principio de conservación de la energía o acumularía energía, ambas cosas son imposibles. Respecto de las pérdidas (por calor) que pueda tener una antena real, ya sabemos que en la gran mayoría de los casos son pequeñas y la

transformación de RF en calor no es el proceso dominante. Igual si se quiere considerar pérdidas o ROE, basta con restarla de la potencia aplicada y consideramos la potencia emitida como la aplicada a la antena menos las pérdidas y ROE Para quienes no son de la especialidad, ROE= Relación de ondas estacionarias, energía que la antena no puede irradiar y la devuelve al transmisor.

Entonces sabemos que todas las antenas irradian toda la potencia y la diferencia entre una antena y otra, es hacia donde irradian la energía. Esto es el patrón de radiación y ya vimos que aplica a los dos puntos de vista, clásico y cuántico.

Con el modelo clásico justificamos la radiación al decir que todo conductor por el que circula corriente alterna irradia energía, y en el modelo cuántico le asignamos a los electrones esta función, siempre y cuando se estén moviendo -vibrando- en su conjunto y es no es otra cosa que una corriente alternada. Conclusión: son dos formas distintas de decir lo mismo

Entonces en transmisión cualquiera de los dos modos que encaremos el estudio de la antena radiando energía da el mismo resultado y tiene explicaciones muy similares basándose en el modelo aplicado.

Veamos qué pasa con la absorción de energía (recepción en la jerga de las telecomunicaciones)

Primero analizaremos el caso de un enlace radioeléctrico, es decir una antena transmite y una recibe. Luego analizaremos la situación en la que la materia que absorbe la energía no es una antena, es cualquier otra cosa, por ejemplo tejido biológico como ser nosotros mismos.

Caso de absorción de energía en la antena receptora

En este caso la resolución es la clásica que se usa en el cálculo de enlaces. Mediante fórmulas basadas en electromagnetismo podemos saber con suma precisión cuanta energía absorbió la antena receptora. El único aporte que agregaría el punto de vista cuántico es un modelo adecuado de lo que ocurre dentro del metal de la antena receptora. Los electrones del metal al ser impactados por los fotones vibran dentro de esa “sopa de cationes y electrones libres”. Como estamos hablando de energías del espectro de radiofrecuencias la energía de cada fotón es extremadamente pequeña, pero hay tantos electrones libres que los estados posibles de energía de cada electrón son casi infinitos (teoría de bandas), por lo que cualquier electrón puede absorber esa energía y aumentar ligeramente su estado energético. Como sabemos que los electrones son haraganes y siempre quieren estar en el estado energético que tenían,

en seguida se “sacan de encima” la energía recibida emitiendo un nuevo fotón de igual energía a la recibida (por eso se conserva la frecuencia) y van transfiriendo la energía por el metal de electrón en electrón. Recordemos que la energía no puede desaparecer por lo que ese proceso se llevará hasta la carga (el receptor) donde la energía se transforma en calor. Si el receptor no está o no está bien adaptado, luego de un tiempo determinado por la geometría de la antena y el conductor la energía volverá a ser irradiada y ese fenómeno lo entendemos en el mundo clásico como “reflexión en la antena”.

Caso de absorción de energía en otros tipos de materia (no una antena)

En este párrafo abordaremos el tema acerca de que ocurre con la materia cuando está en presencia de energía electromagnética. Una antena también es materia, pero se trata de un dispositivo especialmente creado para absorber dicha energía. En el caso de materia en general, orgánica o no, está más que claro que no está “pensada” para absorber tal energía. Pero tampoco le es transparente

Como veremos, en este caso no puede aplicarse el electromagnetismo solamente para interpretar como es la interacción o el fenómeno que ocurre, y tendremos que recurrir al electromagnetismo a la física de partículas y la química para poderle encontrar una explicación racional al fenómeno para analizar los efectos que produce (calor).

Para mejor explicación usemos un ejemplo concreto, aunque con números simples, veamos que ocurre a 100 m de una antena que emite 1W de potencia a 100 MHz y a 1 GHz

Vemos que la densidad de potencia en la zona donde está la materia es exactamente la misma sea la frecuencia que sea, ya sea calculada por electromagnetismo clásico o

mediante el producto de la cantidad de fotones por la energía que transporta cada uno. Este resultado es real y totalmente lógico ya que no hay motivos para que calculando de un modo u otro de resultados distintos o que la densidad de potencia varíe con la frecuencia

Sin profundizar más, esto nos llevaría a pensar que si la densidad de energía es la misma a cualquier frecuencia la interacción con la materia también sería la misma y daría lo mismo que los 7.95 10-6 Watts/m2 del ejemplo sean producidos por un terminal celular o se trate de radioactividad del reactor de Chernóbil

Ya intuitivamente (o por la analogía de las bolsas) sabemos que no es así. Vamos por qué.

Interacción de la materia con fotones de distinta energía (frecuencia)

Sabemos que los fotones interactúan con los electrones, también sabemos que la misma cantidad de energía en frecuencias más altas se transporta con menos fotones, cada uno más energético. Recordemos la analogía con las bolsas de arena, los electrones que reciben los fotones más energéticos reciben el “bolsazo” más fuerte. También sabemos cuanta energía transporta cada fotón (el tamaño de la bolsa) y la fórmula es extremadamente simple

E= h x f y también sabemos cuál es la energía mínima que es necesaria para alterar un átomo (ionizarlo), este valor es siempre mayor a 3 eV (se toma 3 por seguridad el valor mínimo está bastante por encima de 3 eV), entonces podemos resumirlo en una tabla y graficarlo. Vemos que aún en frecuencias de los 100 TeraHertz que ya es infrarrojo, aún ahí estamos aplicando un 1.24% de la energía mínima necesaria para que ionice cualquier átomo con margen de seguridad y todo

Cualquier sistema de los actuales hasta 100 GHz se materializa mediante fotones de 0.0004 eV lo que representa 1/7500 de la mínima energía necesaria para ionizar cualquier átomo.

Como vimos en el ejemplo de la antena, en un material con electrones de conducción, si a un electrón lo impacta un fotón, simplemente induce una corriente. Recordemos que la corriente es causada por el desplazamiento o vibración promedio de un conjunto grande de electrones causado por un conjunto grande de fotones. Esta corriente, si tiene por donde circular (si la antena está conectada), desarrolla potencia en la carga. Como esos electrones de conducción están relativamente libres de desplazarse o vibrar, no tiene mayor relevancia cuanta energía tengan los fotones siempre y cuando hablemos de fotones de RF Entonces el fenómeno será siempre el mismo cualquiera sea la energía del fotón (es decir su frecuencia): circulación de corriente por la carga si es que esta existe, o reflexión completa si no hay carga

En otro tipo de materia, incluyendo la materia orgánica los electrones impactados por los fotones no tienen la posibilidad de desplazarse en conjunto como en los metales induciendo corrientes fácilmente. Estos materiales no son conductores puros como los que componen una antena

Interacción con la materia orgánica

En este caso los fotones cuando interactúan con los electrones no tienen energía suficiente para arrancarlos del átomo al que pertenecen. La ionización nunca ocurre como consecuencia del impacto de fotones del rango de las radiofrecuencias. Las otras interacciones posibles ocurren con distinta distribución dependiendo del material, entonces cuando los fotones interactúan con materia orgánica pueden:

• Ser absorbidos por un lapso muy pequeño y emitido de nuevo en forma de un nuevo fotón de la misma energía (reflexión)

• No tener ninguna interacción, o sea que pasan de largo sin interactuar en absoluto

• Ser absorbido sin emitirse de vuelta, en este caso la energía recibida del fotón pasa a la estructura molecular en forma de vibración que se disipa en calor. Es importante aclarar que el fenómeno “calor” es macroscópico, necesita de millones de átomos vibrando, que fueron excitados por millones de fotones.

Entonces el fenómeno de interacción de energía de radiofrecuencia con materia orgánica siempre debe pensarse como un fenómeno macroscópico, algunos fotones

son absorbidos y su energía transformada en calor, otros reflejados y otros pasan a través de la materia sin interactuar, esto se resume en una sola frase: hay reflexión parcial y algo de absorción de energía

Resumiendo todo esto podemos decir que los fotones provenientes de cualquier sistema de radiocomunicaciones son de tan baja energía que NUNCA PUEDEN IONIZAR (ALTERAR) UN ÁTOMO SEA DE LA MATERIA QUE SEA y lo único que pueden hacer con la materia es:

• Hacer circular una corriente si interactúan con un conductor conectado a algo El ejemplo mas típico: una antena

• Reflejarse en la materia devolviendo la energía que no pudo ser absorbida (generar nuevos fotones de igual frecuencia)

• Hacer vibrar las moléculas generando indirectamente calor si interactúan con otro tipo de material por ejemplo tejido orgánico

• Algunos fotones pasan de largo sin interactuar en absoluto.

De los cuatro puntos anteriores, el que más nos interesa para este texto es el relativo a la transferencia de energía a la materia produciendo calor. Indudablemente es un modo de transferencia de energía y merece ser analizado en función de la frecuencia y la intensidad del campo. Es intuitivamente obvio que el fenómeno será distinto a distintas frecuencias aún a sabiendas que por tratarse de baja energía nunca llegue a ionizar (alterar) la estructura de ningún átomo.

Mecanismos de absorción de energía

Existen dos mecanismos principales por los cuales un tejido absorbe la energía y la transforma en calor

• Conducción iónica, en general este fenómeno es dominante por debajo de 1 GHz

• Rotación dipolar, en general este fenómeno es dominante por encima de 1 GHz teniendo un pico en 2.45 GHz en muchos tejidos biológicos. Esta es la razón por la cual los hornos a microondas domésticos operan a esta frecuencia

¿Cómo es un tejido visto desde el electromagnetismo?

Un tejido, que puede ser la piel, músculos, grasa, huesos, etc. se lo considera para el análisis electromagnético, como un “dieléctrico anisótropo inhomogéneo con pérdidas”. Es un dieléctrico ya que está lejos de ser un conductor, es anisótropo porque sus características varían según la dirección en que se las mida, es inhomogéneo porque en general está compuesto de distintas partes (como ser nervios, pequeñas glándulas, vasos sanguíneos, etc.) y tiene pérdidas porque si bien es dieléctrico, algo de resistencia tiene y por lo tanto presenta perdidas, lo que significa que disipa energía en forma de calor.

Cada parte del cuerpo humano y de los animales está estudiada y existen tablas con sus características dieléctricas que usan los médicos y fisioterapeutas para los tratamientos de diatermia (que muchos utilizan RF ya sea del rango de HF o de microondas)

Los dieléctricos anisótropos con pérdidas (formen parte de tejidos biológicos o no) se los caracteriza por sus valores de

• Constante dieléctrica. Esta constante mide la capacidad del material para acumular campos eléctricos, si este valor es grande tiende a acumular energía

y devolverla en el hemiciclo siguiente, de hecho es la constante que caracteriza los capacitores (de ahí el término capacidad)

• Factor de pérdidas efectivo (effective loss factor). Es el factor que mide la habilidad del material para transformar energía en calor (disipar), es lo que caracteriza las resistencias.

Ambos componentes son muy dependientes de la frecuencia, y como dijimos antes están tabulados para cada tipo de tejido. A su vez también son dependientes de la temperatura. En el efecto de calentamiento producido por un equipo de telecomunicaciones como ser un celular o un Handy, la elevación de temperatura o es muy pequeña o es directamente indetectable. Pero la dependencia con la temperatura es muy importante en los procesos de cocción con microondas, ya que los fenómenos antes mencionados, también aplican a los alimentos que no dejan de ser compuestos orgánicos con agua y sales de distinto tipo. Por esa razón este mismo tipo de tabla también existe para alimentos ya que existen procesos industriales de cocción, pasteurización, desinfección, etc. que utilizan microondas. Debido a que el tejido “tiene capacidad y tiene resistencia” la permitividad se expresa mediante un número complejo cuyo análisis no se incluye en este texto. Pero como lo que nos interesa para este párrafo es el factor de pérdidas efectivo, ya que es el responsable de la absorción y generación de calor, se lo grafica cualitativamente, para un tejido “típico” solo para ver como es su dependencia con la frecuencia. El factor de pérdidas efectivo engloba los dos procesos antes indicados.

Para analizar en detalle cada proceso debemos recurrir al electromagnetismo, los “campos” y la química. Si bien son procesos que afectan átomos y moléculas, en este caso aplican más las leyes de la química que las de física cuántica aunque en el fondo están muy emparentadas.

El proceso de rotación dipolar

Ocurre en las denominadas “sustancias polares”. Son aquellas sustancias formadas por moléculas que, sin estar compuestas de iones, presentan exceso de carga positiva en uno de los lados y de carga negativa en otro. El ejemplo más típico de molécula polar es el agua. El agua está formada de dos átomos de hidrógeno que se unen a uno de oxígeno por enlaces covalentes. Las moléculas de agua son polares cualquiera sea su estado, vapor de agua, hielo o agua líquida. Para los fines de este texto nos interesa solo el estado líquido, donde puede disolver sales por ejemplo y además las moléculas pueden rotar como veremos inmediatamente. En estado sólido (Hielo) se forma una estructura de 6 moléculas de agua que no pueden rotar por ser un sólido rígido.

Entonces, cuando se somete a un campo eléctrico las moléculas polares como ser las de agua líquida, algunos azúcares y otros compuestos, la molécula entera tiende a orientarse con el campo eléctrico, y eso es debido a que tienen “un lado positivo y un lado negativo”

Si el campo eléctrico se invierte la molécula se invierte siguiendo el campo, este proceso ocurre a la frecuencia del campo electromagnético. En general la rotación no es total (no se llegan a alinear con el campo), esto se debe a que la frecuencia suele ser tan alta que no les da tiempo a las moléculas a rotar completamente y mientras están orientándose en un sentido, el campo ya cambió de polaridad, es como un movimiento de vibración sobre el eje de rotación de la molécula.

Proceso de rotación de la molécula de agua. Rota de manera que el átomo de oxígeno quede del lado más positivo y el hidrógeno del lado más negativo del campo.

Representación de la vibración sobre el eje de rotación de la molécula completa

Este movimiento de rotación parcial y brusco hace que muchas moléculas colisionen con sus vecinas convirtiendo energía cinética en calor.

Obviamente esa energía que se disipó en calor proviene del campo electromagnético aplicado. Para la fuente que generó el campo, este fenómeno se ve como energía que emitió y ya no vuelve porque se transformó en calor dentro del dieléctrico con pérdidas,

por eso se le atribuye al factor de pérdidas efectivo la causa de este hecho. Una manera simple de verificar esto, es tratar de calentar hielo en un horno a microondas, casi imposible de calentar y de derretir. Esto se debe que en el hielo las moléculas de agua, si bien son dipolares, están en forma de cristales y no pueden moverse libremente para intentar alinearse y colisionar. Por esa razón la función “descongelar” de los hornos a microondas aplican la potencia en períodos cortos de manera de calentar ligeramente (sin cocinar) los compuestos de los alimentos, de esta manera se derrite algo de hielo y se forma un poco de agua, en el agua (líquida) se produce el fenómeno de alineamiento con el campo eléctrico de microondas, puede entonces calentarse, derretir más hielo (por calor conducido) y así terminar el proceso de descongelado sin cocinar.

El proceso de conducción iónica

Ocurre en los denominados “Compuestos iónicos” cuando están disueltos en agua y es muy común encontrarlos en tejidos Los compuestos iónicos son aquellos compuestos que se forman cuando un átomo de baja afinidad electrónica cede electrones, convirtiéndose en anión, mientras otro átomo gana esos electrones, dada su alta afinidad por los mismos, convirtiéndose en catión. El ejemplo más típico de este tipo de compuesto es la sal de mesa, cloruro de sodio. Los cationes y aniones son iones ya que son átomos cargados, y nada tienen que ver con los iones producidos al impactar un átomo con un fotón de alta energía como vimos anteriormente. Estos iones forman parte de un proceso químico normal tan simple como disolver sal en agua. La polaridad de la molécula de agua es la causa de la habilidad del agua como solvente. Las moléculas polares del agua separan sustancias iónicas en los iones que la formaban. Las moléculas de agua se concentran alrededor de los cationes y aniones y los separan unos de otros.

Solido iónico (sal por ejemplo) y solución iónica (sal disuelta en agua) sin estar expuestos a ningún campo eléctrico

En presencia de campos eléctricos, los iones como tienen carga ya sea positiva o negativa, tienden a moverse según el sentido del campo, por ejemplo, en el caso de sal disuelta en agua el ion de cloro que tiene carga negativa tiende a moverse hacia el lado positivo del campo y el ion de sodio en el sentido opuesto.

Proceso de movimiento de los iones, el anión cloruro tiende a moverse para el lado más positivo y el catión sodio hacia el lado más negativo del campo.

Ahora, como el campo cambia de sentido millones de veces por segundo, los iones van para un lado y para otro. Este movimiento de vaivén brusco, hace que muchas moléculas colisionen con sus vecinas convirtiendo energía cinética en calor. Obviamente esa energía proviene del campo electromagnético aplicado. Para la fuente que generó el campo, este fenómeno se ve como energía que emitió y ya no vuelve porque se transformó en calor dentro del dieléctrico con pérdidas, por eso se le atribuye al factor de pérdidas efectivo la causa de este hecho. Una manera simple de verificar esto es tratar de calentar sal (seca) en un horno a microondas, casi imposible de calentar. Esto se debe a la sal seca está en forma de cristales y no pueden moverse los iones libremente y colisionar. En cuanto se humedece agregando un poco de agua, en esos lugares donde el agua disolvió al menos algo de sal, el calentamiento es muy intenso y notorio.

El proceso completo

Recordemos que el cuerpo humano en general y cada tejido en particular tiene un gran contenido de agua y sales disueltas, además de otros compuestos que encuadran en los descritos antes como soluciones iónicas y dipolares. Cuando un tejido se expone a radiación de RF el proceso es caótico, los aniones van para un lado, los cationes para el otro (conducción iónica) a su vez las moléculas de agua giran sobre su eje intentando alinearse con el campo externo, de golpe giran para el otro lado (rotación dipolar). Como es de imaginar en semejante desorden las moléculas de agua y la de los cationes y aniones colisionan con sus vecinas, y toda esta “fricción atómica” se manifiesta como calor.

Ejemplo del efecto combinado de conducción iónica y rotación dipolar en un tejido típico con contenido de agua y sales. Cada “estrella” indica una colisión o fricción entre moléculas que genera calor.

Es importante aclarar que este fenómeno NO INVOLUCRA NINGÚN PROCESO NI QUIMICO NI MOLECULAR, solo genera calor. Si se produce algún cambio químico (como ser la cocción en un horno a microondas), dicho cambio se debe a la temperatura consecuencia del proceso, y este cambio químico (cocción en el ejemplo) es el mismo que hubiera ocurrido si la elevación de temperatura ocurre a consecuencia de otro proceso de calentamiento, como ser un horno a convección, por ejemplo. Si la elevación de temperatura es inferior a la requerida para algún cambio químico, la elevación de temperatura desaparece al quitar el campo de RF, y el tejido se enfría hasta llegar a temperatura ambiente como estaba. En un ser vivo si el calentamiento es tal que no produce daños por calor excesiva, una vez retirada la fuente de RF el tejido vuelve a las condiciones en que estaba, esto significa QUE EL CALENTAMIENTO POR RF NO ES ACUMULATIVO pudiendo exponerse reiteradas veces siempre y cuando no se superen límites excesivos de temperatura y producir por ejemplo quemaduras. El proceso de calentamiento por estos dos procesos puede ocurrir en cualquier parte del tejido, en cualquier célula, ya sea en la membrana, citoplasma o núcleo sin dejar alteraciones más allá del calor, y cuando cesa la fuente de energía de RF cesa el aumento de calor. LOS ÁTOMOS QUE CONFORMAN LAS MOLÉCULAS SE FRICCIONAN Y GENERAN CALOR, PERO NO SE ALTERAN DE NINGÚN MODO, NO SE DAÑAN.

Esto es muy distinto del caso que vimos en el que un fotón de alta energía (de rayos X, o radioactividad) impacta un átomo que puede estar por ejemplo formando parte del ADN de una célula. Ese átomo dañado alteró el ADN y por más que el impacto haya ocurrido solo una vez en la vida de la célula, el daño es irreparable, para esa célula y también para aquellas en las que se reproduzca, ya que se reproduce con la “instrucciones” que contiene su ADN y si está alterado también lo estará su descendencia.

Dependencia con la amplitud

Para el proceso de conducción iónica es bastante intuitivo que a mayor amplitud del campo mayor será el desplazamiento de aniones y cationes y mayor la fricción con las moléculas vecinas. Por lo tanto hay una relación directa de amplitud del campo con calor generado. También debemos tener en cuenta que la capacidad del tejido de absorber

energía y transformarla en calor de cuantifica con el factor de pérdidas efectivo que vimos al principio. Este factor es dependiente de la temperatura. En el caso de campos extremadamente intensos (como los presentes en un horno a microondas) puede ocurrir embalamiento térmico.

Para el proceso de rotación dipolar ya no es tan intuitivo. A priori se podría pensar que, si la amplitud es suficientemente grande o la frecuencia baja, o las dos cosas, llegaría un punto en que todas las moléculas están alineadas con el campo y por más amplitud que tenga el campo no hay nuevas fricciones. Esto no es cierto en el rango de potencias, frecuencias y tejidos en los que aplica el análisis hecho para este texto. Las moléculas nunca llegan a orientarse todas completamente con el campo, ya que como dijimos en general es como una vibración alrededor del eje de la molécula, no un giro de 90°. La frecuencia es tan alta y los cambios de sentido del campo tan frecuentes que nunca llegan a alinearse y siempre hay colisiones nuevas. En este caso también aplica el mismo criterio que para conducción iónica, cuanta más amplitud más fricción y el factor de pérdidas es dependiente de la temperatura. Recordemos que el factor de pérdidas equivalente aplica para los dos mecanismos de absorción de energía por parte de la materia.

La absorción de energía del cuerpo humano en general

Sabemos que el cuerpo humano expuesto a campos electromagnéticos puede

• Reflejarlos en parte

• Dispersarlos

• Absorber parte de la energía, este proceso consta de dos partes si consideramos al cuerpo humano como un “dieléctrico con pérdidas”, refracción hacia dentro del cuerpo y disipación en forma de calor siguiendo los procesos ya mencionados antes.

Acoplamiento del cuerpo humano al campo electromagnético.

El término “acoplamiento” se usa para expresar la capacidad de absorber energía de un campo electromagnético incidente. Por ejemplo, una antena si es resonante a la frecuencia de trabajo, está bien adaptada la impedancia, tiene la polarización correcta, está bien orientada, se dice que tiene “máximo acoplamiento con el campo incidente”.

En el caso particular del cuerpo humano el “acoplamiento” depende de muchos factores siendo los principales

• La frecuencia

• La polarización

• El entorno

• La posición y características de la persona

Para este texto consideremos frecuencias de uso común en sistemas de telecomunicaciones, esto de los MHz en adelante. En frecuencias extremadamente bajas como las industriales o frecuencias a las que pueda reaccionar el sistema nervioso, se necesita un análisis distinto ya que no es “solo calor”. Lo mismo ocurre en frecuencias extremadamente altas donde como ya vimos ocurren fenómenos de ionización de átomos.

La absorción de energía y el SAR

La medida de la absorción de energía electromagnética por un tejido se evalúa mediante el SAR (Specific Absorption Rate) cuya unidad es el Watt/Kg. Nos da la idea de cuantos Watts (Joules de energía por segundo) absorbe un tejido de un cierto peso, y esto aplica para un pequeño trozo de tejido, un órgano en particular o todo el cuerpo como conjunto. Obviamente con valores distintos para cada uno, pensemos por ejemplo que no es lo mismo lo que absorbe de RF (se calienta) el pelo que una oreja. Este texto tiene como eje temático, brindar los fundamentos físicos de los efectos de la interacción de la materia con los campos electromagnéticos. Por esa razón no se trata aquí las distintas recomendaciones y formas de evaluar el SAR así como los valores admisibles en cada país. El objeto aquí es tener bien en claro de que hablamos cuando hablamos de SAR.

El SAR se calcula a partir del valor pico del campo eléctrico externo al tejido y de las características particulares del tejido. Vimos que el campo eléctrico es el responsable del hecho que las moléculas polares giren o los cationes y aniones se desplacen generando fricción y por lo tanto calor.

La expresión formal del SAR es ������

Donde

σ es la conductividad expresada en Siemens/metro y ρ es la densidad expresada en Kg/m3

E es el módulo del valor pico del campo eléctrico expresado en Volt/metro

El ½ aplica si la señal es senoidal, cosa que raramente ocurre en la práctica ya que las señales usadas en telecomunicaciones son moduladas, en ese caso lo que debe considerarse es el valor RMS del campo eléctrico quedando la expresión del SAR para uso general como

El SAR se puede calcular para el cuerpo entero, en general esto aplica para exposición a las radiaciones provenientes de una antena externa muy lejana al cuerpo, o bien puede calcularse para ciertas partes del cuerpo como ser cabeza, manos, etc. y esta forma es de aplicación más frecuente cuando la antena emisora está muy próxima al cuerpo, por ejemplo cuando se sostiene un teléfono con una mano, apretándolo contra la oreja. También el SAR localizado es de suma importancia en medicina en los tratamientos de diatermia que básicamente consiste en calentar con fines terapéuticos partes específicas del cuerpo humano como músculos ligamentos, huesos etc. Asimismo, debe tenerse en cuenta que el efecto físico de la exposición de tejidos a la radiofrecuencia es calentamiento, y este es un proceso lento en sí mismo por inercia térmica (por ejemplo, calentar alimentos en el microondas lleva varios minutos), y encima en un organismo vivo, el mismo organismo reacciona ante el calor con cambio en el flujo sanguíneo, sudoración etc. Por ese motivo el cálculo del SAR debe realizarse promediando los resultados en un período de tiempo considerable, que en la práctica suele ser de varios minutos.

¿Por qué hablamos de calcular el SAR y no de medirlo?

En un organismo vivo el SAR no se puede medir, habría que introducir sensores de temperatura entre los tejidos y sería una técnica muy invasiva. Además, la elevación de temperatura en condiciones reales es de valores similares a las variaciones producidas por efectos biológicos de seres vivos (circulación sanguínea, sudoración, etc.), por lo

que aun introduciendo sensores, los valores obtenidos son de poca utilidad. Por esa razón se calcula para los seres vivos, basándose en mediciones de los parámetros eléctricos realizadas sobre tejidos muertos o preparados especiales. Los parámetros medidos son la Conductividad, el factor de pérdidas equivalente y obviamente masa y densidad.

El valor de SAR que aparece en todas las hojas técnicas de los teléfonos celulares es un valor medido, pero obviamente no en un ser humano, sino en un dispositivo especial denominado “fantoma” que es como un “muñeco” que representa la parte donde aplica el SAR especificado (ejemplo la cabeza), este fantoma está lleno con una sustancia que representa el tejido humano real y equipado con sensores de temperatura.

SAR de cuerpo entero

El SAR de cuerpo entero aplica, como dijimos anteriormente, al caso de una persona expuesta a las radiaciones provenientes de una antena razonablemente lejana, de modo que el campo eléctrico sea del mismo valor en todo el cuerpo. En el caso de campo lejano la densidad de potencia y el campo eléctrico están relacionados por la impedancia del medio, por lo tanto, es equivalente hablar de una u otra forma de expresar la intensidad de la radiación a la cual está expuesto. Cuando la longitud de onda es al menos comparable con las dimensiones del cuerpo humano, aparecen resonancias y en esas condiciones el cuerpo está más o menos “acoplado” al campo al cual está expuesto. En la siguiente gráfica se muestran los valores calculados para humanos de distintas edades y en dos condiciones de vestimenta distinta: con y sin calzado. El resto de la vestimenta es absolutamente transparente a la radiación electromagnética, pero el calzado por ser un dieléctrico muy bueno tiene mucha influencia. En el gráfico se muestra como Grounded (puesto a tierra) cuando está descalzo y Isolated (aislado) cuando está con calzado. La influencia del calzado (o de la aislación respecto del plano de tierra) se debe a que si consideramos el cuerpo como una masa oblonga con una resistencia eléctrica determinada (si disipa energía en forma de calor es porque tiene resistencia), el máximo acoplamiento con el campo ocurre cuando la masa mide aproximadamente λ/2 si está aislada de tierra (como en un dipolo de media onda) o λ/4 si está con un extremo a tierra (como en un monopolo de cuarto de onda). En el gráfico se asume que la polarización de la onda incidente es coincidente con el eje de la persona ya que esta es la situación de máximo acoplamiento (dicho en forma más simple, polarización vertical para una persona parada) En exposición de cuerpo entero no se observan diferencias entre hombres y mujeres.

Gráfico de SAR Vs frecuencia para cuerpo entero obtenida de publicaciones de Peter Dimbylow.

Se observa que el máximo acoplamiento de cuerpo entero ocurre entre 40 y 300 MHz para personas de distintas estaturas, calzados o descalzos, por esa razón en la Argentina y en la mayoría de los países del mundo hay más limitaciones a la exposición poblacional en este rango de VHF y UHF que en el resto del espectro electromagnético.

Ejemplo de aplicación

Calculemos la potencia absorbida por un niño de 1 año que está en un balcón directamente al frente de la antena de un sitio celular en 850 MHz que irradia 40 watts de potencia con una antena de 16 dB de ganancia (directividad 101.6 =39.8 veces). El niño está a 20 metros de la antena frente al lóbulo principal de la antena. Asumimos que el niño pesa 10 Kg.

El SAR mas alto es el de un niño de 1 año esté o no descalzo y en este caso es de 12 miliwatt/Kg por cada watt/m2 de densidad de energía recibida

La densidad de potencia recibida será de

Por lo tanto, la potencia absorbida será

������������=12 ���� ���� 10����0316=3792����������������

Profundidad de penetración de la radiación en tejidos biológicos

Del gráfico anterior podemos evaluar la cantidad de energía que el cuerpo absorbe del campo al cual está expuesto, pero ese gráfico no indica donde se desarrolla el calor.

¿en la superficie de la piel? ¿en los órganos más profundos? ¿en los genitales como expresan los mitos populares acerca de la exposición a la RF?

En los tejidos biológicos también se puede determinar una profundidad de penetración al igual que en metales o dieléctricos varios. Esta profundidad de penetración es la distancia a partir de la superficie en la cual el campo interno se reduce a un 37% aproximadamente del que había en la superficie (rigurosamente hablando, se reduce a 1/e)

Esta profundidad de penetración tiene una expresión matemática que no justifica traerla a este artículo, pero es fácil de encontrar en tratados de medicina sobre diatermia (tratamientos con calor)

En lugar es en la siguiente tabla se presentan valores referenciales de la profundidad de penetración en algunos tejidos típicos. En líneas generales se puede decir que la profundidad de penetración es función de la conductividad y a su vez la conductividad depende del contenido de agua del tejido. Por eso la piel y los músculos tienen mayor conductividad y menor profundidad de penetración que los huesos o la grasa. En la piel y los músculos la RF se atenúa más, porque se disipa en forma de calor mediante los mecanismos ya vistos que ocurren principalmente en agua y sales.

En la tabla la conductividad se expresa en S/m es decir Siemens (1/Ω)/m Interpretando los resultados

Pongamos por ejemplo la frecuencia de 1800 MHz, que es de uso habitual en redes celulares. A esa frecuencia la piel necesita 28 mm de ancho para atenuar el campo a un 37%, pero la piel es muchísimo más fina, por lo tanto y debido al espesor es “casi transparente” a esas frecuencias. Debajo de la piel hay músculos o grasa, en el caso de los músculos ya a 29 mm de la superficie el campo cae un 63% (o sea queda un 37%), si hay grasa la misma atenuación se logra 16 cm dentro del cuerpo. El cuerpo humano es muy heterogéneo en su composición, habiendo grasas músculos y huesos en distinta distribución en distintas partes del cuerpo. De todos modos, podemos decir que en el rango de frecuencias de telecomunicaciones absorbemos una buena parte de la energía que recibimos, esa energía absorbida se transforma en calor y la mayor parte de ese calor se disipa en los primeros cm de tejidos. Cuando la frecuencia aumenta mucho, ya estamos llegando al infrarrojo donde la absorción también se manifiesta como calor y debido al fenómeno de profundidad de penetración, se disipa en zonas aún más superficiales. Llegando al ultravioleta es la piel el único órgano que se ve afectado (sin contar la vista obviamente), pero ya estamos muy fuera del alcance del texto.

Vista general de los campos internos generados y la influencia de la profundidad de penetración. Los colores rojos representan los campos internos mas intensos (donde más calor se puede generar) los amarillos los medios y los verdes donde menos calor se puede generar como efectos de la RF. En la mitad inferior del cuerpo se muestra el mismo fenómeno, pero producido por la inmisión proveniente de fuentes externas

El mito que las microondas “cocinan desde dentro”

De la observación cotidiana y de fuentes de información parcial surge el “mito” que los hornos de microondas cocinan desde dentro hacia fuera, y como los equipos de WiFi y los teléfonos operan exactamente en la misma frecuencia, surge la falacia que al exponernos a radiación de equipos de comunicaciones no sentimos el calor porque nos están “recalentando los órganos internos”.

¿de donde sale esto?

Si ponemos un pollo a la parrilla vemos que primero se cocina la piel y luego el interior, entonces sacamos la conclusión (acertada) que la parrilla cocina desde fuera hacia dentro.

Si ponemos el mismo pollo al microondas, no observamos lo mismo, el pollo queda blanco, como hervido y la piel nunca se tuesta y por eso consideramos que “se cocina desde dentro”. Algo de cierto hay en esto, ya que como vimos en el punto anterior, la piel es casi transparente a las microondas (por su espesor y no por su composición) y lo primero que se calientan y son los músculos más exteriores y luego se transfiere calor al centro. Pero nunca desde el centro hacia fuera como algunos suponen.

Resumen general de la parte 1

Siempre absorbemos algo de la energía radiada por fuentes de radiofrecuencia como ser emisoras de FM, TV, equipos de telecomunicaciones, sitios celulares u otros teléfonos que nos rodean

La interacción de la energía radiada por estos equipos con los tejidos biológicos se manifiesta siempre como calor

Si no se superan los niveles a los cuales el calor produce daños a un tejido, cuando se retira la fuente de energía el tejido “se enfría” y todo vuelve a la normalidad (el calentamiento por RF no es acumulativo como el de Rayos X, radioactividad, etc.)

Los niveles de calor antes indicados son los mismos si la fuente de calor es otra (por ejemplo, cercanía al fuego)

La energía radiada por sistemas de telecomunicaciones es siete mil quinientas veces más pequeña que la mínima necesaria para alterar irreversiblemente un átomo. no lo ioniza por eso se llama NO IONIZANTE

Para comprender cabalmente todos los procesos se necesita recurrir a la física cuántica para comprobar porque no ioniza y a la química para comprobar porque produce calor

Como los efectos de radiación y de absorción solo pueden describirse mediante partículas (física cuántica) y mediante este modelo los efectos dependen de la energía (Frecuencia) y no de la cantidad de partículas (potencia), puede asegurarse que por más potencia que se absorba nunca ocurrirá otro efecto que no sea elevación de temperatura.

La máxima absorción la tenemos las bandas de VHF y UHF donde están las FM y los canales de TV, por esa razón todas las reglamentaciones del mundo imponen máximas restricciones en esa parte del espectro

La energía no puede desaparecer, entonces la energía no absorbida no interactúa con el organismo, puede ser reflejada o pasa de largo, pero algo es seguro, no interactúa.

Los efectos térmicos ocurren en la parte más externa del organismo. El mito que “las microondas cocinan de adentro hacia afuera” no es del todo cierto. Si bien no es como en una parrilla donde primero se arrebata la superficie y el calor luego avanza hacia el interior, en el calentamiento por RF ocurre en los primeros cm de tejido. La piel es casi transparente no por su composición química sino por su pequeño espesor.