El espectro electromagnético

El espectro electromagnético es la gama de frecuencias (el espectro) de la radiación electromagnética y sus respectivas longitudes de onda y energías de los fotones.
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El espectro electromagnético cubre las ondas electromagnéticas con frecuencias que van desde menos de un hercio hasta más de 1025 hercios, lo que corresponde a longitudes de onda desde miles de kilómetros hasta una fracción del tamaño de un núcleo atómico. Esta gama de frecuencias está dividida en bandas separadas, y las ondas electromagnéticas dentro de cada banda de frecuencias reciben diferentes nombres; empezando por el extremo de baja frecuencia (longitud de onda larga) del espectro son: ondas de radio, microondas, infrarrojos, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma en el extremo de alta frecuencia (longitud de onda corta). Las ondas electromagnéticas de cada una de estas bandas tienen características diferentes, como la forma en que se producen, cómo interactúan con la materia y sus aplicaciones prácticas. El límite de las longitudes de onda largas es el tamaño del propio universo, mientras que se cree que el límite de las longitudes de onda cortas está en las proximidades de la longitud de Planck. Los rayos gamma, los rayos X y el ultravioleta alto se clasifican como radiaciones ionizantes, ya que sus fotones tienen energía suficiente para ionizar los átomos, provocando reacciones químicas. La exposición a estos rayos puede ser un peligro para la salud, causando enfermedades por radiación, daños en el ADN y cáncer. Las radiaciones de longitudes de onda de luz visible e inferiores se denominan radiaciones no ionizantes, ya que no pueden causar estos efectos.
En la mayoría de las bandas de frecuencia mencionadas, se puede utilizar una técnica llamada espectroscopia para separar físicamente las ondas de diferentes frecuencias, produciendo un espectro que muestra las frecuencias constitutivas. La espectroscopia se utiliza para estudiar las interacciones de las ondas electromagnéticas con la materia. Otros usos tecnológicos se describen en el apartado de radiación electromagnética.
Historia del descubrimiento del espectro electromagnético
Durante la mayor parte de la historia, la luz visible era la única parte conocida del espectro electromagnético. Los antiguos griegos reconocieron que la luz viajaba en línea recta y estudiaron algunas de sus propiedades, como la reflexión y la refracción. El estudio de la luz continuó, y durante los siglos XVI y XVII las teorías contradictorias consideraban que la luz era una onda o una partícula.
El primer descubrimiento de una radiación electromagnética distinta de la luz visible se produjo en 1800, cuando William Herschel descubrió la radiación infrarroja. Estaba estudiando la temperatura de los diferentes colores moviendo un termómetro a través de la luz dividida por un prisma. Observó que la temperatura más alta estaba más allá del rojo. Teorizó que este cambio de temperatura se debía a los «rayos caloríficos», que eran un tipo de rayo de luz que no se podía ver.
Al año siguiente, Johann Ritter, trabajando en el otro extremo del espectro, observó lo que llamó «rayos químicos» (rayos de luz invisibles que inducían ciertas reacciones químicas). Estos rayos se comportaban de forma similar a los rayos de luz violeta visibles, pero estaban más allá de ellos en el espectro. Posteriormente se les dio el nombre de radiación ultravioleta.
La radiación electromagnética se relacionó por primera vez con el electromagnetismo en 1845, cuando Michael Faraday observó que la polarización de la luz que viajaba a través de un material transparente respondía a un campo magnético (véase el efecto Faraday). En la década de 1860, James Maxwell desarrolló cuatro ecuaciones diferenciales parciales para el campo electromagnético. Dos de estas ecuaciones predecían la posibilidad y el comportamiento de las ondas en el campo. Analizando la velocidad de estas ondas teóricas, Maxwell se dio cuenta de que debían viajar a una velocidad que se aproximaba a la velocidad conocida de la luz. Esta sorprendente coincidencia de valores llevó a Maxwell a deducir que la propia luz es un tipo de onda electromagnética.
Las ecuaciones de Maxwell predecían un número infinito de frecuencias de ondas electromagnéticas, todas ellas viajando a la velocidad de la luz. Esta fue la primera indicación de la existencia de todo el espectro electromagnético.
Las ondas predichas por Maxwell incluían ondas a frecuencias muy bajas en comparación con el infrarrojo, que en teoría podrían ser creadas por cargas oscilantes en un circuito eléctrico ordinario de cierto tipo. En un intento por demostrar las ecuaciones de Maxwell y detectar esas radiaciones electromagnéticas de baja frecuencia, el físico Heinrich Hertz construyó en 1886 un aparato para generar y detectar lo que ahora se llama ondas de radio. Hertz encontró las ondas y pudo deducir (midiendo su longitud de onda y multiplicándola por su frecuencia) que viajaban a la velocidad de la luz. Hertz también demostró que la nueva radiación podía ser reflejada y refractada por diversos medios dieléctricos, de la misma manera que la luz. Por ejemplo, Hertz fue capaz de enfocar las ondas utilizando una lente hecha de resina de árbol. En un experimento posterior, Hertz también produjo y midió las propiedades de las microondas. Estos nuevos tipos de ondas allanaron el camino para inventos como el telégrafo sin hilos y la radio.
En 1895 Wilhelm Röntgen observó un nuevo tipo de radiación emitida durante un experimento con un tubo evacuado sometido a un alto voltaje. Llamó a estas radiaciones rayos X y descubrió que eran capaces de atravesar partes del cuerpo humano, pero eran reflejadas o detenidas por la materia más densa, como los huesos. En poco tiempo, se les encontraron muchos usos en el campo de la medicina.
La última porción del espectro electromagnético se completó con el descubrimiento de los rayos gamma. En 1900, Paul Villard estaba estudiando las emisiones radiactivas del radio cuando identificó un nuevo tipo de radiación que, en un principio, pensó que consistía en partículas similares a las conocidas alfa y beta, pero con el poder de ser mucho más penetrantes que cualquiera de ellas. Sin embargo, en 1910, el físico británico William Henry Bragg demostró que los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas, no partículas, y en 1914, Ernest Rutherford (que los había bautizado como rayos gamma en 1903 al darse cuenta de que eran fundamentalmente diferentes de las partículas alfa y beta cargadas) y Edward Andrade midieron sus longitudes de onda, y descubrieron que los rayos gamma eran similares a los rayos X, pero con longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas.
Alcance del espectro
Las ondas electromagnéticas suelen describirse por cualquiera de las tres propiedades físicas siguientes: la frecuencia f, la longitud de onda λ, o la energía del fotón E. Las frecuencias observadas en astronomía van desde 2,4×1023 Hz (rayos gamma de 1 GeV) hasta la frecuencia del plasma local del medio interestelar ionizado (~1 kHz). La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda, por lo que los rayos gamma tienen longitudes de onda muy cortas que son fracciones del tamaño de los átomos, mientras que las longitudes de onda en el extremo opuesto del espectro pueden ser tan largas como el universo. La energía de los fotones es directamente proporcional a la frecuencia de la onda, por lo que los fotones de los rayos gamma tienen la mayor energía (alrededor de mil millones de electronvoltios), mientras que los fotones de las ondas de radio tienen una energía muy baja (alrededor de un femtoelectronvoltio).
Cuando las ondas electromagnéticas existen en un medio con materia, su longitud de onda disminuye. Las longitudes de onda de las radiaciones electromagnéticas, independientemente del medio por el que viajen, suelen citarse en términos de la longitud de onda del vacío, aunque no siempre se indique explícitamente.
En general, la radiación electromagnética se clasifica por su longitud de onda en ondas de radio, microondas, radiación de terahercios (o submilimétrica), infrarrojos, la región visible que se percibe como luz, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. El comportamiento de la radiación EM depende de su longitud de onda. Cuando la radiación EM interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento también depende de la cantidad de energía por quantum (fotón) que transporta.
La espectroscopia puede detectar una región del espectro EM mucho más amplia que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectroscopio común de laboratorio puede detectar longitudes de onda de 2 nm a 2500 nm. Con este tipo de aparatos se puede obtener información detallada sobre las propiedades físicas de objetos, gases o incluso estrellas. Los espectroscopios se utilizan mucho en astrofísica. Por ejemplo, muchos átomos de hidrógeno emiten un fotón de onda de radio que tiene una longitud de onda de 21,12 cm. Además, las frecuencias de 30 Hz e inferiores pueden ser producidas por y son importantes en el estudio de ciertas nebulosas estelares y se han detectado frecuencias tan altas como 2,9×1027 Hz a partir de fuentes astrofísicas.

Tipos de radiación
Los límites
A continuación se exponen las regiones (o bandas o tipos) del espectro electromagnético. Hay que tener en cuenta que no hay límites definidos con precisión entre las bandas del espectro electromagnético, sino que se funden entre sí como las bandas de un arco iris (que es el subespectro de la luz visible). La radiación de cada frecuencia y longitud de onda (o en cada banda) tiene una mezcla de propiedades de las dos regiones del espectro que la delimitan. Por ejemplo, la luz roja se parece a la radiación infrarroja en que puede excitar y añadir energía a algunos enlaces químicos y, de hecho, debe hacerlo para alimentar los mecanismos químicos responsables de la fotosíntesis y del funcionamiento del sistema visual

Regiones del espectro
Los tipos de radiación electromagnética se clasifican a grandes rasgos en las siguientes clases:
– Radiación gamma
– Radiación de rayos X
– Radiación ultravioleta
– Radiación visible
– Radiación infrarroja
– Radiación de terahercios
– Radiación de microondas
– Ondas de radio
La región del espectro en la que cae una determinada radiación electromagnética observada, depende del marco de referencia (debido al desplazamiento Doppler de la luz), por lo que la radiación electromagnética que un observador diría que está en una región del espectro podría parecerle a un observador que se mueve a una fracción sustancial de la velocidad de la luz con respecto al primero que está en otra parte del espectro. Por ejemplo, consideremos el fondo cósmico de microondas. Se produjo, cuando la materia y la radiación se desacoplaron, por la desexcitación de los átomos de hidrógeno al estado básico. Estos fotones procedían de transiciones de la serie Lyman, lo que los situaba en la parte ultravioleta (UV) del espectro electromagnético. Ahora esta radiación ha sufrido el suficiente desplazamiento cosmológico al rojo como para situarla en la región de microondas del espectro para los observadores que se mueven lentamente (en comparación con la velocidad de la luz) con respecto al cosmos.
Radiofrecuencia
Las ondas de radio son emitidas y recibidas por antenas, que consisten en conductores como resonadores de varillas metálicas. En la generación artificial de ondas de radio, un dispositivo electrónico llamado transmisor genera una corriente eléctrica alterna que se aplica a una antena. Los electrones oscilantes de la antena generan campos eléctricos y magnéticos oscilantes que se irradian desde la antena en forma de ondas de radio. En la recepción de ondas de radio, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes de una onda de radio se acoplan a los electrones de una antena, empujándolos hacia adelante y hacia atrás, creando corrientes oscilantes que se aplican a un receptor de radio. La atmósfera de la Tierra es principalmente transparente a las ondas de radio, excepto por las capas de partículas cargadas de la ionosfera, que pueden reflejar ciertas frecuencias.
Las ondas de radio se utilizan ampliamente para transmitir información a través de distancias en sistemas de radiocomunicación como la radiodifusión, la televisión, las radios bidireccionales, los teléfonos móviles, los satélites de comunicación y las redes inalámbricas. En un sistema de radiocomunicación, una corriente de radiofrecuencia se modula con una señal portadora de información en un transmisor, variando la amplitud, la frecuencia o la fase, y se aplica a una antena. Las ondas de radio transportan la información a través del espacio hasta un receptor, donde son recibidas por una antena y la información es extraída por demodulación en el receptor. Las ondas de radio también se utilizan para la navegación en sistemas como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y las balizas de navegación, y para localizar objetos lejanos en la radiolocalización y el radar. También se utilizan para el control remoto, y para la calefacción industrial.
El uso del espectro radioeléctrico está estrictamente regulado por los gobiernos, coordinados por un organismo llamado Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) que asigna las frecuencias a diferentes usuarios para diferentes usos.
Microondas
Planificación de la transmitancia (u opacidad) atmosférica de la Tierra a varias longitudes de onda de la radiación electromagnética.
Las microondas son ondas de radio de corta longitud de onda, de unos 10 centímetros a un milímetro, en las bandas de frecuencia SHF y EHF. La energía de las microondas se produce con tubos klystron y magnetrón, y con dispositivos de estado sólido como los diodos Gunn e IMPATT. Aunque son emitidas y absorbidas por antenas cortas, también son absorbidas por moléculas polares, acoplándose a los modos vibracionales y rotacionales, lo que da lugar a un calentamiento de la masa. A diferencia de las ondas de mayor frecuencia, como los infrarrojos y la luz, que se absorben principalmente en las superficies, las microondas pueden penetrar en los materiales y depositar su energía bajo la superficie. Este efecto se utiliza para calentar alimentos en hornos de microondas, así como para el calentamiento industrial y la diatermia médica. Las microondas son las principales longitudes de onda utilizadas en los radares, y se emplean en las comunicaciones por satélite y en las tecnologías de redes inalámbricas como el Wifi, aunque a niveles de intensidad incapaces de provocar un calentamiento térmico. Los cables de cobre (líneas de transmisión) que se utilizan para llevar las ondas de radio de baja frecuencia a las antenas tienen excesivas pérdidas de potencia en las frecuencias de microondas, por lo que se utilizan tubos metálicos llamados guías de ondas para transportarlas. Aunque en el extremo inferior de la banda la atmósfera es principalmente transparente, en el extremo superior de la banda la absorción de las microondas por los gases atmosféricos limita las distancias prácticas de propagación a unos pocos kilómetros.
Radiación de terahercios
La radiación de terahercios es una región del espectro situada entre el infrarrojo lejano y las microondas. Hasta hace poco, este rango apenas se estudiaba y existían pocas fuentes de energía de microondas en el extremo superior de la banda (ondas submilimétricas o las llamadas ondas de terahercios), pero ahora están apareciendo aplicaciones como la obtención de imágenes y las comunicaciones. Los científicos también quieren aplicar la tecnología de terahercios en las fuerzas armadas, donde las ondas de alta frecuencia podrían dirigirse a las tropas enemigas para incapacitar sus equipos electrónicos. La radiación de terahercios es fuertemente absorbida por los gases atmosféricos, lo que hace que esta gama de frecuencias sea inútil para la comunicación a larga distancia.
Radiación infrarroja
La parte infrarroja del espectro electromagnético cubre el rango de aproximadamente 300 GHz a 400 THz (1 mm – 750 nm). Puede dividirse en tres partes:

• El infrarrojo lejano, de 300 GHz a 30 THz (1 mm – 10 μm). La parte inferior de esta gama también puede denominarse microondas u ondas de terahercios. Esta radiación suele ser absorbida por los llamados modos rotacionales en las moléculas en fase gaseosa, por los movimientos moleculares en los líquidos y por los fonones en los sólidos. El agua de la atmósfera terrestre absorbe tan fuertemente en este rango que hace que la atmósfera sea opaca. Sin embargo, hay ciertos rangos de longitudes de onda («ventanas») dentro del rango opaco que permiten una transmisión parcial, y que pueden utilizarse para la astronomía. El rango de longitudes de onda desde aproximadamente 200 μm hasta unos pocos mm suele denominarse «submilimétrico» en astronomía, reservando el infrarrojo lejano para las longitudes de onda inferiores a 200 μm.
• Infrarrojo medio, de 30 a 120 THz (10-2,5 μm). Los objetos calientes (radiadores de cuerpo negro) pueden irradiar fuertemente en este rango, y la piel humana a temperatura corporal normal irradia fuertemente en el extremo inferior de esta región. Esta radiación es absorbida por las vibraciones moleculares, donde los diferentes átomos de una molécula vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio. Este rango se denomina a veces la región de las huellas dactilares, ya que el espectro de absorción del infrarrojo medio de un compuesto es muy específico para ese compuesto.
• Infrarrojo cercano, de 120 a 400 THz (2.500-750 nm). Los procesos físicos relevantes para este rango son similares a los de la luz visible. Las frecuencias más altas de esta región pueden ser detectadas directamente por algunos tipos de película fotográfica, y por muchos tipos de sensores de imagen de estado sólido para fotografía y videografía infrarroja.

Radiación visible (luz)
Por encima del infrarrojo en frecuencia viene la luz visible. El Sol emite su potencia máxima en la región visible, aunque al integrar todo el espectro de potencia de emisión a través de todas las longitudes de onda se observa que el Sol emite ligeramente más luz infrarroja que visible. Por definición, la luz visible es la parte del espectro EM a la que el ojo humano es más sensible. La luz visible (y la luz infrarroja cercana) suele ser absorbida y emitida por los electrones de las moléculas y los átomos que pasan de un nivel de energía a otro. Esta acción permite los mecanismos químicos que subyacen a la visión humana y a la fotosíntesis de las plantas. La luz que excita el sistema visual humano es una porción muy pequeña del espectro electromagnético. Un arco iris muestra la parte óptica (visible) del espectro electromagnético; el infrarrojo (si pudiera verse) se situaría justo después del lado rojo del arco iris y el ultravioleta aparecería justo después del extremo violeta.
La radiación electromagnética con una longitud de onda entre 380 nm y 760 nm (400-790 terahercios) es detectada por el ojo humano y percibida como luz visible. Otras longitudes de onda, especialmente el infrarrojo cercano (más largo que 760 nm) y el ultravioleta (más corto que 380 nm), también se denominan a veces luz, especialmente cuando la visibilidad para los humanos no es relevante. La luz blanca es una combinación de luces de diferentes longitudes de onda en el espectro visible. Al pasar la luz blanca a través de un prisma, se divide en los distintos colores de luz que se observan en el espectro visible entre 400 nm y 780 nm.
Si la radiación que tiene una frecuencia en la región visible del espectro EM se refleja en un objeto, por ejemplo, un cuenco de fruta, y luego incide en los ojos, se produce la percepción visual de la escena. El sistema visual del cerebro procesa la multitud de frecuencias reflejadas en diferentes tonos y matices, y a través de este fenómeno psicofísico insuficientemente entendido, la mayoría de las personas perciben un cuenco de fruta.
Sin embargo, en la mayoría de las longitudes de onda, la información transportada por la radiación electromagnética no es detectada directamente por los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen radiación electromagnética en todo el espectro, y la tecnología también puede manipular una amplia gama de longitudes de onda. La fibra óptica transmite una luz que, aunque no está necesariamente en la parte visible del espectro (suele ser infrarroja), puede transportar información. La modulación es similar a la utilizada con las ondas de radio.
Radiación ultravioleta
El siguiente en frecuencia es el ultravioleta (UV). La longitud de onda de los rayos UV es más corta que la del extremo violeta del espectro visible, pero más larga que la de los rayos X.
Los UV son las radiaciones de mayor longitud de onda cuyos fotones son lo suficientemente energéticos como para ionizar los átomos, separando los electrones de los mismos, y provocando así reacciones químicas. La radiación UV de longitud de onda corta y las radiaciones de longitud de onda más corta por encima de ella (rayos X y rayos gamma) se denominan radiaciones ionizantes, y la exposición a ellas puede dañar los tejidos vivos, lo que las convierte en un peligro para la salud. Los rayos UV también pueden hacer que muchas sustancias brillen con luz visible, lo que se denomina fluorescencia.
En el rango medio de los UV, los rayos UV no pueden ionizar, pero pueden romper los enlaces químicos, haciendo que las moléculas sean inusualmente reactivas. Las quemaduras solares, por ejemplo, están causadas por los efectos perturbadores de la radiación UV de rango medio en las células de la piel, que es la principal causa del cáncer de piel. Los rayos UV de rango medio pueden dañar irremediablemente las complejas moléculas de ADN de las células, produciendo dímeros de timina, lo que los convierte en un potente mutágeno.
El Sol emite una importante radiación UV (alrededor del 10% de su potencia total), incluyendo rayos UV de longitud de onda extremadamente corta que podrían destruir la mayor parte de la vida en la tierra (el agua del océano proporcionaría cierta protección para la vida allí). Sin embargo, la mayoría de las longitudes de onda UV dañinas del Sol son absorbidas por la atmósfera antes de llegar a la superficie. Los rangos de UV de mayor energía (longitud de onda más corta) (denominados «UV de vacío») son absorbidos por el nitrógeno y, a longitudes de onda más largas, por el oxígeno diatómico simple del aire. La mayor parte de los UV en el rango medio de energía es bloqueada por la capa de ozono, que absorbe fuertemente en el importante rango de 200-315 nm, cuya parte de menor energía es demasiado larga para que el oxígeno diatómico simple del aire la absorba. Esto deja menos del 3% de la luz solar a nivel del mar en UV, con todo este resto en las energías más bajas. El resto es UV-A, junto con algo de UV-B. La gama de energía más baja de UV, entre 315 nm y la luz visible (llamada UV-A), no está bien bloqueada por la atmósfera, pero no causa quemaduras solares y provoca menos daños biológicos. Sin embargo, no es inofensiva y crea radicales de oxígeno, mutaciones y daños en la piel. Ver ultravioleta para más información.
Rayos X
Después de los UV vienen los rayos X, que, al igual que las gamas superiores de los UV, también son ionizantes. Sin embargo, debido a sus mayores energías, los rayos X también pueden interactuar con la materia mediante el efecto Compton. Los rayos X duros tienen longitudes de onda más cortas que los rayos X blandos y, como pueden atravesar muchas sustancias con poca absorción, pueden utilizarse para «ver a través» de objetos con «grosores» inferiores al equivalente a unos metros de agua. Un uso notable es el diagnóstico por imágenes de rayos X en medicina (un proceso conocido como radiografía). Los rayos X son útiles como sondas en la física de altas energías. En astronomía, los discos de acreción que rodean las estrellas de neutrones y los agujeros negros emiten rayos X, lo que permite estudiar estos fenómenos. Los rayos X también son emitidos por las coronas de las estrellas y son fuertemente emitidos por algunos tipos de nebulosas. Sin embargo, los telescopios de rayos X deben situarse fuera de la atmósfera terrestre para ver los rayos X astronómicos, ya que la gran profundidad de la atmósfera de la Tierra es opaca a los rayos X (con una densidad areal de 1000 gramos por cm2), equivalente a 10 metros de espesor de agua. Esta cantidad es suficiente para bloquear casi todos los rayos X astronómicos (y también los rayos gamma astronómicos-ver más adelante).
Los rayos gamma
Después de los rayos X duros vienen los rayos gamma, que fueron descubiertos por Paul Ulrich Villard en 1900. Son los fotones más energéticos y no tienen un límite inferior definido para su longitud de onda. En astronomía son valiosos para estudiar objetos o regiones de alta energía, pero, al igual que con los rayos X, esto sólo puede hacerse con telescopios fuera de la atmósfera terrestre. Los rayos gamma son utilizados experimentalmente por los físicos por su capacidad de penetración y son producidos por una serie de radioisótopos. Se utilizan para la irradiación de alimentos y semillas para su esterilización, y en medicina se emplean ocasionalmente en la radioterapia contra el cáncer. Más comúnmente, los rayos gamma se utilizan para el diagnóstico por imagen en la medicina nuclear, siendo un ejemplo el escáner PET. La longitud de onda de los rayos gamma puede medirse con gran precisión gracias a los efectos de la dispersión Compton.
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De Wikipedia, la enciclopedia libre
De Youtube
De la NASA

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Espectro electromagnético.

• UnwantedEmissions.com (recurso de atribución del espectro radioeléctrico en EE.UU.)
• Cuadro de atribución del espectro radioeléctrico en Australia (de la Autoridad Australiana de Comunicaciones y Medios de Comunicación)
• Tabla canadiense de atribución de frecuencias (de Industry Canada)
• U.S. Frequency Allocation Chart – Covering the range 3 kHz to 300 GHz (from Department of Commerce)
• UK frequency allocation table (from Ofcom, which inherited the Radiocommunications Agency’s duties, pdf format)
• Flash EM Spectrum Presentation / Tool – Very complete and customizable.
• Cómo representar el espectro de colores / Código – Sólo aproximadamente correcto.
• Póster «Espectro de radiación electromagnética» (992 kB)
• Presentación del espectro electromagnético
• Estrategia del espectro electromagnético: Una llamada a la acción Departamento de Defensa de los Estados Unidos