Editorial José Fuentes
Estudios de la ingeniería Electrónica
Autor José Fuentes
Primera Edición
Características de las ondas Longitud de onda
Emisión Enero 2016 Velocidad de Propagación José D. Fuentes C. Octubre 2015
Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. Y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad constante muy alta, pero no infinita de 300.000 km por segundo. A esta velocidad podemos: - darle la vuelta entera a la Tierra en 20 milisegundos - viajar a la Luna en 1,3 segundos - llegar al Sol en 8 minutos 19 segundos
- llegar a la estrella más cercana en 4,2 años Gracias a ello podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo que quizás esa estrella haya desaparecido ya. O enterarnos de un suceso que ocurre a miles de kilómetros prácticamente en el instante de producirse. Años luz: En un año la luz recorre 9,46 millones de millones de kilómetros: 9.460.000.000.000 Km = 9,46 x 1012 Km. A esta distancia se le llama el año-luz y es muy útil para expresar las distancias entre cuerpos estelares. Para viajar a la estrella más cercana (Alfa Centauro), la luz se demora 4,2 años, se dice entonces que Alfa Centauro se encuentra a una distancia de 4,2 años-luz. Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una oscilación de campos eléctricos y magnéticos. Los campos electromagnéticos al "excitar" los electrones de nuestra retina, nos comunican con el exterior y permiten que nuestro cerebro "construya" el escenario del mundo en que estamos. Las O.E.M. son también soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo del mundo actual.
Parámetros de las ondas Electromagnéticas. Características de las ondas electromagnéticas. Tipos de propagación troposférica.
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA, CIENCIA Y TECNOLOGIA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN: COL- SEDE CIUDAD OJEDA
Carrera Ingeniería Electrónica
Emisión Enero 2016
C.I. 25.492.401
Autor José Fuentes
Todos los tipos de ondas tienen las mismas características, ya sean transversales o longitudinales. Las características más importantes son: •
Cresta (C) y Valle (V) El monte o cresta, es el punto que está más alejado de la posición de equilibrio del medio donde se propaga una onda. Suele representarse con esa nominación al punto que se dibuja en la parte de arriba de la onda. El valle también es el punto más alejado de la posición de equilibrio de una onda, pero en el lado opuesto al lugar donde se ubican los montes o crestas. En una onda longitudinal el monte o cresta recibe el nombre de zona de compresión y el valle se denomina rarefacción.
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Periodo Corresponde al tiempo que tarda un punto, del medio donde se propaga la onda, en completar una oscilación. Se mide en unidades de tiempo, preferentemente el segundo (s). También corresponde al tiempo que tarda una onda en propagarse una distancia equivalente a una longitud de onda.
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Amplitud
En una onda transversal, corresponde a la distancia máxima que se puede separar una partícula del medio que oscila, medida en forma perpendicular a la línea que representa la posición de equilibrio del medio. Se mide en unidades de longitud, preferentemente el metro (m). Importante: La amplitud de una onda representa la energía que transporta una onda. La energía y la amplitud, en este caso, son cantidades directamente proporcionales.
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Frecuencia La frecuencia corresponde a la cantidad de oscilaciones que ocurren en una unidad de tiempo. Si la unidad de tiempo es el segundo (s), la frecuencia se mide en Hertz, que se abrevia Hz. Entre periodo y frecuencia hay una relación matemática, y es: f = 1/ T De la relación se entiende que 1Hz = 1/ S La frecuencia y el periodo, son magnitudes inversamente proporcionales. •
Longitud de Onda Corresponde a la distancia, en línea recta, entre dos puntos de una onda que tienen la misma posición relativa. Esto ocurre, por ejemplo, entre dos crestas sucesivas, o también entre dos valles sucesivos. Se mide en unidades de longitud, preferentemente el metro (m). En una onda longitudinal, la longitud de onda corresponde a la distancia, en línea recta, entre dos zonas de compresión consecutivas o dos zonas de rarefacción consecutivas.
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Nodo En las Ondas existen puntos que no vibran (nodos), que permanecen inmóviles, estacionarios, mientras que otros (vientres o antinodos) lo hacen con una amplitud de vibración máxima, igual al doble de la de las ondas que interfieren, y con una energía máxima. El nombre de onda estacionaria proviene de la aparente inmovilidad de los nodos. La distancia que separa dos nodos o dos antinodos consecutivos es media longitud de onda. Si las ondas armónicas se combinan en determinado medio y tienen la misma frecuencia y longitud de onda, se encuentra que la resultante posee un patrón estacionario, denominado onda estacionaria. •
Velocidad de propagación Representa la distancia que recorre una onda en cada unidad de tiempo, se determina con la relación: v = λ/ T Y, como f =1/ T , la velocidad también se puede determinar con la relación: v = λf Y, si se conoce la distancia, d, que se propaga una onda y el tiempo, T, que tarda en hacerlo, también se puede determinar la velocidad de propagación de ella con la relación: v = d/ T
Las ondas periódicas están caracterizadas por crestas o montes y valles, y usualmente es categorizada como longitudinal o transversal. Una onda transversal es aquella con las vibraciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; ejemplos incluyen ondas en una cuerda y ondas electromagnéticas. Onda longitudinal es aquella con vibraciones paralelas en la dirección de la propagación de las ondas; ejemplos incluyen ondas sonoras. Cuando un objeto corte hacia arriba y abajo en una onda en un estanque, experimenta una trayectoria orbital porque las ondas no son simples ondas transversales sinusoidales. Ondas en la superficie de una cuba son realmente una combinación de ondas transversales y longitudinales; por lo tanto, los puntos en la superficie siguen caminos orbitales. Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un número de situaciones estándar. Todas las ondas pueden experimentar los siguientes fenómenos: •
Difracción La difracción es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, el haz colimado de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.
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Efecto Doppler Es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectrómetros. Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, sí sería apreciable de forma directa la variación de longitud de onda.
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Interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en cualquier tipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficie del agua, Entre otros. Puede producir aleatoriamente aumento, disminución o neutralización del movimiento.
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Reflexión La reflexión es el cambio de dirección de una onda, que al entrar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se originó. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.
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Refracción La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada. Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.
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Onda de Choque En la mecánica de fluidos, una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido en dicho medio, que a través de diversos fenómenos produce diferencias de presión extremas y aumento de la temperatura (si bien la temperatura de remanso permanece constante de acuerdo con los modelos más simplificados). La onda de presión se desplaza como una onda de frente por el medio. Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como explosiones. También se aplica el término para designar a cualquier tipo de propagación ondulatoria, y que transporta, por tanto energía a través de un medio continuo o el vacío, de tal manera que su frente de onda comporta un cambio abrupto de las propiedades del medio. En medios compresibles (gases) las perturbaciones en el medio se transmiten como ondas de presión a distintas velocidades, por ejemplo, al mover la mano desplazamos aire a la velocidad de la mano, al hablar producimos una onda que se mueve aproximadamente a la velocidad del sonido y un pistón de coche produce una onda de choque que se mueve a velocidad del pistón, por lo general a una velocidad superior a la del sonido. Si la perturbación se produce a una velocidad menor a la del sonido, la perturbación es la responsable de que el gas se adapte a la forma del obstáculo para que, por ejemplo, al mover la mano no se quede un vacío de gas en el lugar que ocupaba la mano anteriormente. El gas llena los huecos debido a que la perturbación le informa de a dónde tiene que ir.
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Propagación por onda directa
Para realizar este tipo de propagación es necesario que exista una línea de vista entre el transmisor y el receptor. En este tipo de comunicación se utilizan frecuencias por encima de los 50 MHz. Esto se debe a que las frecuencias altas se ven menos afectadas por los fenómenos atmosféricos, además de que no requiere de antenas grandes para tener una transmisión efectiva de gran directividad, lo que provoca la confiabilidad de que la información llegue a otro lado del transmisor, este tipo de propagación se utiliza para la televisión y la radio FM.
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Propagación por onda terrestre
Este tipo de propagación es posible gracias a la difracción. Las ondas de radio siguen la curvatura de la tierra por la cual la señal de RF es capaz de alcanzar grandes distancias antes de que la señal sea absorbida por la tierra. Gracias al efecto de la difracción la señal puede sortear edificios y montañas. La propagación por onda terrestre solo es útil para frecuencias inferiores a los Mega Hertz, siendo ésta una de las mejores formas de transmitir una señal de RF de baja frecuencia a largas distancias. Este tipo de propagación es comúnmente usada por las radiodifusoras de media onda y de onda larga.
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Propagación por onda refractada o ionosferica
Ésta es una de los tipos de propagación más importantes. Aquí influirá la atmósfera como reflector y esto a su vez ocurre en la ionósfera. La ionósfera es una capa de la atmósfera que se encuentra entre los 40 Km. y 320 Km. y está formada por aire altamente ionizado por la radiación solar. Cuando esta capa se encuentra eléctricamente cargada hace que la señal comience a cambiar en un cierto ángulo, esto lo hace sucesivamente hasta que se realiza una reflexión total y la señal regresa a tierra.. Este tipo de propagación puede ser capaz de conectar dos puntos, los cuales no tienen línea de vista y se puede transmitir a una distancia de hasta 4000 Km. Si las condiciones de la atmósfera fueran adecuadas se podría conectar un punto a cualquier otro lado del planeta, esto es porque la señal refractada de la ionósfera también puede ser reflejada por la tierra y así sucesivamente. Es importante mencionar que la propagación ionosférica está determinada por la frecuencia utilizada y por el nivel de ionización de la atmósfera. Si se tiene una frecuencia grande la refracción sufrida por la misma ionósfera será menor. Se cuenta con una frecuencia establecida a utilizar a distintas horas del día para poder realizar la comunicación ionosférica, esto se conoce como Frecuencia Útil Máxima, FUM. Esto es útil para las comunicaciones satelitales, ya que si se utiliza una frecuencia mayor a la FUM, no se reflejará en la atmósfera y se disparará al espacio.
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Propagación por difracción ionosferica
Este tipo de propagación se produce cuando las ondas emitidas son superiores a los 30 MHz, debido a su frecuencia la señal no será reflejada por la ionósfera, pero si será difractada, por lo que una pequeña parte de la señal llegará a tierra y solo podrá ser captada por un receptor especialmente sensible. Es por esto que este tipo de transmisión utiliza muy poco debido a su baja eficiencia. La figura 5 muestra el efecto de la difracción de una señal por la ionósfera.
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Propagación por difracción meteórica
Para este caso ocurre el mismo efecto de propagación que con el fenómeno de difracción ionosférica, pero aquí la ionósfera se alimenta por el frotamiento de los meteoritos que vienen a gran velocidad del espacio exterior. Este tipo de transmisión se utiliza para comunicaciones a corta distancia y solo funciona a horas y condiciones precisas. La figura 6 muestra el efecto que tienen los meteoros en la ionósfera para que pueda existir la difracción de la señal.
Las pĂŠrdidas por trayectoria en el espacio libre Lp, se definen como las pĂŠrdidas que ocurren cuando una onda electromagnĂŠtica es transmitida en el vacĂo. Pero en realidad no existe pĂŠrdida de energĂa al transmitir las ondas electromagnĂŠticas, el efecto que ocurre realmente es una dispersiĂłn de la seĂąal segĂşn se aleja del transmisor. Por eso es mejor llamar a este fenĂłmeno pĂŠrdidas por dispersiĂłn. La ecuaciĂłn 2 muestra las pĂŠrdidas por dispersiĂłn. 2 4đ?œ‹đ??ˇ 2 4đ?œ‹đ??ˇđ?‘“ LP = = đ?œ† đ??ś EcuaciĂłn 2 Expresando en decibeles esta ecuaciĂłn se obtiene 4đ?œ‹đ??ˇđ?‘“ LP đ?‘‘đ??ľ = 10đ?‘™đ?‘œđ?‘” đ??ś
2
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EcuaciĂłn 3 Si la frecuencia se expresa en MHz, la ecuaciĂłn queda de la siguiente manera. 4đ?œ‹ 10 6 10 LP đ?‘‘đ??ľ = 20đ?‘™đ?‘œđ?‘” 3 ∗ 10 8
3
+ 20đ?‘™đ?‘œđ?‘”đ?‘“ đ?‘€đ??ťđ?‘§ + 20đ?‘™đ?‘œđ?‘”đ??ˇ đ??žđ?‘š
LP đ?‘‘đ??ľ = 32.4 + 20đ?‘™đ?‘œđ?‘”đ?‘“ đ?‘€đ??ťđ?‘§ + 20đ?‘™đ?‘œđ?‘”đ??ˇ(đ??žđ?‘š) EcuaciĂłn 4 Si la frecuencia se indica en GHz, la ecuaciĂłn queda de la siguiente manera. LP đ?‘‘đ??ľ = 92.4 + 20đ?‘™đ?‘œđ?‘”đ?‘“ đ??şđ??ťđ?‘§ + 20đ?‘™đ?‘œđ?‘”đ??ˇ(đ??žđ?‘š) EcuaciĂłn 5 DĂłnde: LP = PĂŠrdidas por trayectoria en el espacio libre D = Distancia a la que viaja la seĂąal F = Frecuencia de transmisiĂłn C = Velocidad de la luz