instituto politécnico nacional - campos y ondas electromagneticas

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESIME Zacatenco
I.C.E.
Campos y ondas electromagnéticas
Profesor: Valentín Casillas Sánchez
Práctica 1
Óptica Electromagnética
Equipo 2
Maldonado Ibarra David
Ochoa Vázquez Jacobo
Padilla San Martin Alfredo
Valdés Sandoval Gabriel
Grupo 3CM14
INTRODUCCIÓN TEÓRICA
¿Qué son los campos electromagnéticos?
Campos eléctricos tienen su origen en diferencias de voltaje: entre más elevado
sea el voltaje, más fuerte será el campo que resulta. Campos magnéticos tienen
su origen en los corrientes eléctricos: un corriente más fuerte resulta en un campo
más fuerte. Un campo eléctrico existe aunque no haya corriente. Cuando hay
corriente, la magnitud del campo magnético cambiará con el consumo de poder,
pero la fuerza del campo eléctrico quedará igual
Fuentes naturales de campos electromagnéticos
En el medio en que vivimos, hay campos electromagnéticos por todas partes, pero
son invisibles para el ojo humano. Se producen campos eléctricos por la
acumulación de cargas eléctricas en determinadas zonas de la atmósfera por
efecto de las tormentas. El campo magnético terrestre provoca la orientación de
las agujas de los compases en dirección Norte-Sur y los pájaros y los peces lo
utilizan para orientarse.
Fuentes de campos electromagnéticos generadas por el hombre
Además de las fuentes naturales, en el espectro electromagnético hay también
fuentes generadas por el hombre: Para diagnosticar la rotura de un hueso por un
accidente deportivo, se utilizan los rayos X. La electricidad que surge de cualquier
toma de corriente lleva asociados campos electromagnéticos de frecuencia baja.
Además, diversos tipos de ondas de radio de frecuencia más alta se utilizan para
transmitir información, ya sea por medio de antenas de televisión, estaciones de
radio o estaciones base de telefonía móvil.
Conceptos básicos sobre la longitud y frecuencia de las ondas
¿Por qué son tan diferentes los diversos tipos de campos electromagnéticos?
Una de las principales magnitudes que caracterizan un campo electromagnético
(CEM) es su frecuencia, o la correspondiente longitud de onda. El efecto sobre el
organismo de los diferentes campos electromagnéticos es función de su
frecuencia. Podemos imaginar las ondas electromagnéticas como series de ondas
muy uniformes que se desplazan a una velocidad enorme: la velocidad de la luz.
La frecuencia simplemente describe el número de oscilaciones o ciclos por
segundo, mientras que la expresión «longitud de onda» se refiere a la distancia
entre una onda y la siguiente. Por consiguiente, la longitud de onda y la frecuencia
están inseparablemente ligadas: cuanto mayor es la frecuencia, más corta es la
longitud de onda.
El concepto se puede ilustrar mediante una analogía sencilla. Ate una cuerda larga
al pomo de una puerta y sujete el extremo libre. Si lo mueve lentamente arriba y
abajo generará una única onda de gran tamaño; un movimiento más rápido
generará numerosas ondas pequeñas. La longitud de la cuerda no varía, por lo
que cuantas más ondas genere (mayor frecuencia), menor será la distancia entre
las mismas (menor longitud de onda).
¿Qué diferencia hay entre los campos electromagnéticos no ionizantes y la
radiación ionizante?
La longitud de onda y la frecuencia determinan otra característica importante de
los campos electromagnéticos. Las ondas electromagnéticas son transportadas
por partículas llamadas cuantos de luz. Los cuantos de luz de ondas con
frecuencias más altas (longitudes de onda más cortas) transportan más energía
que los de las ondas de menor frecuencia (longitudes de onda más largas).
Algunas ondas electromagnéticas transportan tanta energía por cuanto de luz que
son capaces de romper los enlaces entre las moléculas. De las radiaciones que
componen el espectro electromagnético, los rayos gamma que emiten los
materiales radioactivos, los rayos cósmicos y los rayos X tienen esta capacidad y
se conocen como «radiación ionizante». Las radiaciones compuestas por cuantos
de luz sin energía suficiente para romper los enlaces moleculares se conocen
como «radiación no ionizante». Las fuentes de campos electromagnéticos
generadas por el hombre que constituyen una parte fundamental de las
sociedades industriales (la electricidad, las microondas y los campos de
radiofrecuencia) están en el extremo del espectro electromagnético
correspondiente a longitudes de onda relativamente largas y frecuencias bajas y
sus cuantos no son capaces de romper enlaces químicos.
Campos electromagnéticos de frecuencias bajas
En presencia de una carga eléctrica positiva o negativa se producen campos
eléctricos que ejercen fuerzas sobre las otras cargas presentes en el campo. La
intensidad del campo eléctrico se mide en voltios por metro (V/m). Cualquier
conductor eléctrico cargado genera un campo eléctrico asociado, que está
presente aunque no fluya la corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la tensión, más
intenso será el campo eléctrico a una determinada distancia del conductor.
Los campos eléctricos son más intensos cuanto menor es la distancia a la carga o
conductor cargado que los genera y su intensidad disminuye rápidamente al
aumentar la distancia. Los materiales conductores, como los metales,
proporcionan una protección eficaz contra los campos magnéticos. Otros
materiales, como los materiales de construcción y los árboles, presentan también
cierta capacidad protectora. Por consiguiente, las paredes, los edificios y los
árboles reducen la intensidad de los campos eléctricos de las líneas de
conducción eléctrica situadas en el exterior de las casas. Cuando las líneas de
conducción eléctrica están enterradas en el suelo, los campos eléctricos que
generan casi no pueden detectarse en la superficie.
Los campos magnéticos se originan por el movimiento de cargas eléctricas. La
intensidad de los campos magnéticos se mide en amperios por metro (A/m),
aunque en las investigaciones sobre campos electromagnéticos los científicos
utilizan más frecuentemente una magnitud relacionada, la densidad de flujo (en
microteslas, µT). Al contrario que los campos eléctricos, los campos magnéticos
sólo aparecen cuando se pone en marcha un aparato eléctrico y fluye la corriente.
Cuanto mayor sea la intensidad de la corriente, mayor será la intensidad del
campo magnético.
Al igual que los campos eléctricos, los campos magnéticos son más intensos en
los puntos cercanos a su origen y su intensidad disminuye rápidamente conforme
aumenta la distancia desde la fuente. Los materiales comunes, como las paredes
de los edificios, no bloquean los campos magnéticos.
Antenas
En esencia, una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir
ondas electromagnéticas, y una guía de onda es un tubo metálico conductor por
medio del cual se propaga energía electromagnética de alta frecuencia, por lo
general entre una antena y un transmisor, un receptor, o ambos. Una antena se
utiliza como la interfase entre un transmisor y el espacio libre o el espacio libre y el
receptor. Una guía de onda, así como una línea de transmisión, se utiliza solo para
interconectar eficientemente una antena con el transceptor. Una antena acopla
energía de la salida de un transmisor a la atmósfera de la Tierra o de la atmósfera
de la Tierra a un receptor. Una antena es un dispositivo recíproco pasivo; pasivo
en cuanto a que en realidad no puede amplificar una señal, por lo menos no en el
sentido real de la palabra (sin embargo, una antena puede tener ganancia), y
recíproco en cuanto a que las características de transmisión y recepción son
idénticas, excepto donde las corrientes de alimentación al elemento de la antena
se limitan a la modificación de patrón de transmisión.
Operación básica de una antena
Sin meterse en cuestiones físicas, si una corriente circula por un conductor, creará
un campo eléctrico y magnético en sus alrededores. Luego nuestra corriente
creará un campo eléctrico y magnético, pero como supondremos que la distancia
entre los dos conductores que forman nuestra línea es pequeña, no se creará una
onda que se propaga, puesto que la contribución que presenta el conductor
superior se anulará con la que presenta el conductor inferior.
Pero si separamos en un punto los dos conductores, los campos que crean las
corrientes ya no se anularán entre sí, si no que se creará un campo eléctrico y
magnético que formará una onda que se podrá propagar por el espacio.
Según esto, dependiendo del punto desde el que separemos el conductor,
tendremos una longitud en los elementos radiantes variable. Al variar esta
longitud, la distribución de corriente variará, y lógicamente la onda que se creará y
se propagará.
Hay que seguir observando que en los extremos seguimos teniendo un mínimo de
corriente y que continúa repitiéndose cada media longitud de onda. Luego ahora
podemos ver de forma gráfica, que si suponemos que nuestra antena son solo los
elementos radiantes y que el punto en el que los hemos separado es el punto de
alimentación de la antena, el módulo de la intensidad en el punto de alimentación
varía y lógicamente, también varía la impedancia que presenta la antena.
Como podemos ver, no por tener una antena más larga logramos radiar mejor, lo
único que conseguimos es variar el diagrama de radiación y la impedancia que
presenta.
Términos y definiciones
Una antena va a formar parte de un sistema, por lo que tenemos que definir
parámetros que la describan y nos permita evaluar el efecto que va a producir
sobre nuestro sistema.
Impedancia
Una antena se tendrá que conectar a un transmisor y deberá radiar el máximo de
potencia posible con un mínimo de perdidas. Se deberá adaptar la antena al
transmisor para una máxima transferencia de potencia, que se suele hacer a
través de una línea de transmisión. Esta línea también influirá en la adaptación,
debiéndose considerar su impedancia característica, atenuación y longitud.
Como el transmisor producirá corrientes y campos, a la entrada de la antena se
puede definir la impedancia de entrada mediante la relación tensión-corriente en
ese punto. Esta impedancia poseerá una parte real Re(w) y una parte imaginaria
Ri(w), dependientes de la frecuencia.
Si a una frecuencia una antena no presenta parte imaginaria en su impedancia
Ri(w)=0, entonces diremos que esa antena está resonando a esa frecuencia.
Normalmente usaremos una antena a su frecuencia de resonancia, que es cuando
mejor se comporta, luego a partir de ahora no hablaremos de la parte imaginaria
de la impedancia de la antena, si no que hablaremos de la resistencia de entrada
a la antena Re. Lógicamente esta resistencia también dependerá de la frecuencia.
Esta resistencia de entrada
resistencia de radiación (Rr)
resistencia de radiación como
misma potencia que radiaría
se puede descomponer en dos resistencias, la
y la resistencia de pérdidas (RL). Se define la
una resistencia que disiparía en forma de calor la
la antena. La antena por estar compuesta por
conductores tendrá unas pérdidas en ellos. Estar pérdidas son las que definen la
resistencia de pérdidas en la antena.
Como nos interesa que una antena esté resonando para que la parte imaginaria
de la antena sea cero. Esto es necesario para evitar tener que aplicar corrientes
excesivas, que lo único que hacen es producir grandes pérdidas.
Resistencia de radiación y eficiencia de antena
No toda la potencia suministrada a la antena se irradia. Parte de ella se convierte
en calor y se disipa. La resistencia de radiación es un poco "irreal", en cuanto a
que no puede ser medida directamente. La resistencia de radiación es una
resistencia de la antena en ca y es igual a la relación de la potencia radiada por la
antena al cuadrado de la corriente en su punto de alimentación. Matemáticamente,
la resistencia de radiación es
Rr= P / i2
donde: Rr
=
Resistencia de radiación (ohms)
P
=
Potencia radiada por la antena (Watts)
i
=
Corriente de la antena en el punto de alimentación (Amperes)
La resistencia de radiación es la resistencia que, si reemplazara la antena,
disiparía exactamente la misma cantidad de potencia de la que irradia la antena.
La eficiencia de antena es la relación de la potencia radiada por una antena a la
suma de la potencia radiada y la potencia disipada o la relación de la potencia
radiada y la potencia disipada o la relación de la potencia radiada por la antena
con la potencia total de entrada.
Ganancia directiva y ganancia de potencia
Los términos ganancia directiva y ganancia de potencia con frecuencia no se
comprenden y, por tanto, se utilizan incorrectamente. La ganancia directiva es la
relación de la densidad de potencia radiada en una dirección en particular con la
densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia,
suponiendo que ambas antenas irradian la misma cantidad de potencia. El patrón
de radiación para la densidad de potencia relativa de una antena es realmente un
patrón de ganancia directiva si la referencia de la densidad de potencia se toma de
una antena de referencia estándar, que por lo general es una antena isotrópica. La
máxima ganancia directiva se llama directividad.
La ganancia de potencia es igual a la ganancia directiva excepto que se utiliza el
total de potencia que alimenta a la antena (o sea, que se toma en cuenta la
eficiencia de la antena). Se supone que la antena indicada y la antena de
referencia tienen la misma potencia de entrada y que la antena de referencia no
tiene pérdidas.
Polarización de la antena
La polarización de una antena se refiere sólo a la orientación del campo eléctrico
radiado desde ésta. Una antena puede polarizarse en forma lineal (por lo regular,
polarizada horizontalmente o verticalmente, suponiendo que los elementos de la
antena se encuentran dentro de un plano horizontal o vertical), en forma elíptica, o
circular. Si una antena irradia una onda electromagnética polarizada verticalmente,
la antena se define como polarizada verticalmente; si la antena irradia una onda
electromagnética polarizada horizontalmente, se dice que la antena está
polarizada horizontalmente; si el campo eléctrico gira en un patrón elíptico, está
polarizada elípticamente; y si el campo eléctrico gira en un patrón circular, está
polarizada circularmente.
Ancho del haz de la antena
El ancho del haz de la antena es solo la separación angular entre los dos puntos
de media potencia (-3 dB) en el lóbulo principal del patrón de radiación del plano
de la antena, por lo general tomado de uno de los planos "principales".
Ancho de banda de la antena
El ancho de banda de la antena se define como el rango de frecuencias sobre las
cuales la operación de la antena es "satisfactoria". Esto, por lo general se toma
entre los puntos de media potencia, pero a veces se refiere a las variaciones en la
impedancia de entrada de la antena.
Tipos
Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores que, unido
a un generador, permite la emisión de ondas de radio frecuencia, o que,
conectado a una impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una fuente
lejana para este fin existen diferentes tipos:
Antena de cuadro:
Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras
arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en
radiogoniometría.
Antena de reflector o parabólica
Las antenas reflectoras parabólicas proporcionan una ganancia y una directividad
extremadamente altas y son muy populares para los radios de microondas y el
enlace de comunicaciones por satélite. Una antena parabólica se compone de dos
partes
principales:
un reflector parabólico y
elemento
activo
llamado
mecanismo
de
alimentación.
En
esencia, el mecanismo de
alimentación aloja la
antena principal (por lo general
un dipolo o una tabla de dipolo), que irradia ondas electromagnéticas hacia el
reflector. El reflector es un dispositivo pasivo que solo refleja la energía irradiada
por el mecanismo de alimentación en una emisión concentrada altamente
direccional donde las ondas individuales están todas en fase entre sí (un frente de
ondas en fase).
Antena lineal
La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición
vertical.
Antena Yagi
Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores,
activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas.
Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y
los reflectores lo reflejan. (figura siguiente)
Para la antena yagi de tres elementos la distancia entre el reflector y el activo es
de 0.15l, y entre el activo y el director es de 0.11l. Estas distancias de separación
entre los elementos son las que proporcionan la óptima ganancia, ya que de otra
manera los campos de los elementos interferirían destructivamente entre sí,
bajando la ganancia.
Como se puede observar, este diseño de antena yagi resulta ser de ancho de
banda angosto, ya que el elemento dipolar está cortado a una sola frecuencia que
generalmente se selecciona en la mitad del ancho de banda de los canales bajos
de TV; es decir, del canal 2 al canal 6 (de 50MHz a 86 MHz). Esto resulta ser una
desventaja ya que no es posible cubrir varios canales de TV con una misma
ganancia seleccionada. Por tal razón se utiliza la denominada antena yagi de
banda ancha, la cual puede cubrir varios canales a la vez aunque sacrificando la
ganancia.
Tiene una impedancia de 50 ohms.
Antenas VHF y UHF
Para clasificar las ondas de radio se toman como medida los múltiplos de diez en
la longitud de onda. Por lo tanto las ondas de VHF tienen una longitud de onda
entre 1 Metro y 10 Metros mientras que las de UHF tienen una longitud de entre
10 Centímetros y un Metro. Como la relación es que la frecuencia es igual a la
velocidad de la luz (misma velocidad que la de propagación de las ondas
electromagnéticas, aproximadamente 300.000 Km./h) dividida por la longitud de
onda, entonces tenemos que la banda de VHF va desde los 30 MHz a los 300
MHz y la de UHF va de los 300 MHz a los 3 Jhs.
Las actuales aplicaciones en comunicaciones de punto a punto o móviles que
superan los 30 MHz son muy populares y han hecho que aparezca un gran
número de antenas para estas aplicaciones.
Analizador de espectros
Un analizador de espectro es un equipo de medición electrónica que permite
visualizar en una pantalla las componentes espectrales en un espectro de
frecuencias de las señales presentes en la entrada, pudiendo ser ésta cualquier
tipo de ondas eléctricas, acústicas u ópticas.
Análisis se refiere a la acción de descomponer algo complejo en partes simples o
identificar en ese algo complejo las partes más simples que lo forman. Como se ha
visto, hay una base física para modelar la luz, el sonido o las ondas de radio en
superposición de diferentes frecuencias. Un proceso que cuantifique las diversas
intensidades de cada frecuencia se llama análisis espectral.
Onda de forma de voz y su espectro
Matemáticamente el análisis espectral está relacionado con una herramienta
llamada transformada de Fourier. Ese análisis puede llevarse a cabo para
pequeños intervalos de tiempo, o menos frecuentemente para intervalos largos, o
incluso puede realizarse el análisis espectral de una función determinada. Además
la transformada de Fourier de una función no sólo permite hacer una
descomposición espectral de los formantes de una onda o señal oscilatoria, sino
que con el espectro generado por el análisis de Fourier incluso se puede
reconstruir o sintetizar la función original mediante la transformada inversa. Para
poder hacer eso, la transformada no solamente contiene información sobre la
intensidad de determina frecuencia, sino también su fase. Esta información se
puede representar como un vector bidimensional o como un número complejo. En
las representaciones gráficas, frecuentemente sólo se representa el módulo al
cuadrado de ese número, y el gráfico resultante se conoce como espectro de
potencia o densidad espectral de potencia.
Una onda triangular representada en el dominio del tiempo y frecuencia.
Utilización
El espectro de frecuencia de un fenómeno ondulatorio (sonoro, luminoso o
electromagnético), superposición de ondas de varias frecuencias, es una medida
de la distribución de amplitudes de cada frecuencia. También se llama espectro de
frecuencia al gráfico de intensidad frente a frecuencia de una onda particular.
En el eje de ordenadas suele presentarse en una escala logarítmica el nivel en
dBm del contenido espectral de la señal. En el eje de abscisas se representa la
frecuencia, en una escala que es función de la separación temporal y el número
de muestras capturadas. Se denomina frecuencia central del analizador a la que
corresponde con la frecuencia en el punto medio de la pantalla.
Fenómeno Ondulatorio Luminoso
El espectro de frecuencias o descomposición espectral de frecuencias puede
aplicarse a cualquier concepto asociado con frecuencia o movimientos
ondulatorios, sonoros y electromagnéticos. Una fuente de luz puede tener muchos
colores mezclados en diferentes cantidades (intensidades). Un arcoíris, o un
prisma transparente, deflecta cada fotón según su frecuencia en un ángulo
ligeramente diferente. Eso nos permite ver cada componente de la luz inicial por
separado. Un gráfico de la intensidad de cada color deflactado por un prisma que
muestre la cantidad de cada color es el espectro de frecuencia de la luz o espectro
luminoso. Cuando todas las frecuencias visibles están presentes por igual, el
efecto es el "color" blanco, y el espectro de frecuencias es uniforme, lo que se
representa por una línea plana. De hecho cualquier espectro de frecuencia que
consista en una línea plana se llama blanco de ahí que hablemos no solo de "color
blanco" sino también de "ruido blanco".
Fenómeno Ondulatorio Sonoro
De manera similar, una fuente de ondas sonoras puede ser una superposición de
frecuencias diferentes. Cada frecuencia estimula una parte diferente de nuestra
cóclea (caracol del oído). Cuando escuchamos una onda sonora con una sola
frecuencia predominante escuchamos una nota. Pero en cambio un silbido
cualquiera o un golpe repentino que estimule todos los receptores, diremos que
contiene frecuencias dentro de todo el rango audible. Muchas cosas en nuestro
entorno que calificamos como ruido frecuentemente contienen frecuencias de todo
el rango audible. Así cuando un espectro de frecuencia de un sonido, o espectro
sonoro. Cuando este espectro viene dada por una línea plana, decimos que el
sonido asociado es ruido blanco.
Fenómeno Ondulatorio Electromagnético
Cada estación emisora de radio o TV es una fuente de ondas electromagnéticas
que emite ondas cercanas a una frecuencia dada. En general las frecuencias se
concentrará en una banda alrededor de la frecuencia nominal de la estación, a
esta banda es a lo que llamamos canal. Una antena receptora de radio condensa
diferentes ondas electromagnéticas en una única señal de amplitud de voltaje, que
puede ser a su vez decodificada nuevamente en una señal de amplitud sonora,
qu
e
es
el
so
nid
o
que oímos al encender la radio. El sintonizador de la radio selecciona el canal, de
un modo similar a como nuestros receptores de la cóclea seleccionan una
determinada nota. Algunos canales son débiles y otros fuertes. Si hacemos un
gráfico de la intensidad del canal respecto a su frecuencia obtenemos el espectro
electromagnético de la señal receptora.
Espectro electromagnético
El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las
radiaciones electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución
característica de la radiación electromagnética de ese objeto.
El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas
para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo
de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la
fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que el límite de la longitud de onda
corta está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la
longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el
espectro sea infinito y continuo.
Rango del espectro
El espectro cubre la energía de ondas electromagnéticas que tienen longitudes de
onda diferentes. Las frecuencias de 30 Hz y más bajas pueden ser producidas por
ciertas nebulosas estelares y son importantes para su estudio. Se han descubierto
frecuencias tan altas como 2.9 * 1027 Hz a partir de fuentes astrofísicas.
La energía electromagnética en una longitud de onda particular λ (en el vacío)
tiene una frecuencia asociada f y una energía fotónica E. Así, el espectro
electromagnético puede expresarse en términos de cualquiera de estas tres
variables, que están relacionadas mediante ecuaciones.
De este modo, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud
de onda corta y energía alta; las ondas de frecuencia baja tienen una longitud de
onda larga y energía baja.
Siempre que las ondas de luz (y otras ondas electromagnéticas) se encuentran en
un medio (materia), su longitud de onda se reduce. Las longitudes de onda de la
radiación electromagnética, sin importar el medio por el que viajen, son, por lo
general, citadas en términos de longitud de onda en el vacío, aunque no siempre
se declara explícitamente.
Generalmente, la radiación electromagnética se clasifica por la longitud de onda:
ondas de radio, microondas, infrarroja y región visible, que percibimos como luz,
rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
El comportamiento de la radiación electromagnética depende de su longitud de
onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, y las
frecuencias inferiores tienen longitudes de onda más largas. Cuando la radiación
electromagnética interacciona con átomos y moléculas, su comportamiento
también depende de la cantidad de energía por cuanto que transporta. La
radiación electromagnética puede dividirse en octavas (como las ondas sonoras).
La espectroscopia puede descubrir una región mucho más amplia del espectro
que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectroscopio de laboratorio común
puede descubrir longitudes de onda desde 2 nm a 2500 nm. Con este tipo de
aparatos puede obtenerse información detallada sobre las propiedades físicas de
objetos, gases o incluso estrellas. La espectrometría se usa sobre todo en
astrofísica. Por ejemplo, muchos átomos de hidrógeno emiten ondas de radio que
tienen una longitud de onda de 21.12 cm.
Tipos de radiación
Aunque el esquema de clasificación suele ser preciso, en realidad existe algo de
trasposición entre tipos vecinos de energía electromagnética. Por ejemplo, las
ondas de radio a 60 Hz pueden ser recibidas y estudiadas por astrónomos, o
pueden ser conducidas a lo largo de cables como energía eléctrica. También,
algunos rayos gamma de baja energía realmente tienen una longitud de onda más
larga que algunos rayos X de gran energía. Esto es posible porque "rayo gamma"
es el nombre que se le da a los fotones generados en la descomposición nuclear u
otros procesos nucleares y subnucleares, mientras que los rayos X son generados
por transiciones electrónicas que implican electrones interiores muy energéticos.
Por lo tanto, la diferencia entre rayo gamma y rayo X está relacionada con la
fuente de radiación más que con la longitud de onda de la radiación.
Generalmente, las transiciones nucleares son mucho más energéticas que las
transiciones electrónicas, así que los rayos gamma suelen ser más energéticos
que los rayos X. Sin embargo, hay transiciones nucleares de baja energía (p.ej. la
transición nuclear de 14.4 keV del Fe-57) que producen rayos gamma que son
menos energéticos que algunos de los rayos X de mayor energía.
Radiofrecuencia
Las ondas de radio suelen ser utilizadas mediante antenas del tamaño apropiado
(según el principio de resonancia), con longitudes de onda en los límites de
cientos de metros a aproximadamente un milímetro. Se usan para la transmisión
de datos, a través de la modulación. La televisión, los teléfonos móviles, las
resonancias magnéticas, o las redes inalámbricas y de radio-aficionados, son
algunos usos populares de las ondas de radio.
Las ondas de radio pueden transportar información variando la combinación de
amplitud, frecuencia y fase de la onda dentro de una banda de frecuencia. El uso
del espectro de radio está regulado por muchos gobiernos mediante la asignación
de frecuencias. Cuando la radiación electromagnética impacta sobre un conductor,
se empareja con él y viaja a lo largo del mismo, induciendo una corriente eléctrica
en la superficie de ese conductor mediante la excitación de los electrones del
material de conducción. Este efecto (el efecto piel) se usado en las antenas. La
radiación electromagnética también puede hacer que ciertas moléculas absorban
energía y se calienten, una característica que se utiliza en los microondas.
Microondas
La frecuencia súper alta (SHF) y la frecuencia extremadamente alta (EHF) de las
microondas son las siguientes en la escala de frecuencia. Las microondas son
ondas lo suficientemente cortas como para emplear guías de ondas metálicas
tubulares de diámetro razonable. La energía de microondas se produce con tubos
klistrón y tubos magnetrón, y con diodos de estado sólido como los dispositivos
Gunn e IMPATT. Las microondas son absorbidas por la moléculas que tienen un
momento dipolar en líquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para
calentar la comida. La radiación de microondas de baja intensidad se utiliza en WiFi.
El horno microondas promedio, cuando está activo, está en un rango cercano y
bastante poderoso como para causar interferencia con campos electromagnéticos
mal protegidos, como los que se encuentran en dispositivos médicos móviles y
aparatos electrónicos baratos
Rayos T
La radiación de terahertzios (o Rayos T) es una región del espectro situada entre
el infrarrojo lejano y las microondas. Hasta hace poco, este rango estaba muy
poco estudiado, ya que apenas había fuentes para la energía microondas en el
extremo alto de la banda (ondas submilimétricas o también llamadas ondas
terahertzios). Sin embargo, están apareciendo aplicaciones para mostrar
imágenes y comunicaciones. Los científicos también buscan aplicar la tecnología
de rayos T en las fuerzas armadas, donde podrían usarse para dirigirlas a las
tropas enemigas, ya que las ondas de alta frecuencia incapacitan los equipos
electrónicos.
Radiación infrarroja
La parte infrarroja del espectro electromagnético cubre el rango desde
aproximadamente los 300 GHz (1 mm) hasta los 400 THz (750 nm). Puede ser
dividida en tres partes:
* Infrarrojo lejano, desde 300 GHz (1 mm) hasta 30 THz (10 μm). La parte inferior
de este rango también puede llamarse microondas. Esta radiación es absorbida
por los llamados modos rotatorios en las moléculas en fase gaseosa, mediante
movimientos moleculares en los líquidos, y mediante fotones en los sólidos. El
agua en la atmósfera de la Tierra absorbe tan fuertemente esta radiación que
confiere a la atmósfera efectividad opaca. Sin embargo, hay ciertos rangos de
longitudes de onda ("ventanas") dentro del rango opacado que permiten la
transmisión parcial, y pueden ser usados en astronomía. El rango de longitud de
onda de aproximadamente 200 μm hasta unos pocos mm suele llamarse
"radiación submilimétrica" en astronomía, reservando el infrarrojo lejano para
longitudes de onda por debajo de los 200 μm.
* Infrarrojo medio, desde 30 a 120 THz (10 a 2.5 μm). Los objetos calientes
(radiadores de cuerpo negro) pueden irradiar fuertemente en este rango. Se
absorbe por vibraciones moleculares, es decir, cuando los diferentes átomos en
una molécula vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio. Este rango es
llamado, a veces, región de huella digital, ya que el espectro de absorción del
infrarrojo medio de cada compuesto es muy específico.
* Infrarrojo cercano, desde 120 a 400 THz (2500 a 750 nm). Los procesos físicos
que son relevantes para este rango son similares a los de la luz visible.
Radiación visible (luz)
La frecuencia por encima del infrarrojo es la de la luz visible. Este es el rango en el
que el Sol y las estrellas similares a él emiten la mayor parte de su radiación. No
es probablemente una coincidencia que el ojo humano sea sensible a las
longitudes de onda que el sol emite con más fuerza. La luz visible (y la luz cercana
al infrarrojo) son absorbidas y emitidas por electrones en las moléculas y átomos
que se mueven desde un nivel de energía a otro. La luz que vemos con nuestros
ojos es realmente una parte muy pequeña del espectro electromagnético. Un arco
iris muestra la parte óptica (visible) del espectro electromagnético; el infrarrojo (si
pudiera verse) estaría localizado justo a continuación del lado rojo del arco iris,
mientras que el ultravioleta estaría tras el violeta.
La radiación electromagnética con una longitud de onda entre aproximadamente
400 nm y 700 nm es detectado por el ojo humano y percibida como luz visible. A
otras longitudes de onda, sobre todo al infrarrojo cercano (más largo de 700 nm) y
al ultravioleta (más corto que 400 nm) también se les llama luz a veces, sobre todo
cuando la visibilidad para los humanos no es relevante.
Si la radiación que tiene una frecuencia en la región visible del espectro
electromagnético se refleja en un objeto, como por ejemplo un plato hondo de
fruta, y luego impacta en nuestros ojos, obtenemos una percepción visual de la
escena. El sistema visual de nuestro cerebro procesa la multitud de frecuencias
reflejadas en diferentes sombras y matices, y a través de este fenómeno
psicofísico que todavía no se entiende completamente, es como percibiríamos los
objetos.
En la mayor parte de las longitudes de onda, sin embargo, la información
transportada por la radiación electromagnética no es directamente descubierta por
los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen radiación electromagnética
a través del espectro, y nuestra tecnología también puede manipular un amplio
rango de longitudes de onda. La fibra óptica transmite luz que, aunque no es
adecuada para la visión directa, puede transportar datos que luego son traducidos
en sonido o imagen. La codificación usada en tales datos es similar a lo que se
usa con las ondas de radio.
Luz ultravioleta
La siguiente frecuencia en el espectro es el ultravioleta (o rayos UV), que es la
radiación cuya longitud de onda es más corta que el extremo violeta del espectro
visible.
Al ser muy energética, la radiación ultravioleta puede romper enlaces químicos,
haciendo a las moléculas excepcionalmente reactivas o ionizándolas, lo que
cambia su comportamiento. Las quemaduras solares, por ejemplo, están
causadas por los efectos perjudiciales de la radiación UV en las células de la piel,
y pueden causar incluso cáncer de piel si la radiación daña las moléculas de ADN
complejas en las células (la radiación UV es un mutágeno). El Sol emite una gran
cantidad de radiación UV, lo que podría convertir rápidamente la Tierra en un
desierto estéril si no fuera porque, en su mayor parte, es absorbida por la capa de
ozono de la atmósfera antes de alcanzar la superficie.
Rayos X
Después del ultravioleta vienen los rayos X. Los rayos X duros tienen longitudes
de onda más cortas que los rayos X suaves. Se usan generalmente para ver a
través de algunos objetos, así como para la física de alta energía y la astronomía.
Las estrellas de neutrones y los discos de acreción alrededor de los agujeros
negros emiten rayos X, lo que nos permite estudiarlos.
Los rayos X pasan por la mayor parte de sustancias, y esto los hace útiles en
medicina e industria. También son emitidos por las estrellas, y especialmente por
algunos tipos de nebulosas. Un aparato de radiografía funciona disparando un haz
de electrones sobre un "objetivo". Si los electrones se disparan con suficiente
energía, se producen rayos X.
Rayos gamma
Después de los rayos X duros vienen los rayos gamma. Son los fotones más
energéticos, y no se conoce el límite más bajo de su longitud de onda. Son útiles a
los astrónomos en el estudio de objetos o regiones de alta energía, y son útiles
para los físicos gracias a su capacidad penetrante y su producción de
radioisótopos. La longitud de onda de los rayos gamma puede medirse con gran
exactitud por medio de dispersión Compton.
No hay ningún límite exactamente definido entre las bandas del espectro
electromagnético. Algunos tipos de radiación tienen una mezcla de las
propiedades de radiaciones que se encuentran en las dos regiones del espectro.
Por ejemplo, la luz roja se parece a la radiación infrarroja en que puede resonar
algunos enlaces químicos.
Desarrollo de la práctica
Para que la práctica se realizara adecuadamente, el profesor no envió a recaudar
información acerca del espectro radioeléctrico en México, así que acudimos a
varios lugares y como prueba de ellos tenemos el espectro que nos obsequiaron
para donarlo a la escuela
Ahora conociendo el espectro radioeléctrico pudimos ver las frecuencias que se
manejas en el país.
Experiencia
El jefe del laboratorio hizo la práctica la cual consistía en medir con una antena de
factor de antena 15 y vimos cómo se medía el espectro
Cálculos
P(dBm) = 10 log(12(92.3)
P(dBm) = -9.52
Antena
V=
E= ?
E=
E=1800
Factor
=
120
15
v
AF
V
Cuestionario
¿Qué es una perturbación electromagnética?
Las perturbaciones electromagnéticas son señales electromagnéticas que alteran,
de manera no intencionada, el normal funcionamiento de los equipos eléctricos y
electrónicos situados en el entorno donde éstas se producen.
Los fenómenos electromagnéticos que puedan crear problemas de funcionamiento
de un dispositivo, de un aparato o de un sistema. Una perturbación
electromagnética puede consistir en un ruido electromagnético, una señal no
deseada o una modificación del propio medio de propagación.
¿Cuántos tipos de decibeles de usan en mediciones electromagnéticas?
¿Qué tipos de antenas se utilizan para medir los siguientes intervalos?
a) 9-30 MHz – Antena Tuner
b) 200 MHz-10GHz – Antena Slot
c) 80MHz – 1 GHz – Antena de Corneta piramidal con doble cresta
¿Qué es un factor de antena?
En telecomunicaciones, el factor de antena se define como el cociente entre la
fuerza del campo electromagnético incidente a la tensión V (unidades: V o mV) en
la
conexión
de
la
línea
de
una
antena.
Para una antena de campo eléctrico, la intensidad del campo es en unidades de V
/ m, o uV / m, y el factor de antena resultante AF es en unidades de 1 / m
¿Qué es la ganancia de una antena?
Esto viene a ser la potencia de amplificación de la señal. La ganancia representa
la relación entre la intensidad de campo que produce una antena en un punto
determinado, y la intensidad de campo que produce una antena omnidireccional
(llamada isotrópica), en el mismo punto y en las mismas condiciones. Cuanto
mayor es la ganancia, mejor es la antena.
Factor de corrección de una antena
K es un factor de corrección que tiene en cuenta que las microondas se desvían o
refractan con la curvatura de la tierra llegando, por lo tanto, más lejos de lo que lo
harían si se propagasen en línea recta.
Observaciones
En la primera parte de la práctica nos dimos cuenta de cómo se manejan
realmente las frecuencias radioeléctricas a lo largo de todo el país ya que
conocimos al encargado de asignarla que cabe destacar que es egresado del
Instituto Politécnico Nacional, con esto no solo nos quedamos con lo teórico sino
también con lo práctico.
Conclusiones
Padilla San Martín Alfredo
El analizador de espectro representa las componentes espectrales de una
determinada señal a partir de su transformada de Fourier.
Con esta representación en el dominio de la frecuencia se visualizan parámetros
de la señal que difícilmente se podrían visualizar con ayuda de un osciloscopio.
El analizador de espectros mide la frecuencia y comprueba el espectro
radioeléctrico en una zona determinada con la ayuda de una antena.
Maldonado Ibarra David
Se pudo demostrar que con el analizador de espectro se trata de recrear el
aspecto de las tensiones captadas por la antena, de las diversas señales de radio.
Este las trata de representar mediante transformadas de funciones, donde las
muestra como ondas sinusoidales, y dependiendo la frecuencia y el campo
electromagnético de la ondas la grafica será vista en el analizador. Donde nos
representa la potencia de las ondas dados por las tensiones y la resistividad de las
mismas.
En el analizador la amplitud de la onda se mide en dbm, que expresa los niveles
de potencia de las ondas. Y con estas mediciones se pueden convertir a watts,
para un mejor manejo.
Ochoa Vázquez Jacobo
Las señales están en la vida cotidiana en un medio común como lo es el aire, en el
que se propagan fácilmente y se encuentran a diferentes frecuencias las que se
pueden observar en el analizador de espectros que percibe estas señales a través
de una antena receptora conectada a este.
Valdés Sandoval Gabriel
Las antenas son receptores de todo tipo de señales electromagnéticas las cuales
podemos representar y observar mediante un dispositivo electrónico.
El analizador de espectros nos permite representar gráficamente las señales
captadas por las antenas.