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ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNIACIONES
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LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Y SUS APLICACIONES
Autores:
Diana Castillo Pablo Solano
[email protected] [email protected]
“Profesionales en formación Primer Ciclo “A”, Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones
Loja-Ecuador”
Resumen: Fundamentalmente en este
trabajo a realizar hablaremos sobre las
ondas electromagnéticas y sus
aplicaciones que son de suma
importancia en la humanidad y sobre
todo para el mundo físico, científico,
porque no también decirlo tecnológico;
además nos ayudará a desarrollar mejor
nuestros conocimientos adquiridos.
Palabras claves: Ondas, ondas
electromagnéticas, microondas,
movimiento de las ondas.
1. Introducción: Nuestro medio se
encuentra lleno de diversos tipos de
ondas como las olas del río, las ondas
sonoras, las ondas generadas por un
sismo y la luz. Todas las ondas son
resultado de una perturbación.
Cuando dos ondas se unen en un punto
estas se imparten energía este proceso
sucede en el movimiento de las ondas
sonoras ya que su medio de transporte
suele ser el aire.
2. Características Generales:
Movimiento Ondulatorio
¿Qué es?
Es un proceso por el que se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecánicas o electromagnéticas. En cualquier punto de la trayectoria de propagación se produce un desplazamiento periódico, u oscilación, alrededor de una posición de equilibrio.
Puede ser una oscilación de moléculas de aire, como en el caso del sonido que viaja por la atmósfera, de moléculas de agua (como en las olas que se forman en la superficie del mar) o de porciones de una cuerda o un resorte. En todos estos casos, las partículas oscilan en torno a su posición de equilibrio y sólo la energía avanza de forma continua. Estas ondas se denominan mecánicas porque la energía se transmite a través de un medio material, sin ningún movimiento global del propio medio. Las únicas ondas que no requieren un medio material para su propagación son las ondas electromagnéticas; en ese caso las oscilaciones corresponden a variaciones en la intensidad de campos magnéticos y eléctricos
Ondas
¿Qué son?
La propiedad esencial del movimiento
ondulatorio es que no implica un
transporte de materia de un punto a
otro. Así, no hay una ficha de dominó o
un conjunto de ellas que avancen
desplazándose desde el punto inicial al
final; por el contrario, su movimiento
individual no alcanza más de un par de
centímetros. Lo mismo sucede en la
onda que se genera en la superficie de
un lago o en la que se produce en una
cuerda al hacer vibrar uno de sus
extremos. En todos los casos las
partículas constituyentes del medio se
desplazan relativamente poco respecto
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de su posición de equilibrio. Lo que
avanza y progresa no son ellas, sino la
perturbación que transmiten unas a
otras. El movimiento ondulatorio supone
únicamente un transporte de energía y
de cantidad de movimiento (figura 1)
Figura 1. Movimiento ondulatorio y ondas
Tipos de ondas:
¿Cuáles son?
Las ondas se clasifican según la dirección de los desplazamientos de las partículas en relación a la dirección del movimiento de la propia onda. Si la vibración es paralela a la dirección de propagación de la onda, la onda se denomina longitudinal (ver figura 1). Una onda longitudinal siempre es mecánica y se debe a las sucesivas compresiones (estados de máxima densidad y presión) y enrarecimientos (estados de mínima densidad y presión) del medio. Las ondas sonoras son un ejemplo típico de esta forma de movimiento ondulatorio. Otro tipo de onda es la onda transversal, en la que las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Las ondas transversales pueden ser mecánicas, como las ondas que se propagan a lo largo de una cuerda tensa cuando se produce una perturbación en uno de sus extremos (ver figura 2), o electromagnéticas, como la luz, los rayos X o las ondas de radio. En esos casos, las direcciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación. Algunos movimientos ondulatorios mecánicos, como las olas superficiales de los líquidos, son combinaciones de movimientos longitudinales y transversales, con lo que las partículas de líquido se mueven de forma circular.
En una onda transversal, la longitud de onda es la distancia entre dos crestas o valles sucesivos. En una onda longitudinal, corresponde a la distancia entre dos compresiones o entre dos enrarecimientos sucesivos. La frecuencia de una onda es el número de vibraciones por segundo. La velocidad de propagación de la onda es igual a su longitud de onda multiplicada por su frecuencia. En el caso de una onda mecánica, su amplitud es el máximo desplazamiento de las partículas que vibran. En una onda electromagnética, su amplitud es la intensidad máxima del campo eléctrico o del campo magnético. (figura 2)
Figura 2. Tipos de Ondas
Ondas Electromagnéticas
¿Qué son?
Las ondas electromagnéticas son transversales; las direcciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la de propagación. 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
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en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse. Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible. Historia del descubrimiento James Clerk Maxwell fue el primero en hacer la observación teórica de que un campo electromagnético variable admite una solución cuya ecuación de movimiento se corresponde a la de una onda. Eso sugería que el campo electromagnético era susceptible de propagarse en forma de ondas, tanto en un medio material como en el vacío. Esas observaciones llevaron a Maxwell a proponer que la luz visible realmente está formada por ondas electromagnéticas. La trascendencia de la teoría de Maxwell estriba en que proporcionaba una descripción matemática del comportamiento general de la luz. En particular este modelo describe con exactitud como se puede propagar la energía en forma de radiación por el espacio en forma de vibración de campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, las propuestas de Maxwell ocasionaron cierto debate, especialmente dos cuestiones: La posibilidad de la propagación de las ondas en el vacío suscitó ciertas dudas en su momento. Ya que la idea de que una onda se propagara de forma autosostenida en el vacío resultaba extraña, razón por la cual años antes había nacido la teoría del éter. Además las ecuaciones de Maxwell sugerían que la velocidad de propagación en el vacío era constante, para todos los observadores. Eso llevo a interpretar la velocidad de propagación
constante de las ondas electromagnéticas como la velocidad a la que se propagaban las ondas respecto a un supuesto éter inmóvil que sería un medio material muy sutil que invadiría todo el universo. Sin embargo, el famoso experimento de Michelson y Morley descartó la existencia del éter y quedó inexplicado hasta que Albert Einstein, Poincaré, H. Lorentz y otros, explicarían la constancia de la velocidad de la luz como una constante de las leyes de la Física. (la teoría especial de la relatividad extiende la constante de propagación de la luz a todo fenómeno físico, no sólo las ondas electromagnéticas).
Sin embargo a pesar de todas esas cuestiones los primeros experimentos para detectar físicamente las ondas electromagnéticas, diferentes de la luz, fueron llevados a cabo por Heinrich Hertz en 1888, gracias a que fue el primero en construir un aparato que emitía y detectaba ondas electromagnéticas VHF y UHF.
Aplicaciones de las Ondas
Electromagnéticas :
Ejemplo
Las microondas
¿Por qué se llaman microondas? ―Micro‖ en griego significa pequeño. Las microondas son ondas electromagnéticas igual que las de radio, pero de longitud de onda mucho más pequeña: las longitudes de ondas de radio AM son de unos 300 metros, las de FM, de unos 3 metros, mientras que las de microondas son de unos pocos centímetros. Específicamente las del horno son de 12 cm.
¿Qué son las microondas?
Las microondas, en un electrodoméstico ―microondas‖ el proceso que se genera y que
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permite calentar a los alimentos. Fig3
Las microondas están situadas entre los rayos infrarrojos (cuya frecuencia es mayor) y las ondas de radio convencionales. Su longitud de onda va aproximadamente desde 1 mm hasta 30 cm. Las microondas se generan con tubos de electrones especiales como el klistrón o el magnetrón, que incorporan resonadores para controlar la frecuencia, o con osciladores o dispositivos de estado sólido especiales. Las microondas son como estamos analizando en este estudio, ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que las ondas de radio, luz visible o rayos X. Lo que diferencia a cada una de las ondas del espectro electromagnético es su frecuencia (o de forma equivalente su longitud de onda).
Figura 3. El microonda
Utilidades del microonda
Las microondas tienen muchas
aplicaciones: radio y televisión,
radares, meteorología,
comunicaciones vía satélite (fig 4),
medición de distancias,
investigación de las propiedades de
la materia o cocinado de alimentos.
Las microondas pueden detectarse
con un instrumento formado por un
rectificador de diodos de silicio
conectado a un amplificador y a un
dispositivo de registro o una
pantalla.
La Radiación de Fondo de
Microondas es una radiación de baja
temperatura que llega a la superficie
de la Tierra desde el espacio.
Recibe este nombre porque
constituye un fondo de radiación de
todas las direcciones del espacio,
incluso de aquéllas en las que no
hay ningún objeto. Arno Penzias y
Robert W. Wilson fueron los
primeros en detectarla y darla a
conocer en 1965. De acuerdo con la
teoría de gran aceptación, esta
radiación es lo que queda de las
elevadísimas temperaturas propias
de los primeros momentos del Big
Bang.
En 1945 Percy Spencer, un
científico americano, descubrió las
posibilidades culinarias de las
microondas al preparar con éxito
palomitas de maíz.
Figura 4 Satélite
Los alimentos en general contienen
agua en una proporción elevada. El
agua está formada por moléculas
polares. Esto quiere decir que
podemos considerar la molécula de
agua como una estructura con dos
polos en los extremos, uno positivo
y el otro negativo.
Las microondas son capaces de
tirar de los polos de las moléculas
polares forzándolas a moverse. El
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sentido en que las microondas tiran
de las moléculas cambia
2450000000 veces por segundo.
Esta interacción entre microondas y
moléculas polares provocan el giro
de éstas.
Las microondas hacen rotar más o
menos eficientemente al resto de
moléculas polares que hay en los
alimentos además del agua. Las
microondas sin embargo no tienen
ningún efecto sobre las moléculas
apolares (sin polos), por ejemplo los
plásticos. Tampoco ejercen efecto
sobre sustancias polares en las que
las partículas que las forman no
tienen movilidad. En este grupo
estaría el agua sólida, la sal común,
la porcelana o el vidrio,
Una vez que las moléculas de agua
presentes en los alimentos
comienzan a girar, pueden transferir
parte de esta energía mediante
choques con las moléculas
contiguas. Este mecanismo hará
que por conducción todo el alimento
acabe calentándose.
Figura 5
Una red de área local por radio
frecuencia o WLAN (Wireless LAN)
puede definirse como una red local
que utiliza tecnología de
radiofrecuencia para enlazar los
equipos conectados a la red, en
lugar de los cables coaxiales o de
fibra óptica que se utilizan en las
LAN convencionales cableadas, o
se puede definir de la siguiente
manera: cuando los medios de
unión entre sus terminales no son
los cables antes mencionados, sino
un medio inalámbrico, como por
ejemplo la radio, los infrarrojos o el
láser. Fig 5
La tecnología basada en
microondas se puede considerar
como la más madura, dado que es
donde se han conseguido los
resultados más claros. La basada en
infrarrojos, por el contrario, se
encuentra de momento menos
desarrollada, las distancias que se
cubren son sensiblemente más
cortas y existen aún una importante
serie de problemas técnicos por
resolver. Pese a ello, presenta la
ventaja frente a las microondas de
que no existe el problema de la
saturación del espectro de
frecuencias, lo que la hace
tremendamente atractiva ya que se
basa en un "espacio libre" de
actuación
Se usan en el radar y otros sistemas
de comunicación, así como en el
análisis de detalles muy finos de la
estructura atómica y molecular (fig
6) .Se generan mediante
dispositivos electrónicos. Son ondas
de radio de alta frecuencia y por
consiguiente de longitud de onda
muy corta, de ahí su nombre.
Tienen la propiedad de excitar la
molécula de agua, por consiguiente
se utilizan en los hornos de
microondas para calentar alimentos
que contengan este líquido.
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Fig 6
¿Cómo se producen las
microondas?
En los hornos, se generan con un
dispositivo llamado magnetrón, que
es derivado de los radares: un
aparato que produce microondas de
gran potencia. El magnetrón es una
pequeña cavidad metálica con un
filamento caliente que emite
electrones, un alto voltaje que los
acelera y un poderoso imán que los
hace girar. Al girar, los electrones
generan una onda resonante en la
cavidad. Este tipo de resonancia es
similar a cómo en una guitarra las
cuerdas hacen resonar la caja de
madera.
La onda es posteriormente guiada
hacia la cámara del horno donde
llega a la comida y la calienta.
¿Por qué las microondas
calientan algunas cosas y otras
no?
Las microondas calientan
principalmente el agua líquida en los
alimentos. La microonda, como toda
onda electromagnética, es un
campo eléctrico oscilante que
empuja a las cargas eléctricas en la
materia, y aunque la molécula de
agua es neutra en total, tienen dos
polos de carga: un extremo positivo
y el otro negativo. Así, la onda
empuja los extremos de las
moléculas en direcciones opuestas,
haciendo que éstas tiendan a girar y
golpearse o rozarse entre ellas
violentamente, lo que se traduce en
calor. Las moléculas de otros
materiales que no son polares no se
calientan tanto como el agua.
Tampoco el hielo se calienta mucho
porque, aunque está hecho de agua,
las moléculas están en posiciones
fijas y no tienen movilidad para
rozarse entre ellas. Por eso, al
descongelar un trozo de carne, el
trozo menos congelado (donde el
agua ya es líquida) empieza a
calentarse mucho más rápido –y
puede hasta cocerse—mientras el
resto sigue congelado. Así, para
descongelar el trozo, hay que
calentarlo muy lentamente para que
el calor que llega de la onda a la
zona descongelada se propague y
descongele el resto.
En resumen: el magnetrón produce
radiación de microondas de gran
potencia que llegan al alimento,
agitan a las moléculas de agua y
éstas absorben esa energía y se
calientan.
3. Propósito :
Es demostrar el tipo de movimiento
que existe en los diferentes tipos de
ondas y conocer más a fondo
sobre sus aplicaciones en este caso
hemos hablado de los microondas y
las utilidades que tiene el mismo.
4. Conclusiones :
Concluimos que las ondas son
importantes en nuestra
sociedad ya que a través de
ellas podemos obtener diversos
beneficios.
Que el tipo de movimiento de
las ondas es diferente esto es
más especificado en el
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movimiento de las ondas
sonoras.
De acuerdo al trabajo
realizado podemos decir que
para calentar cosas en el
microondas las moléculas
deben ser polares porque si
son no polares no se calientan
tanto como por ejemplo el
agua.
La onda electromagnética
enviada por el microondas es
posteriormente guiada hacia la
cámara del horno done llega la
comida esto produce que sufra
un calentamiento
5. Referencias :
Alonso, Marcelo y Finn,
Edward. Campos y Ondas.
En “Física”. Vol. II.
México: Addison Wesley
Iberoamericana, 1986. Texto
universitario clásico en el
que se trata de forma
rigurosa la descripción de las
ondas y sus propiedades.
www.gallawa.com/microtech/magnetron.html
Pozar, David M. (1993). Microwave Engineering Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 0-201-50418-9.
Dugauquier C. – Effects of exposure to electromagnetic fields (microwaves) on mammalian pregnancy. Litterature review – Médecine et Armées, 2006; 34 (3): 215-218
Heynick C. et al. – Radio Frequency Electromagnetic Fields: Cancer,Mutagenesis, and Genotoxicity – Bioelectromagnetics Supplement, 2003; 6:S74-S100 .
Martín-Gil J., Martín-Gil F.J, José-Yacamán M., Carapia-Morales L. and Falcón-Bárcenas
T. Microwave-assisted Synthesis of Hydrated Sodium Uranyl Oxonium Silicate. Polish Journal of Chemistry. 2005. 79, 1399-1403
French, A. P. Vibraciones y
Ondas. Barcelona: Editorial
Reverté, 1997. Texto
universitario en el que se
describen, con un
tratamiento matemático
riguroso, el movimiento
vibratorio y el movimiento
ondulatorio
