MÓDULO V: ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Ecuaciones de Maxwell
Las ecuaciones de Maxwell se pueden formular de distintas maneras. Se pueden formular de forma integral o de forma diferencial y también se pueden expresar dependiendo de si la onda se propaga por el vacío o por un material.
Las Ecuaciones de Maxwell surgen de la teoría electromagnética y son el resumen esta teoría desde un punto de vista macroscópico. Esas ecuaciones tienen la forma más general:
Y son, por tanto, un total de ocho ecuaciones escalares (tres para cada uno de los rotacionales de los campos eléctrico y magnético y una para las divergencias).
Parámetros presentes:
Los parámetros que intervienen en la formulación de las ecuaciones de Maxwell son los siguientes:
- Campo eléctrico existente en el espacio, creado por las cargas.
- Campo dieléctrico que resume los efectos eléctricos de la materia.
-Campo magnético existente en el espacio, creado por las corrientes.
- Campo magnético que resume los efectos magnéticos de la materia.
- Densidad de cargas existentes en el espacio.Ondas armónicas
Cuando la fuente que produce la perturbación describe un movimiento armónico simple la onda generada se denomina onda armónica. Muchos fenómenos físicos pueden ser descritos por estas ondas, además cualquier movimiento ondulatorio puede expresarse como superposición de ondas armónicas (Teorema de Fourier).
Descripción de una onda armónica
Supongamos una cuerda infinita en la que se fuerza a uno de sus extremos a realizar un movimiento armónico simple de amplitud A y de frecuencia f o ν. Su desplazamiento vertical (y) será (a falta de la constante de fase):
Cada uno de los pulsos de onda generados se propaga por la cuerda de forma continua produciendo una onda armónica de la misma amplitud y de la misma frecuencia. En un instante de tiempo determinado (t0) la cuerda tendría esta forma:
Si se representa el desplazamiento vertical en función del tiempo para un punto de coordenada fija (x0) se obtiene:
El tiempo que tarda un punto en describir una oscilación completa es el periodo (T) cuyas unidades en el S. I. son los segundos. La inversa del periodo es la frecuencia (f o ν) que representa el número de oscilaciones por segundo y se mide en Herzios.
La velocidad de fase se calcula entonces como el cociente entre la longitud de onda y el periodo:
O de una forma más sencilla:
En esta ecuación se ha incorporado ya la constante de fase φ, que queda determinada por las condiciones iniciales. Se puede usar también la función seno, con la constante de fase correspondiente.
Antenas, emisión y recepción.
Tecnología de emisión y recepción inalámbrica, sistemas complejos de antenas y radiofrecuencia Los sistemas de transmisión inalámbrica desempeñan un papel cada vez más importante en las telecomunicaciones modernas. Con la expansión a escala mundial de la telefonía móvil, evento ocurrido en la década de los 90, la comunicación con unidades terminales inalámbricas se ha convertido en uno de los retos tecnológicos más importantes. El gran incremento del número de abonados y el volumen de datos, al igual que las nuevas aplicaciones de identificación por radiofrecuencia (RFID) o la tecnología Bluetooth, necesitan sistemas de emisión y recepción de elevada eficiencia para garantizar la transmisión segura de la información. Es por esto que, para el funcionamiento libre de interferencias de las redes inalámbricas de banda ancha, resultan imprescindibles las antenas adaptables capaces de enviar señales exclusivamente a un receptor determinado.
Tecnología de antenas
Hablamos de sistemas inalámbricos en el más amplio sentido de la palabra cuando nos referimos a cualquier sistema que permita transferir señales sin el uso de cables. Se trata pues de un método en el que la señal se extiende libremente por el espacio circundante. Para que esto sea posible se requieren ciertos equipos tecnológicos especiales, capaces de emitir hacia el espacio libre la señal requerida, recibirla y transformarla en una señal capaz de propagarse a través de una línea.
El equipo de antenas básicas de Lucas Nulle dispone de los siguientes elementos y características
Contenidos de aprendizaje
• Formas de antenas y ejemplos
• Física de la emisión y la recepción
• Resistencia y sintonía de una antena
• Simetrización (balun)
• Característica de radiación en campo cercano y lejano
• Composición del diagrama de directividad
• Medición de diagramas de directividad en diferentes antenas
• Análisis de:
- Antenas monopolo y dipolo
- Antenas Yagi
- Antenas helicoidales
- Antenas parche y microcinta
El sistema para estudio de antenas complejas abarca:
Contenidos de aprendizaje
• Análisis del funcionamiento de diferentes tipos de antena
• Medición de diagramas de directividad en diferentes antenas
• Condición de campo lejano
• Reflectores parabólicos
• Elemento primario
• Grupos y redes de antenas
• Relación de fases de los grupos de antenas
• Reflexiones en sistemas de transmisión inalámbricas
• Radiación secundaria
• Transponedor pasivo de radar y lente de Lüneberg
Comunicaciones inalámbricas
es aquella en la que la comunicación (emisor/receptor) no se encuentra unida por un medio de propagación físico, esta comunicación se da por medio de ondas electromagneticas.
POR QUÉ USAR UN SISTEMA DE COLABORACION INALAMBRICA EN NUESTROS PROYECTOS?
Un simple cable puede arruinar cualquier reunión o presentación importante. Este tipo de situaciones se suceden diariamente en todas las oficinas y centros educativos. Los cables están por todos lados, algunos no funcionan, no coinciden o tenemos mala conexión. Además se amontonan, ensucian, se lían entre ellos y transmiten caos y desorden.
Para aprovechar realmente el potencial de todos los dispositivos, las oficinas contemporáneas integran salas de conferencias, de reuniones, de formación, o incluso espacios dinámicos multiuso sin un puesto de trabajo fijo. Ya sean empresas grandes o pequeñas, esta nueva forma de trabajar requiere de un sistema que facilite la interacción entre los usuarios y las presentaciones eficientes.
10 RAZONES PARA USAR UN SISTEMA DE COLABORACION INALAMBRICA.
1_Adiós a los cables – No hay nada peor que tener una bonita sala de reuniones de diseño con un sistema audiovisual mal integrado en el espacio. Además, nadie quiere estar desliando cables o investigando cuál es el correcto mientras tiene al cliente sentado en la mesa. Un buen sistema audiovisual debe mantenerse en segundo plano, ser silencioso y eficaz con las presentaciones. Con sistemas inalámbricos, las salas se ven más limpias y elegantes lo cual beneficia la imagen transmitida a todos lo que visiten las oficinas.
2_Facilita los procesos – Tener un sistema fácil de usar evita situaciones desagradables y estresantes como ver a trabajadores corriendo de sala en sala en busca de un remedio adecuado mientras la audiencia espera su presentación. Exponerse delante de un grupo ya supone un reto suficiente como para complicarlo aún más. Además, los sistemas inalámbricos permiten que el usuario se conecte a la red e inicie directamente la presentación mientras se mueve libremente por la sala.
3_Libera al departamento Instalaciones tecnicas – Lamentablemente, muchos de los responsables de instalaciones tecnicas pasan la mayor parte del tiempo configurando y administrando sistemas audiovisuales. También pierden muchas de sus horas lectivas atendiendo a otros empleados temerosos de que algo no funcione. Así pues un sistema de fácil implementación y uso liberará a los chicos de Instalaciones Tecnicas para que puedan dedicarse a tareas realmente importantes.
4_Salas interactivas para formación – Un buen sistema de colaboración inalámbrico permitirá a cualquier usuario poder seguir la presentación desde su propio dispositivo. Perfecto para las grandes salas de formación, por ejemplo, cuando alguien se encuentra al fondo y no puede ver correctamente la pantalla. Ya se pueden dinamizar y organizar las salas sin estar ligados por si los asistentes tienen visibilidad completa a la presentación general, todos estarán en primera fila.
5_Actualiza la empresa tecnológicamente – Los tiempos cambian rápidamente y nada evoluciona de forma más veloz que la industria audiovisual. Sucede habitualmente que al cabo de poco tiempo de realizar una fuerte inversión en tecnología, ésta ya empieza a quedar obsoleta. En este sentido, los dispositivos inalámbricos son una mejora muy importante dado que se adaptan a los cambios manteniendo su uso y funcionalidad.
6_Es la solución más rentable para disponer de más salas de reuniones – Este es un motivo esencial. Los sistemas inalámbricos son una solución pequeña, rentable y flexible, que se integra en sistemas audiovisuales a gran escala con facilidad. Y una de sus mayores virtudes es la rentabilidad en relación al coste que supondrían otras opciones para disponer de los mismos servicios. Cualquier pequeña habitación puede ser un lugar eficaz para una reunión, con sólo un televisor de pantalla plana y nuestro sistema de colaboración inalámbrico.
7_Crear mini-salas de reuniones para la dirección ejecutiva – Acostumbramos a ver que en la zona de directivos de muchas oficinas los dispositivos inalámbricos se esconden detrás del televisor. Esto permite a los altos ejecutivos mantener reuniones privadas y de confianza en sus propias oficinas, con el mismo sistema vanguardista y de uso sencillo.
8_Impulsar al equipo de ventas con una herramienta comercial de vanguardia – El uso de un sistema de presentación inalámbrico no se reduce a instalaciones permanentes. También puede ser una potente arma en manos del equipo comercial capaz de marcar la diferencia.
9_Permite la participación desde cualquier dispositivo – El mundo actual está dominado por los dispositivos móviles, que han modificado totalmente la forma cómo trabajamos, así como los entornos de trabajo. Los días de ir todos con el mismo portátil y un conector VGA han quedado atrás. Hoy en día, los sistemas de audio y vídeo de las salas de conferencias deben ser capaces de enlazar con Macbooks, iPads, iPhones, Androids, Cromebooks… aparte de los portátiles tradicionales con conexión VGA o HDMI. Los sistemas de presentación inalámbrica de máxima calidad resuelven todo esto con un solo dispositivo. No importa qué dispositivo se utilice para dar una presentación, funcionará.
10_Permite tener distancias grandes de conexión – con los sistemas de colaboracion inalambrica podemos tener conectado nuestros equipos desde distancias muy cortas como 1 metro hasta distancias largas como 50 metros en un espacio libre de obstaculos.
Espectro electromagnético.
es la distribución de energías de las radiaciones electromagnéticas. Se puede expresar en términos de energía aunque más comúnmente se hace en términos de la longitud de onda y frecuencias de las radiaciones. Se extiende desde las radiaciones con menor longitud de onda (los rayos gamma) hasta las de mayor longitud de onda (las ondas de radio).
Se compone de diversos subrangos o porciones, cuyos límites no son del todo definidos y tienden a superponerse. Cada franja del espectro se distingue de las otras en el comportamiento de sus ondas durante la emisión, transmisión y absorción, así como en sus aplicaciones prácticas.
Las ondas electromagnéticas son vibraciones de los campos eléctricos y magnéticos que transportan energía. Estas ondas se propagan en el vacío a velocidad de la luz.
Al hablar del espectro electromagnético de un objeto, nos referimos a las distintas longitudes de onda que emite (llamado espectro de emisión) o absorbe (llamado espectro de absorción), generando así una distribución de energía en forma de un conjunto de ondas electromagnéticas.
Las características de dicha distribución dependen de la frecuencia o la longitud de onda de las oscilaciones, así como de su energía. Las tres cantidades están asociadas entre sí: a un dada una longitud de onda le corresponde una frecuencia y una energía determinadas. Las ondas electromagnéticas pueden asociarse a una partícula llamada fotón.
El espectro electromagnético se descubrió a raíz de los experimentos y los aportes del británico James Maxwell, quien descubrió la presencia de las ondas electromagnéticas y formalizó las ecuaciones de su estudio (conocidas como las ecuaciones de Maxwell).
Regiones del espectro electromagnético
El espectro electromagnético, en principio, es prácticamente infinito (por ejemplo la mayor longitud de onda sería el tamaño del universo) y continuo, pero hasta el momento hemos podido conocer algunas de sus regiones, conocidas como bandas o segmentos. Estas son, de menor a mayor:
Rayos gamma. Con una longitud de onda menor a 10-11 metros (m) y una frecuencia mayor a 1019.
Rayos X. Con una longitud de onda menor a 10-8 m y una frecuencia mayor a 1016.
Radiación ultravioleta extrema. Con una longitud de onda menor a 10-8 m y una frecuencia mayor a 1,5×1015.
Radiación ultravioleta cercana. Con una longitud de onda menor a 380×10-9 m y una frecuencia mayor a 7,89×1014.
Espectro visible de la luz. Con una longitud de onda menor a 780×10-9 m y una frecuencia mayor a 384×1012.
Infrarrojo cercano. Con una longitud de onda menor a 2,5×10-6 m y una frecuencia mayor a 120×1012.
Infrarrojo medio. Con una longitud de onda menor a 50×10-6 m y una frecuencia mayor a 6×1012.
Infrarrojo lejano o submilimétrico. Con una longitud de onda menor a 350×10-6 m y una frecuencia mayor a 300×109.
Radiación de microondas. Con una longitud de onda menor a 10-2 m y una frecuencia mayor a 3×108.
Ondas de radio de ultra alta frecuencia. Con una longitud de onda menor a 1 m y una frecuencia mayor a 300×106.
Ondas de radio de muy alta frecuencia. Con una longitud de onda menor a 100 m, una frecuencia mayor a 30×106Hz.
Onda corta de radio. Con una longitud de onda menor a 180 m y una frecuencia mayor a 1,7×106.
Onda media de radio. Con una longitud de onda menor a 650 m y una frecuencia mayor a 650×103Hz .
Onda larga de radio. Con una longitud de onda menor a 104 m y una frecuencia mayor a 30×103.
Onda de radio de muy baja frecuencia. Con una longitud de onda mayor a 104 m, una frecuencia menor a 30×103 Hz.
Las regiones del espectro electromagnético son los rayos gamma, los rayos x, la radiación ultravioleta, el espectro visible, las microondas, y la radiofrecuencia.
Usos del espectro electromagnético
Los usos del espectro electromagnético pueden ser muy diversos. Por ejemplo:
- Las ondas de frecuencia de radio. Se emplean para transmitir información por el aire, tales como emisiones de radio, televisión o Internet Wi-Fi.
- Las microondas. Se emplean también para transmitir información, como las señales de telefonía móvil (celular) o las antenas microondas. También lo emplean los satélites como mecanismo de transmisión de información a tierra. Y sirven, al mismo tiempo, para calentar comida en los hornos microondas.
- La radiación ultravioleta. Es emitida por el Sol y absorbida por las plantas para la fotosíntesis, así como por nuestra piel cuando nos bronceamos. También alimenta los tubos fluorescentes y permite la existencia de instalaciones como los solárium.
- La radiación infrarroja. Es la que transmite el calor desde el Sol a nuestro planeta, desde un fuego a los objetos a su alrededor, o desde una calefacción al interior de nuestras habitaciones.
- El espectro de luz visible. Hace visibles las cosas. Además, puede aprovecharse para otros mecanismos visuales como el cine, las linternas, etc.
- Los rayos X. Se emplean en la medicina para tomar impresiones visuales del interior de nuestros cuerpos, como de nuestros huesos, mientras que los rayos gamma, mucho más violentos, se emplean como forma de radioterapia o tratamiento para el cáncer, dado que destruyen el ADN de las células que se reproducen desordenadamente.
Importancia del espectro electromagnético
En el mundo contemporáneo, el espectro electromagnético es un elemento clave para las telecomunicaciones y la transmisión de información. También es imprescindible en técnicas exploratorias (tipo radar/sonar) del espacio exterior como una forma de comprender fenómenos astronómicos distantes en el tiempo y el espacio.
Tiene diversas aplicaciones médicas y prácticas que son, además, parte de lo que hoy tomamos como calidad de vida. Por eso su manipulación es, sin duda, unos de los grandes descubrimientos de la humanidad.
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