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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRONICA LABORATORIO DE: ANTENAS MICROONDAS Y FIBRA OPTICA LABORATORIO 1 TÍTULO DE LA EXPERIENCIA: PROPAGACION DE ONDAS ELECTROMAGNETICAS Nombre y Apellidos: Diego Armando Coaguila Contreras

CUI: 20170321

5.1. Parte 1: Repaso de Ondas El campo eléctrico y el campo magnético son las manifestaciones de las interacciones debidas a las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento. El campo electromagnético es más complejo que la suma de un campo eléctrico y un campo magnético ya que no son independientes entre sí y cada uno depende de las variaciones del otro. La importancia de las ondas electromagnéticas radica en su amplio espectro, que permite multitud de aplicaciones, como en las telecomunicaciones, el estudio del Universo, la medicina o la industria. 1. Síntesis electromagnética de Maxwell James C. Maxwell (1837-1879) intuyó que si un campo magnético variable en el tiempo lleva asociado un campo eléctrico inducido, un campo eléctrico variable debía inducir un campo magnético Maxwell obtuvo una ecuación de onda para el campo eléctrico y otra para el campo magnético, por combinación de las leyes anteriores, basadas en especulaciones puramente teóricas. Como solución de las ecuaciones de Maxwell se obtiene que el campo eléctrico y el campo magnético se propaguen en el vacío con movimiento ondulatorio a la velocidad de la luz.

Las ondas electromagnéticas están formadas por un campo eléctrico y otro magnético variables que vibran en planos perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

2. Espectro electromagnético Las ondas electromagnéticas se diferencian en su frecuencia y su longitud de onda. El conjunto de todas las ondas constituye el espectro electromagnético.

3. Aplicaciones de las ondas electromagnéticas. Telecomunicaciones

La onda sonora se transforma en una señal eléctrica en un micrófono (la conversión contraria se hace en un altavoz). La emisora produce una onda electromagnética de algunos MHz de frecuencia (onda portadora). Esta onda debe alterar sus características para incorporar la señal eléctrica a la transmisión. Una vez modulada la onda con la señal de audio (o de vídeo), se propaga hasta el receptor, que la capta y desmodula para obtener la señal.

5.2PARTE 2: Desarrolle las simulaciones según el enlace y responda las preguntas: 5.2.1 Ondas estacionarias:

17.1. Reproducir la simulación de ondas estacionarias para el caso de la fundamental. La longitud de la cuerda es 3,14 m. ¿Cuál es la longitud de onda de la fundamental? 

λ =6.28m

17.2. Describa el fundamental de la simulación tubo (parte inferior). ¿En dónde se mueven más los puntos (que representan las moléculas de aire)? ¿Dónde se forman un nodo de desplazamiento? Suponiendo que

el tubo es la misma longitud que la cuerda, ¿cuál es la longitud de onda fundamental del tubo abierto en ambos extremos? 

Se mueven mas cuando su amplitud es positiva,3.66m

17.3. Utilice el tiempo en las simulaciones para encontrar el período y calcular la frecuencia fundamental para ambas simulaciones. Para un instrumento musical sería la frecuencia del tono que suena cuando el instrumento ejecuta su nota más baja (grave). 

T=6.5 s , f=0.154 Hz

17.4. ¿Cuál es la velocidad de onda de cada una de las ondas componentes que componen la fundamental (la velocidad determinada por v = f λ)? 

V= 0.483 m/s

17.5. Ahora haga clic en el cuadro para tener un tubo cerrado en un extremo. ¿Cuál es la longitud de onda de la fundamental para un tubo cerrado en un extremo? ¿Cómo se compara con el caso del tubo abierto en ambos extremos? 

λ =3.38m, En este caso al existir un extremo cerrado se deja de expandir dicho lado lo que ocasiona que la longitud disminuya

17.6. Restablecer la simulación y observe el segundo armónico de la cuerda y el tubo abierto en ambos extremos. ¿Cuáles son la longitud de onda y frecuencia del segundo armónico / primer sobretono para la cuerda y el tubo abierto en ambos extremos? ¿Cuál es la velocidad de las ondas componentes? 

λ =3.14m , f=0.308 Hz, v= 0.966 m/s

17.7. Pruebe el tercer y cuarto armónicos para la cuerda y el tubo abierto en ambos extremos. ¿Cuáles son las longitudes de onda y frecuencias de estas ondas? ¿Cuáles son las velocidades de las ondas componentes?  

λ =2.09m , f=0.462 , v= 0.966 m/s λ =6.28m, f=0.616 , v= 3.868 m/s

17.8. La fórmula para la longitud de onda como una función de la longitud de la cuerda o tubo abierto está dada por λ = 2L/n donde n es un número entero y L es la longitud de la cuerda. Verifique esta relación con los números que obtuvo en las preguntas anteriores. 

Si, son los mismos teniendo L =3.14 y n =1

17.9. Ahora ajuste la caja para simulación de un tubo con de extremo cerrado y examine los armónicos. Describir la diferencia en el patrón de nodo y antinodo. ¿Cuáles son las longitudes de onda para estos casos? La fórmula para las frecuencias de un tubo cerrado en un extremo están dadas por λ = 4L/n donde n es un número entero impar. Verifique esta relación con los números que obtuvo en las preguntas anteriores. 

La onda al estar un extremo cerrado tiene una menor amplitud

17.10. Flautas son básicamente tubos con aberturas en ambos extremos pero clarinetes, trompetas y trombones son básicamente tubos que están cerrados en un extremo. ¿Por qué hace esto una diferencia en las frecuencias que cada instrumento produce? 

Al variar las Amplitudes , también variara los periodos por ende la frecuencia es afectada

17.11. Antinodos de presión ocurren en lugares donde el aire no se está moviendo (nodos de desplazamiento). ¿Cuál sería el efecto abrir un agujero en el tubo en la ubicación de un antinodo de presión? Se vería afectada la longitud de onda estacionaria? (Este es el fundamento de usar los dedos en agujeros de los instrumentos de viento para tocar diferentes frecuencias.) 

Si se vería afectada, ya que la amplitud cambiaria y la longitud también

17.12. Sobre la base de lo que aprendiste sobre la reflexión en fronteras de la simulación 16, explicar lo que está sucede en el extremo cerrado, donde las dos ondas que componen la onda estacionaria se reflejan. 

Al reflejarse en el extremo cerrado existiría una presión que afectaría el correcto movimiento de la onda la cual afectaría a la frecuencia.

5.2.2 Ondas Electromagnéticas I:

26.1. Ejecute la simulación. Cambiar la velocidad, v, y describa lo que ve. ¿Cómo afecta el cambio en la velocidad (aceleración) a la perturbación inicial del campo (pruebe a cambiar la velocidad lentamente versus rápidamente)? 

Cuando alteramos la velocidad nuestra carga emite una onda perturbada dependiendo si el cambio de velocidad fue brusco o lento.

26.2. ¿Qué le sucede a velocidad constante? ¿Existe todavía alguna perturbación? ¿Qué pasa si de repente la carga disminuye su velocidad? 

No emite ninguna perturbación de onda, No, ya es una simulación y está en un sistema ideal, Emite una onda a su alrededor.

26.3. Ahora haga clic en el botón Animación 2. Describe lo que ves. Explique lo que advierte sobre el campo con el tiempo si estuviera midiendo en un punto a lo largo del eje x y compare eso con lo que se debería medir en un punto distante a lo largo del eje y. 

En la animación 2 vemos como la carga tiene una velocidad constantes de subida y bajada alterando mayormente el campo eléctrico en el eje x y dejando una amplitud cero en y

26.4. ¿Por qué las antenas emisoras están generalmente orientadas verticalmente? (Nota: las antenas de onda corta a veces se orientan horizontalmente para que la señal puede rebotar en la ionosfera y regresar a la tierra una gran distancia.) 

Para que la ondas irradiadas sean Horizontalmente

26.6. Ahora intenta Animación 3. ¿Cómo se compara la amplitud de la onda en puntos a lo largo del eje x con la amplitud de la onda a lo largo del eje y para este caso? 

A diferencia de la animación 2 las amplitudes en este caso son más equitativas ya que la carga no se mueve únicamente en el eje x sino también en el eje y

5.2.3 Ondas Electromagnéticas II:

28.1. Ejecutar la simulación. Tomar la caja de la parte superior con el ratón para observar la onda en varias orientaciones. Describir lo que está sucediendo al campo eléctrico en el plano xz en la posición de la caja color magenta. 

La caja color Magenta esta perpendicular al eje y en el cual vemos como se muestra la onda electromagnética atravesándola

28.2. En el gráfico se muestra el tiempo en nanosegundos (× 10 -9 sec). Avance paso a paso la simulación entre dos máximos del campo eléctrico en la dirección positiva de x. ¿Cuál es el período de la onda? ¿Cuál es la frecuencia? ¿A qué parte del espectro electromagnético corresponde esta onda? 

El periodo de la onda es de 2 nanosegundos,0.5 × 109 .

28.3. Pause la simulación y utilice el control deslizante para mover lentamente el cuadro magenta hacia adelante y hacia atrás. Describa lo que vé en el gráfico superior para diversas posiciones del cuadro magenta. 

Vemos como las ondas electromagnéticas cambian conforme pasa el tiempo.

28.5. El control deslizante indica la posición del cuadro magenta en una pequeña ventana a la izquierda de la barra deslizante. Deslizar el cuadro desde una posición de máximo campo eléctrico a la siguiente posición de máximo campo eléctrico para encontrar la longitud de onda. ¿Coincide con un cálculo basado en v = λ /T ? 

V=1.1/2× 10-9 =0.55× 109 m/s

28.6. Restablecer la simulación y hacer clic en la casilla "Mostrar B". El campo magnético (B) está en rojo y se mide en tesla, T = Vs / m 2 , o gauss, donde 1 G = 10 -4 T. Reproducir la simulación y observar desde diferentes ángulos. ¿Cuál es la relación entre los campos magnético y eléctrico? ¿Cómo se orientan? Tienen la tienen la misma amplitud? La misma longitud de onda? El mismo período?



Ambos son perpendiculares y ambos aumentan de manera igual ya sea negativa o positivamente, a simple vista si a todo.

28.7. Restablecer la simulación y añadir un componente z del campo eléctrico mediante el control deslizante. Reproducir la simulación y girarlo para ver cómo luce esta nueva onda. Sigue siendo polarizada, pero ya no en la dirección x. Describir lo que es diferente acerca de esta onda respecto del caso inicial. 

Esta nueva componente cambia a lo del caso inicial pero sin dejar de ser polarizada.

28.8. ¿Cuál es la dirección de polarización de esta onda para la componente z máxima disponible mediante el control deslizante? 

Sería una dirección perpendicular a la de x e y.

28.9. ¿Cuál seria la dirección de polarización de esta onda para la componente z máxima disponible mediante el control deslizante y con el componente x iqual a zero? 

Para ser coherente con las ecuaciones de Maxwell, el producto E × B es un vector en la dirección de movimiento de la onda donde E y B son las magnitudes de los campos eléctricos y magnéticos que están relacionados por E/B = c donde c es la velocidad de la luz. En la simulación esto haría B demasiado pequeñas para ser visibles utilizando las mismas escalas de lo que en este sentido, la simulación es engañosa; las escalas para E y B no son las mismos.

28.10. Añadir el campo magnético en el caso anterior de una onda polarizada. Reproducir la simulación, girar la vista con el ratón, hacer una pausa y deslice el cuadro. ¿Cuál es la relación entre el campo magnético y eléctrico en este caso? ¿Cómo se orientan? ¿Es cierto que E × B es un vector en la dirección del movimiento? ¿Es esto cierto en todo momento y para todas las posiciones del control deslizante? ¿Por qué el campo magnético es perpendicular al campo eléctrico (Pista: Piensa en la ley de Ampere)? 

Son perpendiculares, en x y z, si lo es, si el caso es uniforme durante todo el periodo.

5.2.4 Polarización:

29.1. Ejecute la simulación. Describe lo que ves. El gráfico de la derecha es lo que estaba sucediendo en el cuadro rojo en el caso inicial de la simulación anterior; un campo eléctrico oscilante en la dirección x. ¿Cuál es el campo máximo en el presente caso? ¿Es esta una onda polarizada? 

El campo eléctrico, si es una onda polarizada

El vector de Poynting es el producto vectorial de los vectores de campo eléctrico y magnético: S = E × B / μo donde μo es una constante llamada la permeabilidad (recuerde de la simulación 3 que la velocidad de una onda electromagnética está dado por c = (1/μoεo)1/2 donde μo es la permeabilidad y εo es el la permitividad. La magnitud del vector da la intensidad de una onda electromagnética en W/m 2 e indica la dirección que la onda está viajando. Dado que la magnitud del campo magnético es proporcional a la amplitud del campo eléctrico, el vector de Poynting (la intensidad) es proporcional a la amplitud del campo eléctrico al cuadrado. 29.2. Si el vector de Poynting señala fuera de la pantalla hacia usted, ¿cuál es la dirección que señala el campo magnético en la simulación inicial? 

Sería el eje z perpendicular al eje x en el que se encuentra el campo eléctrico.

29.3. El componente x del campo eléctrico se fijó en 6 N/C. Utilice el control deslizante para seleccionar un valor de 6 N/C para la componente z del campo eléctrico y ejecute la simulación. Describa lo que ve. ¿Qué similitudes presenta este caso respecto a la pregunta 28.7? ¿Es ésta una onda polarizada? 

Vemos como se genera una onda en el eje z que cambia el campo electromagnético, sigue siendo una onda polarizada.

29.4. Pruebe algunos otros valores para Ez. Describir el caso de Ex = 6 N/C y Ez = 4 N/C. ¿Hacia dónde apunta el vector de campo eléctrico? Estas son todas las ondas polarizadas con diferentes orientaciones.



La amplitud es inversamente proporcional a la magnitud de Ez

La diferencia de fase determina la fase entre Ex y Ez. Para la fase cero los dos componentes del vector comienzan en cero al mismo tiempo. Una fase de π radianes significa que la componente x es cero cuando la componente y es un máximo, y viceversa 29.5. Para Ez = 6 N/C elija una diferencia de fase de 1,0 π radianes (utilice el control deslizante para establecer el número de radianes a 1,0). ¿Qué observas? 

Veremos como la fase cambia y las señales de onda se alinean y son como un reflejo de la otra.

29.6. Ahora intent 0,5 π radianes con Ez = 6 N/C. Este caso se llama luz polarizada circularmente. ¿Qué observas? Tenga en cuenta que las direcciones x e y componentes siguen siendo ondas sinusoidales, pero el vector eléctrica total tiene una magnitud fija. 

Si el ángulo de fase no es un número entero o la mitad de número multiplicado por π la luz está polarizada elípticamente.

29.7. Pruebe otros valores para la fase con las amplitudes máximas iguales. Describe lo que ves. ¿Qué se puede concluir acerca de los números enteros de π radianes para una diferencia de fase? ¿Qué pasa con la mitad de los números enteros? ¿Qué pasa con los valores intermedios? 

Esta diferencia hace que el campo es x sea igual al de z, la amplitud se hace la mitad.

29.8. En sus propias palabras, describe cómo una onda electromagnética polarizada elípticamente luce cuando se propaga a través del espacio. (Recordemos que la onda se desplaza en la dirección y que está fuera de la pantalla hacia usted en este caso.) 

Se ve como una onda es perpendicular a otro con una determina diferencia de fase

Ondas polarizadas circular y elípticamente pueden estar circularmente polarizadas derecha o circularmente polarizadas a la izquierda dependiendo del signo del ángulo de fase.

a

la

29.9. Pruebe algunos valores negativos para la fase. ¿Cuál es la diferencia entre los valores negativos y positivos de fase? En qué caso la polarización gira en sentido horario cuando la onda se propaga hacia adelante? 

A simple vista si la fase cambia a un valor negativo igual al positivo no habrá cambios

29.10. Explica la diferencia entre polarización circular izquierda y derecha. 

Cambia el estado rotativo de onda como su nombre dice o es a la izquierda o la derecha.

6.- CUESTIONARIO: 6.1 ¿Qué diferencia hay entre las ondas mecánicas y las ondas electromagnéticas?



Que las ondas mecánicas no son capaces de transmitir energía a través del espacio.

6.2 ¿Qué tipo de ondas necesitan de un medio material para propagarse y cuáles no? 

Las Ondas Mecánicas.

6.3 ¿Qué transportan las ondas? 

Algunas solo perturbaciones en el material por la que se propagan y otras energías atreves del vacío.

6.4 Qué es una onda longitudinal, ¿qué es una onda transversal y qué diferencia hay entre ellas? ¿Cita ejemplos que conozcas en la naturaleza? 

Las ondas longitudinales son ondas en las que el desplazamiento a través del medio está en la misma dirección de desplazamiento de la onda, independiente del sentido. Las Ondas Transversales si dependen del sentido.

6.5 Explicar que es la reflexión y la refracción de una onda. ¿Qué dicen las leyes de reflexión? 

La reflexión es cuando una onda rebota en un material mientras que la refracción es la onda que es capaz de atravesar el material pero cambia su sentido.

6.6 Explicar que es la difracción de una onda. Cite un ejemplo. 

Se denomina difracción de una onda a la propiedad que tienen las ondas de rodear los obstáculos en determinadas condiciones.



EJEMPLO: Un coche toca la bocina, la onda se expande hasta llegar a una ventana la cuan limita en amplitud esta onda y empieza a expandirse a partir del ancho de la ventana.

6.7 Explica la naturaleza de las ondas electromagnéticas, de donde provienen y qué las caracterizan. ¿Cómo caracterizarías mejor una onda electromagnética, por su frecuencia o por su longitud de onda? 

Es  una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. Es más característica por su longitud de onda.

6.8 Cómo se mide la energía electromagnética 

La energía electromagnética se mide en unidades de longitud de onda y frecuencia.

6.9 ¿Qué relación hay entre el transporte de energía y la frecuencia (o la longitud de onda) en ondas electromagnéticas? 

6.10 

A mayor frecuencia y tensión, el transporte de energía será mayor.

Explique la propiedad de superposición de ondas El principio de superposición de ondas consiste que la onda resultante de la interacción entre dos ondas, que se han de desplazar en el mismo medio y a la vez, equivale a la suma de cada una de las ondas por separado

7.- TAREA: Busque en Internet tres videos que expliquen la naturaleza de las ondas electromagnéticas y su propagación. Cite las direcciones y emita 5 conclusiones

1. https://www.youtube.com/watch?v=eNBDjw3XXgE 2. https://www.youtube.com/watch?v=iJijbjby78I 3. https://www.youtube.com/watch?v=DlvCVt-GcBc  Se propaga energía electromagnética  No necesitan de un medio material para propagarse  La luz, rayos UV y ondas de radio son ejemplo de ondas electromagnéticas.  Existen ondas que no pueden transmitir energía  Las onda electromagnéticas pueden ser alteradas con facilidad