Informe 2-ondas-electromagneticas Duwal Y William

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS LABORATORIO DE FISICA MODERNA UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA FACULTAD DE INGENIERIA- PROGRAMA DE INGENIERIA INDUSTRIAL IV SEMESTRE

ABSTRACT

The following report deals with the electromagnetic waves and their characteristics that offer according to the laboratory carried out within the physical subject of modern, such as: amplitude, wavelength, period and speed, among others. The data obtained and recorded in the tables show the different changes in the magnetic field or electric field according to the variation of the data in each case. Similarly, for each data structure, its wave functions in the different media, the region of the spectrum to which the wave belongs, which propagates the medium and the relationship of this. INTRODUCCIÒN Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio; Son aquellas ondas que no necesitan un medio material para propagarse. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. El descubrimiento de las ondas electromagnéticas fue uno de los avances más importantes del siglo XIX. Cuando Maxwell postuló la existencia de estas ondas consiguió aclarar el problema de la naturaleza de la luz, y además unir la electricidad, el magnetismo y la óptica en una misma rama. Sin embargo no pudo demostrar su existencia, fue Hertz 20 años después, en

1887, el primero en producir ondas electromagnéticas y con ello confirmar las leyes de Maxwell. El trabajo se fundamenta en las ondas electromagnéticas, como funcionan y que las caracterizan. Las ondas electromagnéticas siendo un campo de tantas trascendencias y de alta cobertura haremos su énfasis en cada una de sus características como lo son La longitud, el periodo, la velocidad, y la amplitud. Utilizando para ello un programa de ondas el cual nos arrojara diferentes datos de los ítems antes mencionados, analizaremos los resultados y asimismo se estructuraremos las diferentes funciones senoidales para cada caso.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS Las cargas eléctricas al ser aceleradas originan ondas electromagnéticas El campo eléctrico originado por la carga acelerada depende de la distancia a la carga, la aceleración de la carga y

del seno del ángulo que forma la dirección de aceleración de la carga y a la dirección al punto en que medimos el campo. En la teoría ondulatoria, desarrollada por Huygens, una onda electromagnética, consiste en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampère) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma, la onda se auto propaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose continuamente. Estas O.E.M. son sinusoidales (Curva que representa gráficamente la función trigonométrica seno), con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación.

Características de la radiación E.M. La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que

necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo. Los campos producidos por las cargas en movimiento pueden abandonar las fuentes y viajar a través del espacio (en el vacío) creándose y recreándose mutuamente. Lo explica la tercera y cuarta ley de Maxwell. Origen y propagación de las O.E. Una carga eléctrica acelerada crea un campo eléctrico variable y, como explican las leyes de Maxwell, los campos pueden abandonar la fuente que los produce y viajar por el espacio sin soporte material. Los campos no necesitan un medio deformable que vibre a su paso, lo único que vibra son los valores de los campos E y B en cada lugar. En efecto, un campo eléctrico variable engendra un campo magnético variable que, a su vez, engendra otro eléctrico y así avanzan por el espacio. Las ondas electromagnéticas, son ondas transversales en donde el campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares entre sí, y a su vez perpendiculares a la dirección de propagación. No necesitan por tanto

soporte material para su propagación haciéndolo incluso a través del vacío. Propiedades de las ondas electromagnéticas.

Amplitud (A)

Para su propagación, las O.E.M. no requieren de un medio material específico. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a la velocidad de la luz (c = 299.792 km/s.), hasta que su energía se agota.

La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de tiempo.

A medida que la frecuencia se incrementa, la energía de la onda también aumenta. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λ.f=c son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características. Características principales de las ondas electromagnéticas. Las tres características principales de las ondas que constituyen el espectro electromagnético son: Frecuencia (f) Longitud ( )

Frecuencia

La frecuencia y el periodo están relacionados de la siguiente manera: T.- Período: tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos valles por un mismo punto, o para completar un ciclo. V.-Velocidad de propagación: Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c. La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionados por las siguientes ecuaciones:

En donde: C = Velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/seg). = Longitud de onda en metros. v = Velocidad de propagación. T = Periodo. Longitud Las ondas del espectro electromagnético se propagan por el espacio de forma similar a como lo hace el agua cuando tiramos una piedra a un estanque, es decir, generando ondas a partir del punto

donde cae la piedra y extendiéndose hasta la orilla. Cuando tiramos una piedra en un estanque de agua, se generan ondas similares a las radiaciones propias del espectro electromagnético.

Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del espectro electromagnético poseen picos o crestas, así como valles o vientres. La distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de la onda electromagnética, constituye lo que se denomina “longitud de onda”. P.- Pico o cresta: valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal del espectro electromagnético, cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece positivamente por encima del valor "0". V.- Valle o vientre: valor máximo de signo negativo (–) que toma la onda senoidal del espectro electromagnético, cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el punto “0”. El valor de los valles aumenta o disminuye a medida que la amplitud “A” de la propia onda crece

o decrece negativamente por debajo del valor "0". N.- Nodo: Valor "0" de la onda senoidal. La longitud de una onda del espectro electromagnético se representa por medio de la letra griega lambda. ( ) y su valor se puede hallar empleando la siguiente fórmula matemática:

De donde: = Longitud de onda en metros. c = Velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/seg). f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz). Amplitud La amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como “nodo” o “cero”. De acuerdo su longitud de onda, las O.E.M. pueden ser agrupadas en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas.

ACTIVIDAD 1. VARIACIÓN EN LAS CARACTERISTICAS DE LA ONDA (AMPLITUD, LONGITUD, PERIODO, VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN).

PARTE 1 Para los datos descritos en la tabla, se identificaron los valores para la onda sinusoidal polarizada verticalmente, variando el periodo de la onda. Tabla No 1

Amplitud Bmax (nT)

Longitud de onda λ(nm)

Periodo T(fs)

Velocidad de propagación V(m/s)

10 10 10 10

360 870 600 170

1.2 2.9 2.0 2.5

300 300 300 300

Los datos arrojados nos indican que al momento de variar el periodo, la longitud de la onda cambia, sin embargo su velocidad y amplitud permanecen constantes. PARTE II Los datos que se muestran en la siguiente tabla, en el cual el periodo se mantiene constante, se procedió a variar la longitud de onda para analizar la variación en las demás características.

Tabla No 2 Amplitud Bmax

Longitud de onda λ(nm)

Periodo T(fs)

Velocidad de propagación V(m/s)

10 10 10

420 600 870

3.0 3.0 3.0

140 200 290

Los resultados nos indican que al momento de variar la longitud de onda cambia la velocidad de propagación de estas, sin embargo su amplitud y periodo permanecen constantes. Se puede ver que las ondas ya no presentan una velocidad de 300m/s lo que nos demuestra que su propagación ya no es en el vacío, sino en diferentes medios. PARTE III Para el cálculo de los siguientes datos, se procedió a variar la amplitud del campo magnético. Tabla No 3 Amplitud Bmax

Longitud de onda λ(nm)

Periodo T(fs)

Velocidad de propagación V(m/s)

3.2 5.5 4.7

900 900 900

3.0 3.0 3.0

300 300 300

La variación del campo magnético en cada onda no afecto los resultados presentes en la longitud, periodo y velocidad, por lo que las ondas se propagan en el vacío. PARTE IV Para el cálculo de los datos que se muestran a continuación se seleccionó el medio heterogéneo, asimismo se varió la velocidad en el segundo medio de propagación de la onda.

Tabla No 4 v´(Mm/s)

A(nT)

250 240 210 170 120

10 10 10 10 10

T(fs)

3.0 3.0 3.0 3.0 3.0

V(Mm/s)

λ(nm)

λ´(nm)

300 300 300 300 300

900 900 900 900 900

750 720 630 510 360

La variación de la velocidad para el segundo medio, hace que cambie la longitud de onda, para el primer medio la onda se mantiene constante, propagándose en el vacío. CÁLCULOS: a). Construir la función de onda senoidal para la componente eléctrica y magnética para cada uno de los casos seleccionados I, II, III y IV (en los dos medios).

A: 10 T: 2.0 λ: 600 Bx= 10 cos (0.010x – 3.14t) Ey= 10 cos (0.010x – 3.14t) A: 10 T: 2.5 λ: 750 Bx= 10 cos (8.3*10-3x – 2.513t) Ey= 10 cos (8.3*10-3x – 2.513t) PARTE II A: 10 T: 3.0 λ: 420 Bx= 10 cos (0.014x – 2.094t) Ey= 10 cos (0.014x – 2.094t) A: 10 T: 3.0 λ: 600 Bx= 10 cos (0.010x – 2.094t) Ey= 10 cos (0.010x – 2.094t)

PARTE I

A: 10 T: 3.0 λ: 870 Bx= 10 cos (7.2*10-3x – 2.094t) Ey= 10 cos (7.2*10-3x – 2.094t)

Bx: Bmax cos (kx-wt) Ey: Emax cos (kx-wt)

PARTE III

2𝜋

K= 𝜆 W= C=

2𝜋 Τ 𝐸𝑚𝑎𝑥 𝐵𝑚𝑎𝑥

Bmax: A Emax: Bmax*c n: 10-9

A: 3.2 T: 3.0 λ: 900 Bx= 3.2 cos (6.98*10-3x – 2.094t) Ey= 3.2 cos (6.98*10-3x – 2.094t) A: 5.5 T: 3.0 λ: 900 Bx= 5.5 cos(6.98*10-3x – 2.094t) Ey= 5.5 cos(6.98*10-3x – 2.094t)

A: 10 T: 1.2 λ: 360 Bx= 10 cos (0.017x – 5.235t) Ey= 10 cos (0.017x – 5.235t)

A: 4.7 T: 3.0 λ: 900 Bx= 4.7 cos(6.98*10-3x – 2.094t) Ey= 4.7 cos(6.98*10-3x – 2.094t)

A: 10 T: 2.9 λ: 870 Bx= 10 cos (7.2*10-3x – 2.166t) Ey= 10 cos (7.2*10-3x – 2.166t)

PARTE IV Para el medio 1: en donde los datos de la amplitud, periodo, velocidad y longitud de onda son constantes o iguales en cada

onda la función siguiente:

senoidal

será

la

A: 10 T: 3.0 λ: 900 Bx= 10 cos (6.98*10-3x – 2.094t) Ey= 10 cos (6.98*10-3x – 2.094t)

PARTE I Amplitud Bmax (nT)

Longitud de onda λ(nm)

Región del espectro.

10 10 10

420 600 870

Violeta Naranja Infrarrojo

Para el medio 2: A: 10 T: 3.0 λ´: 750 Bx= 10 cos (8.37*10-3x – 2.094t) Ey= 10 cos (8.37*10-3x – 2.094t A: 10 T: 3.0 λ´: 720 Bx= 10 cos (8.72*10-3x – 2.094t) Ey= 10 cos (8.72*10-3x – 2.094t)

PARTE II Amplitud Bmax (nT)

Longitud de onda λ(nm)

Región del espectro.

3.2 5.5 4.7

900 900 900

Infrarrojo Infrarrojo Infrarrojo

PARTE III A: 10 T: 3.0 λ´: 630 Bx= 10 cos (9.97*10-3x – 2.094t) Ey= 10 cos (9.97*10-3x – 2.094t) A: 10 T: 3.0 λ´: 510 Bx= 10 cos (0.012x – 2.094t) Ey= 10 cos (0.012x – 2.094t) A: 10 T: 3.0 λ´: 360 Bx= 10 cos (0.017x – 2.09t) Ey= 10 cos (0.017x – 2.09t)

b). Determine la región del espectro a la que pertenecen cada una de las ondas electromagnéticas definidas.

Amplitud Bmax (nT)

Longitud de onda λ(nm)

Región del espectro.

10 10 10 10

360 870 600 750

Ultravioleta Infrarrojo Naranja Rojo

PARTE IV λ(nm)

900 900 900 900 900

Región del espectro

Infrarrojo Infrarrojo Infrarrojo Infrarrojo Infrarrojo

λ´(nm)

750 720 630 510 360

Región del espectro

Rojo Rojo Rojo Verde Ultraviolet a

c). Para el caso en que la velocidad de propagación sea diferente a c, identifique el medio. Para la actividad en la PARTE I, PARTE III y medio uno de la PARTE IV en donde la velocidad es de 300m/s podemos deducir las ondas se están propagando en el vacío.

d). Verifique la relación E/B en cada caso. C=

𝐸𝑚𝑎𝑥 𝐵𝑚𝑎𝑥

Bmax: A Para determinar el medio en que se propagan las ondas con velocidades menores a 300 nos remitimos a la siguiente tabla:

Emax: Bmax*c n: 10-9 t: 1N.s.m-1.c-1 N/c N/s mc

VA LA TABLA

Nmc Ncs

m/s

PARTE I La relación E/B se presenta en cada una de las ondas dadas en este caso, teniendo en cuenta que los valores de E y B son los mismos en cada onda.

PARTE II Velocidad de propagación V(m/s)

Medio en que se propaga

140 200 290

Zircón Benceno Aire

PARTE IV MEDIO 2. v´(Mm/s)

250 240 210 170 120

Medio en que se propaga

Oxigeno Gas Oxigeno liquido Aluminio Epidota Acero

Entonces: 3𝑁/𝑐

C=(10∗10−9 )𝑁.𝑠.𝑚−1 .𝑐 −1 = 3 ∗ 108 𝑚/𝑠

PARTE II Sucede el mismo caso anterior, los valores de E y B son los mismos en cada onda por lo tanto: 3𝑁/𝑐

C=(10∗10−9 )𝑇 = 3 ∗ 108 𝑚/𝑠

PARTE III

1.

2.55𝑁/𝑐 C=(8.5∗10−9 )𝑇

= 3 ∗ 108 𝑚/𝑠

1.95𝑁/𝑐

2. C=(6.5∗10−9 )𝑇 = 3 ∗ 108 𝑚/𝑠 0.75𝑁/𝑐

3. C=(2.5∗10−9 )𝑇 = 3 ∗ 108 𝑚/𝑠 PARTE IV Tanto para el medio uno como para el dos ocurre lo mismo que en los dos primeros casos, es decir, los valores de E y B son los mismos para cada una de las ondas por lo tanto la relación se cumple y está dada de la siguiente manera:

solamente, lo que quiere decir que las fuentes que dan lugar a esas ondas y los instrumentos que se usan para realizar medidas con ellas son sumamente diferentes. La luz visible solo es una pequeña parte del espectro electromagnético, por lo que la mayor parte de los objetos del universo no pueden observarse ópticamente.

BIBLIOGRAFÍA 

http://www.um.es/docencia/barza na/II/Ii03.html

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http://teleformacion.edu.aytolacor una.es/FISICA/document/fisicaInt eractiva/Ondasbachillerato/ondas EM/ondasEleMag_indice.htm

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http://www.taringa.net/posts/cienc iaeducacion/15508226/Velocidadesde-la-luz-en-distintos-medios.html



http://www.wikillerato.org/Veloci dad_depropagaci%C3%B3n_de_ una_onda.html

3𝑁/𝑐

C=(10∗10−9 )𝑇 = 3 ∗ 108 𝑚/𝑠

CONCLUSIONES Después de realizar este trabajo de laboratorio acerca de las ondas electromagnéticas, podemos concluir que desde su descubrimiento como hecho científico y posterior rama de la Física ha participado activamente en la era moderna de las comunicaciones principalmente, asimismo ha dado lugar al desarrollo de nuevos estudios físicos de los fenómenos presentes. Para todo esto los científicos, como Maxwell, demostraron, por ejemplo, que la luz es uno de los componentes del espectro electromagnético. Todas esas sondas son de carácter electromagnético y tienen la misma velocidad en el espacio libre. Difieren solo en su longitud de onda (y por consiguiente en frecuencia)