Propagación de las ondas en medios homogéneos

PROPAGACIÓN DE LAS ONDA EN MEDIO HOMOGÉNEO Y EN EL ESPACIO LIBRE

PROPAGACIÓN DE ONDAS

LAS ONDAS Una onda es una señal reconocible que puede ser transferida de un lugar a otro de un medio con una velocidad de propagación reconocible.

También podemos decir que una onda es una perturbación que se propaga en el espacio y en el tiempo manteniendo ciertas características discernibles. En esta forma decir las cosas hay una diferencia sustancial con el párrafo anterior: no estamos haciendo referencia a medio alguno, y esto es vital ya que en el caso de las ondas electromagnéticas no hace falta ningún medio para la propagación ya que las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío.

Clasificación de las ondas - Atendiendo a su naturaleza: Ondas mecánicas: requieren un medio material para propagarse, no se propagan en el vacío (son las que se propagan en una cuerda, en la superficie del agua, en el sonido, etc.)

Ondas electromagnéticas: no requieren un medio material para desplazarse. Se propagan en el vacío (RX, UV, IR, luz visible,...)

- Si asociamos una función de onda ð para describir formalmente una onda, según ð dependa de una, dos o tres coordenadas hablaremos de una, dos o tres dimensiones.

- Otra clasificación es atendiendo a su dependencia temporal. Destacan en este sentido las denominadas ondas armónicas, que son las que tienen una dependencia armónica o sinusoidal con el tiempo, y ondas con dependencia temporales de carácter más general.

- Otra subdivisión es la de ondas transversales y longitudinales según que la perturbación consista en una variación perpendicular o longitudinal a la dirección de propagación: Ondas transversales: serían las electromagnéticas o las generadas en una cuerda.

Ondas longitudinales: serían el sonido y en general todas las que se propagan en medios fluidos.

- Teniendo en cuenta la dualidad onda-corpúsculo y el comportamiento simétrico de la naturaleza, puede pensarse que la materia exhiba esa dualidad De Broglie estableció que las ondas asociadas a la materia debían estar gobernadas por las mismas ecuaciones que en el caso de la luz. V=E/h y ð=h/p (p= momento lineal; E= energía de la partícula). La longitud de onda de las ondas solo será relevante para valores de p, del orden de h.

Propagación de ondas casi siempre así. la diferencia principal es que la atmósfera de la tierra introduce perdidas de la señal que no se encuentra en el vació. las TEM (ondas electromagnéticas trasversales), se propagan a través de cualquier material dieléctrico, incluyendo el aire. Sin embargo, no se propagan bien a través de conductores con perdidas, como por ejemplo agua de mar, porque los cambios eléctricos hacen que fluyan corrientes en el material que disipan con rapidez la energía de las ondas. la propagación de ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar propagación de radiofrecuencia, o simplemente radio propagación. aunque el espacio libre implica al vacío. con frecuencia la propagación por la atmósfera terrestre se llama propagación por el espacio libre, y se puede considerar

Polarización Electromagnética La polarización electromagnética es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico tipos de polarización: Polarización vertical: cuando el campo eléctrico se propaga en dirección perpendicular a la superficie terrestre.

Polarización circular: cuando el vector de polarización gira 360° a medida que la onda recorre una longitud de onda por el espacio, y la intensidad del campo es igual en todos los ángulos de polarización. polarización elíptica: cuando la intensidad del campo varia con cambios en polarización Rayos y Frentes de Onda Para describir el movimiento de ondas que se propagan en dos o tres dimensiones son útiles los conceptos de frente de onda y de rayo. Se define el frente de onda como el conjunto de puntos del medio alcanzados por el movimiento ondulatorio en el mismo instante; o dicho con mayor precisión, el lugar geométrico de todos los puntos del medio con igual fase de vibración.

Para representar las ondas, se dibujan los frentes separados una longitud de onda.

Atendiendo a la forma del frente de onda, las ondas se denominan esféricas, cilíndricas, planas, etc. Las ondas planas pueden considerarse mono dimensionales, ya que la propagación es según una dirección particular.

ANTENAS Y GUIAS DE ONDAS Operación Básica de Una Antena 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.

Ganancia Directiva y de Potencia

La antena es un transductor entre una onda guiada y una radiada. Además, puede cumplir otra función: dirigir de acuerdo a necesidades la onda radiada a un determinado punto del espacio.

La capacidad direccional de una antena viene dada por su Ganancia directiva o Directividad.

Suponer una esfera de radio r en cuyo centro se encuentra una antena que radia en todas direcciones con la misma intensidad (radiador isotrópico).

Una antena que concentre la totalidad de su potencia radiada en un ángulo sólido de Ω stereo-radianes, tendrá una Directividad de: El producto de la ganancia directiva de la antena y la potencia que rad ía, definen el "Equivalente de Potencia Radiada Isotrópicamente" (EIRP en inglés) magnitud de importancia en el cálculo de radioenlaces.

Establece la propiedad que, en un determinado punto del espacio, no se distingue si la densidad de potencia que se recibe de un foco emisor, ha sido

generada por una antena de directividad y potencia radiada Pr[w] o por un radiador isotrópico que radia (Pr.gd) [w].

Normalmente, se especifica la directividad de una antena en la dirección de su máxima ganancia y se la expresa en dB (a veces dBi para destacar que la referencia de ganancia es el radiador isotrópico):

Directividad de algunos tipos de antena:

De acuerdo a la definición de directividad se tiene que:

Donde gp se define como la Ganancia de potencia de la antena y es igual a la Directividad multiplicada por la eficiencia. De acuerdo a lo anterior:

OPTICA GEOMETRICA Propagación por Onda Directa o Línea de Vista

Propagación por Onda Terrestre o Curvatura de Tierra En este tipo de propagación, las ondas de radi o parten del Las ondas siguen la curvatura de la Tierra y su orografía. De esta transmisor y llegan directamente al receptor en línea recta. Para forma pueden salvar montañas y alcanzar una considerable distancia que se establezca este tipo de enlace se necesita que haya antes de ser absorbidas por el propio suelo. visibilidad óptica entre el emisor y el receptor.

Esta propagación se utiliza sobre todo en altas frecuencias, Este tipo de propagación se da en frecuencias bajas, inferiores a por encima de los 50 MHz, pues las altas frecuencias se ven menos los 4 MHz, siendo mayor el alcance para frecuencias más bajas. Este afectadas por los fenómenos atmosféricos, además de requerir tipo de propagación se da en emisoras de radiodifusión de onda media y antenas de longitud más pequeña. Para estas altas frecuencias se onda larga para cubrir grandes distancias. puede generar un haz de ondas muy dirigido, lo que evita que la información llegue a lugares no deseados, garantizando así un relativo secreto en las comunicaciones.

Este tipo de propagación se da, por ejemplo, en televisión y en radio FM, así como en las comunicaciones de la policía, bomberos, ambulancias, empresas privadas, etc. También se pueden dar las ondas reflejadas a tierra, que son las que se reflejan por la superficie terrestre entre la antena transmisora y receptora.

Propagación por Onda Reflejada o Ionosférica Sin duda éste es el tipo de propagación más importante. Aquí influye la ionosfera, que es una capa atmosférica situada entre los 40 km y los 320 km, y está formada por aire enrarecido fuertemente ionizado por la radiación solar. Cuando esta capa se halla eléctricamente cargada se produce una refracción o desviación de la trayectoria de las ondas de radio que se va repitiendo y se convierte en una reflexión actuando a modo de espejo que devuelve las ondas a la Tierra.

Esta reflexión puede salvar la curvatura de la Tierra y permitir así la comunicación entre dos estaciones que estén a miles de kilómetros. Se puede llegar así a una distancia superior a los 4000 km. A veces ocurre que la Tierra refleja también las ondas de radio hacia la ionosfera, que a su vez vuelve a reflejarlas otra vez a la Tierra, y así sucesivamente, incrementando la distancia en cada salto. De esta forma se puede comunicar con cualquier punto del planeta si se dan las condiciones necesarias. A este tipo de reflexión se le denomina "reflexión múltiple". Es la propagación más utilizada en onda corta, tanto por radioaficionados como por emisoras comerciales de onda corta.

Propagación por Difracción Ionosférica Se produce cuando una frecuencia de radio de notable potencia y de frecuencia superior a los 30 MHz llega a la ionosfera. Por ser una frecuencia superior a los 30 MHz, esta frecuencia no será reflejada (a no ser que se den circunstancias excepcionales). Sin embargo, la onda resulta difractada en una proporción muy pequeña por los estratos ionizados de la ionosfera. De esta forma, una pequeña parte de la potencia de la onda es reenviada a la superficie de la Tierra, donde puede captarse con un receptor especialmente sensible. Esta es una forma de propagación muy poco utilizada debido a su bajo rendimiento

Propagación por Difracción Meteorítica Se basa en la propiedad de difractar que tienen determinadas zonas de la ionosfera altamente ionizadas por el frotamiento de los meteoritos a gran velocidad provenientes del espacio exterior. Por otro lado, las ondas de radio sufren el mismo efecto que en la propagación por difracción Ionosférica. Otra forma de propagación muy esporádica que no permitirá mantener comunicaciones de larga duración ni en el momento deseado.

Estas circunstancias se dan esporádicamente, y permiten la comunicación a grandes distancias en frecuencias de VHF o de UHF, a una distancia de hasta 1500 km o más, cuando normalmente estas frecuencias tienen un alcance visual de unos 150 km. Otra forma de propagación esporádica que permite comunicaciones a larga distancia con frecuencias elevadas.

Propagación Troposférica Es una capa atmosférica situada justo debajo de la estratosfera, y está comprendida entre los 11 km y los 16 km. En esta capa se forman las nubes y la temperatura desciende rápidamente con la altitud. Cuando se produce una inversión del gradiente de temperatura (más conocido como "inversión térmica") se producen los denominados canales de ionización, en los que las ondas se desplazan con gran facilidad.

Propagación por Reflexión en la Luna

Propagación por Medio de Satélites Artificiales

Se utiliza la Luna como superficie reflectante de las ondas de radio.

Para ello se necesita que la Luna sea visible tanto desde la estación emisora como desde la estación receptora. También se necesitará utilizar una potencia elevada en la comunicación para asegurar la recepción y una frecuencia que no sea absorbida ni reflejada por la ionosfera. Otra forma de propagación utilizada sobre todo por los radioaficionados.

Se utilizan los satélites artificiales que orbitan alrededor de la Tierra como medio de enlace entre dos estaciones. Igual que en la propagación por reflexión en la Luna, aquí se necesita que el satélite sea visible tanto desde la estación emisora como desde la estación receptora. Para este tipo de comunicaciones hay dos tipos de satélites: los activos y los pasivos.

Satélites Pasivos: Este tipo de satélites orbitan alrededor de la Tierra y sirven de espejo a las ondas de radio.

La estación emisora lanzará la onda hacia el satélite, y ésta se verá reflejada de vuelta a la Tierra.

Satélites Activos: Al igual que los pasivos, estos satélites orbitan alrededor de la Tierra, pero a diferencia de ellos, éstos amplifican la onda y la reenvían de vuelta a la Tierra. Para poder hacer esto, necesitan una fuente de energía, que suele ser solar o atómica.