Conceptos Básicos de Ondas Electromagnéticas Guiadas

Onda

Perturbación que se propaga en el medio. Propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El espacio perturbado puede o no contener materia.

Características

➧Amplitud: Valor máximo valor que toma la función; máximo valor que alcanza la perturbación en un punto. La desviación máxima de una onda con relación a su valor medio.

➧Longitud de onda (λ). La distancia entre dos puntos consecutivos de la perturbación o la distancia que recorre la onda en un periodo de T. La distancia mínima entre 2 puntos cualesquiera sobre una onda completa de un ciclo; la distancia que hay entre 2 valles o crestas.

La distancia real que recorre una perturbación (una onda) en un determinado intervalo de tiempo. Ese intervalo de tiempo es el transcurrido entre dos máximos consecutivos de alguna propiedad física de la onda

λ  = v/f

➧Frecuencia [ƒ] [ν]: Se define por el número de oscilaciones o ciclos por segundo que tiene una onda. La tasa en el tiempo en la cual la perturbación se repite así misma. Unidad: Hertz [Hz].

➧Periodo [T]: Es el intervalo de tiempo entre dos puntos equivalentes de la onda; El tiempo que tarda en realizarse un ciclo o una oscilación completa T = 1/f

➧Frecuencia angular [ω]: Ángulo que describe a una partícula en una trayectoria circular.

➧Velocidad: Considerada como el desplazamiento de la onda y que depende exclusivamente de las propiedades del medio

➧Velocidad  de Propagación: La distancia recorrida por la onda en una unidad de tiempo. Cuando se habla de la rapidez de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c.

➧Numero de onda: Número de veces que se repite un fenómeno periódico por unidad de distancia.

Conceptos Complementarios

Ciclo: Es la distancia que recorre una partícula o un cuerpo de un punto a otro regresando al punto de partida.

Radian: Es el ángulo que va sosteniendo la partícula en una trayectoria circular.

Foco de la onda: lugar desde el que se origina la onda

Cresta: Es la parte más alta de una onda.

Valle: Es la parte más baja de una onda.

Onda continua: La onda es continua cuando la oscilación en el origen se repite durante tiempo indefinido

Número de onda: Es el número de longitudes de onda  que se pueden contar en 2π unidades de longitud. Equivale a una frecuencia espacial.

Interferencia: Superposición de ondas que puede dar lugar a una intensificación o debilitamiento de la onda resultante respecto de las ondas componentes. En el primer caso tenemos interferencia constructiva y en el segundo destructiva.

M.A.S. (Movimiento armónico simple): Trayectoria de una partícula o comportamiento de senos y cosenos.

Resonancia: Fenómeno por el que se conoce a las ondas estacionarias confinadas en una región. . Lleva implícito un almacenamiento de energía en ese espacio confinado y sólo es posible para determinadas frecuencias relacionadas con sus dimensiones.

Decibeles: Usamos los decibeles [dB] para medir la potencia de los sonidos, es empleada mayormente en la acústica y  en telecomunicaciones. Los decibeles son una unidad logarítmica y representa la décima parte de un bell, unidad de medición llamada así en honor a Alexander Graham Bell.

Neper: Unidad de medida relativa empleada frecuentemente en el campo de las telecomunicaciones, mediante ella se puede expresar relaciones entre voltajes o intensidades. Su símbolo es [Np].

Propiedades de las ondas mecánicas

Reflexión.  Se manifiesta cuando una onda rebota contra un objeto que se interpone en su camino.

Refracción. Esta propiedad aparece cuando la onda mecánica pasa por un medio a otro, ya sea de mayor o menor densidad.

Esto se entiende mejor si consideramos que las moléculas de un sólido, al contraerse más juntas, facilitan que la energía se transmita.

Las ondas sonoras que se transmiten por el aire chocan contra ellos y, como lo mencionamos en la reflexión, gran parte de la energía es absorbida o reflejada.

Difracción. Esta propiedad se presenta cuando un objeto se interpone en la trayectoria de una onda y ésta trata de pasar rodeando, brincándolo o atravesando alguna rendija o espacio abierto.

Interferencia. Cuando dos ondas diferentes concurren, coinciden o se superponen en un mismo punto de su trayectoria se presente esta propiedad.

Resonancia. Esta propiedad es de las más interesantes y a la vez más compleja. Se presenta cuando una onda es absorbida por un objeto y éste comienza a vibrar con la misma energía y frecuencia que la onda.

Constructiva. Ocurre cuando las ondas se alcanzan y se forma una onda más grande, ya que la energía se ambas se suman en un punto en común.

Destructiva. Ocurre cuando la onda resultante es de menor intensidad. Esta propiedad se aprecia fácilmente cuando dos ondas chocan de frente. Su trayectoria y velocidad serán menores a partir del punto de choque.

La cancelación o anulación de las ondas es otro resultado que puede presentarse, esto solo si la energía de ambas es exactamente la misma.

Tipos de Onda

Mecánicas: Son aquellas que necesitan un medio para propagarse y puede ser sólido, líquido o elástico, las partículas en éste.

Electromagnéticas: Se propagan por el espacio sin necesidad de un medio; pueden propagarse en el vacío, debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las ondulaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético asociado.

La perturbación simultanea de los campos eléctricos y magnéticos existentes en una región.

Las ondas originadas por los campos eléctricos y magnéticos son de carácter transversal, encontrándose en fase, pero estando las vibraciones accionadas en planos perpendiculares entre sí.

Gravitacionales: Son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio aunque es común representarlos viajando en el espacio técnicamente y en la actualidad no se puede afirmar que se desplacen por el espacio si no que en si misma son alteraciones del espacio-tiempo.

Onda periódica: Son ondas con perturbaciones que se repiten en intervalos regulares de tiempo.

Frente de onda: Es la superficie definida por todas los puntos del medio a los que llega la onda en el mismo instante, los frente de onda más comunes son aquellos a los corresponden a superficies esféricas, cilíndricas y planas, y todos los puntos tienen el mismo valor de fase.

Ondas transversales: La vibración asociada a una perturbación en una dirección perpendicular a la propagación de la onda y en el segundo caso ambas direcciones coinciden. Son aquellas en las que las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Ondas longitudinales: Las ondas longitudinales las podemos observar con mayor y mejor facilidad en un resorte, pues cuando éste se deforma y es liberado, se produce una vibración y las partículas del medio se mueven en la misma dirección de propagación (resorte).

Ondas estacionarias: Onda que no avanza porque alguno de los puntos están permanentemente en un estado de perturbación nula. Éstas no son ondas de propagación ya sea de una cuerda, de una membrana, del aire o de un tubo.

Conceptos de Ondas Electromagnéticas Guiadas:

  

Flujo magnético (Φ): La cantidad de líneas de campo magnético que atraviesan una determinada superficie S en el espacio.

Para su cálculo, se realiza el producto escalar de B y dS en una superficie elemental que forma parte de la superficie total S, y se extiende dicho producto a toda la superficie.

φ = ∫s B dS 

En el interior de un solenoide que está atravesado por líneas de campo magnético uniforme, el flujo magnético que atraviesa cualquier sección recta, resulta:

φ = ⋅ B S

Siendo sus unidades 2 Weber [Wb] = T ⋅m en el S.I

Inducción magnética (B): Es la producción de una fuerza electromotriz a través de un conductor cuando se expone a un campo magnético variable. Se describe matemáticamente por la ley de inducción de Faraday, en nombre de Michael Faraday, que generalmente se le atribuye el descubrimiento de la inducción en 1831.

Permeabilidad magnética:

Es la capacidad de un material para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos Se puede comprobar experimentalmente que al introducir en el núcleo de una bobina una barra de hierro, se aprecia un notable aumento de las propiedades magnéticas de dicha bobina. Por esta razón, siempre que deseemos producir campos magnéticos intensos utilizaremos núcleos de hierro, como es el caso de los electroimanes. Una bobina con núcleo de aire produce un número determinado de líneas de fuerza. Al introducir un trozo de hierro, refuerza la acción del campo magnético original. En la práctica, es más usual utilizar el concepto de permeabilidad absoluta (µ). Ésta nos relaciona la intensidad de campo que produce la bobina (H) con el nivel de inducción magnética alcanzado al introducir una substancia ferromagnética en el núcleo. H=B /µ H (A/m).

Modulación:

Engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias. Según la American National Standard for Telecommunications, la modulación es el proceso, o el resultado del proceso, de variar una característica de una onda portadora de acuerdo con una señal que transporta información. El propósito de la modulación es sobreponer señales en las ondas portadoras.

  

Línea de Transmisión:

Estructura material de geometría uniforme utilizado para transporta eficientemente la energía de radiofrecuencia desde un punto a otro. Un parámetro que la define comúnmente es su impedancia característica siendo los valores más comunes entre los 50 y 70 ohmios cuando nos referimos a un tipo particular de líneas de transmisión  conocidos, en esta caso como cables coaxiales.

Cable Coaxial:

Cable utilizado para transportar señales eléctricas en alta frecuencia que posee dos conductores concéntricos, uno central llamado vivo, encargado de llevar la información y uno exterior de aspecto tubular llamado malla que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes.

Guías de onda:

Cualquier tipo de estructura física que guía ondas electromagnéticas.

Fibra Óptica:

Medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos y telecomunicaciones, consiste en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

Medio de Transmisión:

Vías por las cuales se comunican los datos. Dependiendo la forma de conducir la señal a través del medio o soporte físico se pueden clasificar en dos grandes grupos: Medios de transmisión guiados o alámbricos y Medios de transmisión no guiados o inalámbricos.

Cableado Estructurado:

Sistema de cables, conectores, canalizadores y dispositivos que permiten establecer una infraestructura de telecomunicaciones en un edificio. La instalación y las características del sistema deben cumplir con ciertos estándares para formar parte de la condición de cableado estructurado.