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  • 1. LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Y SUS APLICACIONES
    Autores:
    Diana Castillo Pablo Solano
    dicastillo2@utpl.edu.ec pfsolano@utpl.edu.ec
    “Profesionales en formación Primer Ciclo “A”, Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones
    Loja-Ecuador”
    Resumen: Fundamentalmente en este trabajo a realizar hablaremos sobre las ondas electromagnéticas y sus aplicaciones que son de suma importancia en la humanidad y sobre todo para el mundo físico, científico, porque no también decirlo tecnológico; además nos ayudará a desarrollar mejor nuestros conocimientos adquiridos.
    Palabras claves: Ondas, ondas electromagnéticas, microondas, movimiento de las ondas.
    Introducción: Nuestro medio se encuentra lleno de diversos tipos de ondas como las olas del río, las ondas sonoras, las ondas generadas por un sismo y la luz. Todas las ondas son resultado de una perturbación.
    Cuando dos ondas se unen en un punto estas se imparten energía este proceso sucede en el movimiento de las ondas sonoras ya que su medio de transporte suele ser el aire.
    Características Generales:
    Movimiento Ondulatorio
    ¿Qué es?
    Es un proceso por el que se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecánicas o electromagnéticas. En cualquier punto de la trayectoria de propagación se produce un desplazamiento periódico, u oscilación, alrededor de una posición de equilibrio.
    Puede ser una oscilación de moléculas de aire, como en el caso del sonido que viaja por la atmósfera, de moléculas de agua (como en las olas que se forman en la superficie del mar) o de porciones de una cuerda o un resorte. En todos estos casos, las partículas oscilan en torno a su posición de equilibrio y sólo la energía avanza de forma continua. Estas ondas se denominan mecánicas porque la energía se transmite a través de un medio material, sin ningún movimiento global del propio medio. Las únicas ondas que no requieren un medio material para su propagación son las ondas electromagnéticas; en ese caso las oscilaciones corresponden a variaciones en la intensidad de campos magnéticos y eléctricos
    Ondas
    ¿Qué son?
    La propiedad esencial del movimiento ondulatorio es que no implica un transporte de materia de un punto a otro. Así, no hay una ficha de dominó o un conjunto de ellas que avancen desplazándose desde el punto inicial al final; por el contrario, su movimiento individual no alcanza más de un par de centímetros. Lo mismo sucede en la onda que se genera en la superficie de un lago o en la que se produce en una cuerda al hacer vibrar uno de sus extremos. En todos los casos las partículas constituyentes del medio se desplazan relativamente poco respecto de su posición de equilibrio. Lo que avanza y progresa no son ellas, sino la perturbación que transmiten unas a otras. El movimiento ondulatorio supone únicamente un transporte de energía y de cantidad de movimiento (figura 1)
    Figura 1. Movimiento ondulatorio y ondas
    Tipos de ondas:
    ¿Cuáles son?
    Las ondas se clasifican según la dirección de los desplazamientos de las partículas en relación a la dirección del movimiento de la propia onda. Si la vibración es paralela a la dirección de propagación de la onda, la onda se denomina longitudinal (ver figura 1). Una onda longitudinal siempre es mecánica y se debe a las sucesivas compresiones (estados de máxima densidad y presión) y enrarecimientos (estados de mínima densidad y presión) del medio. Las ondas sonoras son un ejemplo típico de esta forma de movimiento ondulatorio. Otro tipo de onda es la onda transversal, en la que las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Las ondas transversales pueden ser mecánicas, como las ondas que se propagan a lo largo de una cuerda tensa cuando se produce una perturbación en uno de sus extremos (ver figura 2), o electromagnéticas, como la luz, los rayos X o las ondas de radio. En esos casos, las direcciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación. Algunos movimientos ondulatorios mecánicos, como las olas superficiales de los líquidos, son combinaciones de movimientos longitudinales y transversales, con lo que las partículas de líquido se mueven de forma circular.
    En una onda transversal, la longitud de onda es la distancia entre dos crestas o valles sucesivos. En una onda longitudinal, corresponde a la distancia entre dos compresiones o entre dos enrarecimientos sucesivos. La frecuencia de una onda es el número de vibraciones por segundo. La velocidad de propagación de la onda es igual a su longitud de onda multiplicada por su frecuencia. En el caso de una onda mecánica, su amplitud es el máximo desplazamiento de las partículas que vibran. En una onda electromagnética, su amplitud es la intensidad máxima del campo eléctrico o del campo magnético. (figura 2)
    257809100330
    Figura 2. Tipos de Ondas
    Ondas Electromagnéticas
    ¿Qué son?
    Las ondas electromagnéticas son transversales; las direcciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la de propagación.
    Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio, y sus aspectos teóricos están relacionados con la solución en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell.
    A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse.
    Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible.
    Historia del descubrimiento
    James Clerk Maxwell fue el primero en hacer la observación teórica de que un campo electromagnético variable admite una solución cuya ecuación de movimiento se corresponde a la de una onda. Eso sugería que el campo electromagnético era susceptible de propagarse en forma de ondas, tanto en un medio material como en el vacío. Esas observaciones llevaron a Maxwell a proponer que la luz visible realmente está formada por ondas electromagnéticas. La trascendencia de la teoría de Maxwell estriba en que proporcionaba una descripción matemática del comportamiento general de la luz. En particular este modelo describe con exactitud como se puede propagar la energía en forma de radiación por el espacio en forma de vibración de campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, las propuestas de Maxwell ocasionaron cierto debate, especialmente dos cuestiones:
    La posibilidad de la propagación de las ondas en el vacío suscitó ciertas dudas en su momento. Ya que la idea de que una onda se propagara de forma autosostenida en el vacío resultaba extraña, razón por la cual años antes había nacido la teoría del éter.
    Además las ecuaciones de Maxwell sugerían que la velocidad de propagación en el vacío era constante, para todos los observadores. Eso llevo a interpretar la velocidad de propagación constante de las ondas electromagnéticas como la velocidad a la que se propagaban las ondas respecto a un supuesto éter inmóvil que sería un medio material muy sutil que invadiría todo el universo. Sin embargo, el famoso experimento de Michelson y Morley descartó la existencia del éter y quedó inexplicado hasta que Albert Einstein, Poincaré, H. Lorentz y otros, explicarían la constancia de la velocidad de la luz como una constante de las leyes de la Física. (la teoría especial de la relatividad extiende la constante de propagación de la luz a todo fenómeno físico, no sólo las ondas electromagnéticas).
    Sin embargo a pesar de todas esas cuestiones los primeros experimentos para detectar físicamente las ondas electromagnéticas, diferentes de la luz, fueron llevados a cabo por Heinrich Hertz en 1888, gracias a que fue el primero en construir un aparato que emitía y detectaba ondas electromagnéticas VHF y UHF.
    Aplicaciones de las Ondas Electromagnéticas :
    Ejemplo
    Las microondas
    ¿Por qué se llaman microondas?“Micro” en griego significa pequeño. Las microondas son ondas electromagnéticas igual que las de radio, pero de longitud de onda mucho más pequeña: las longitudes de ondas de radio AM son de unos 300 metros, las de FM, de unos 3 metros, mientras que las de microondas son de unos pocos centímetros. Específicamente las del horno son de 12 cm.
    ¿Qué son las microondas?
    Las microondas, en un electrodoméstico “microondas” el proceso que se genera y que permite calentar a los alimentos. Fig3
    -1479553738245Las microondas están situadas entre los rayos infrarrojos (cuya frecuencia es mayor) y las ondas de radio convencionales. Su longitud de onda va aproximadamente desde 1 mm hasta 30 cm. Las microondas se generan con tubos de electrones especiales como el klistrón o el magnetrón, que incorporan resonadores para controlar la frecuencia, o con osciladores o dispositivos de estado sólido especiales.Las microondas son como estamos analizando en este estudio, ondas electromagnéticas de la misma naturaleza que las ondas de radio, luz visible o rayos X. Lo que diferencia a cada una de las ondas del espectro electromagnético es su frecuencia (o de forma equivalente su longitud de onda).
    Figura 3. El microonda
    Utilidades del microonda
    Las microondas tienen muchas aplicaciones: radio y televisión, radares, meteorología, comunicaciones vía satélite (fig 4), medición de distancias, investigación de las propiedades de la materia o cocinado de alimentos.Las microondas pueden detectarse con un instrumento formado por un rectificador de diodos de silicio conectado a un amplificador y a un dispositivo de registro o una pantalla.La Radiación de Fondo de Microondas es una radiación de baja temperatura que llega a la superficie de la Tierra desde el espacio. Recibe este nombre porque constituye un fondo de radiación de todas las direcciones del espacio, incluso de aquéllas en las que no hay ningún objeto. Arno Penzias y Robert W. Wilson fueron los primeros en detectarla y darla a conocer en 1965. De acuerdo con la teoría de gran aceptación, esta radiación es lo que queda de las elevadísimas temperaturas propias de los primeros momentos del Big Bang.En 1945 Percy Spencer, un científico americano, descubrió las posibilidades culinarias de las microondas al preparar con éxito palomitas de maíz.
    63881092075
    Figura 4 Satélite
    Los alimentos en general contienen agua en una proporción elevada. El agua está formada por moléculas polares. Esto quiere decir que podemos considerar la molécula de agua como una estructura con dos polos en los extremos, uno positivo y el otro negativo.Las microondas son capaces de tirar de los polos de las moléculas polares forzándolas a moverse. El sentido en que las microondas tiran de las moléculas cambia 2450000000 veces por segundo. Esta interacción entre microondas y moléculas polares provocan el giro de éstas.Las microondas hacen rotar más o menos eficientemente al resto de moléculas polares que hay en los alimentos además del agua. Las microondas sin embargo no tienen ningún efecto sobre las moléculas apolares (sin polos), por ejemplo los plásticos. Tampoco ejercen efecto sobre sustancias polares en las que las partículas que las forman no tienen movilidad. En este grupo estaría el agua sólida, la sal común, la porcelana o el vidrio,Una vez que las moléculas de agua presentes en los alimentos comienzan a girar, pueden transferir parte de esta energía mediante choques con las moléculas contiguas. Este mecanismo hará que por conducción todo el alimento acabe calentándose.
    29019583820Figura 5
    Una red de área local por radio frecuencia o WLAN (Wireless LAN) puede definirse como una red local que utiliza tecnología de radiofrecuencia para enlazar los equipos conectados a la red, en lugar de los cables coaxiales o de fibra óptica que se utilizan en las LAN convencionales cableadas, o se puede definir de la siguiente manera: cuando los medios de unión entre sus terminales no son los cables antes mencionados, sino un medio inalámbrico, como por ejemplo la radio, los infrarrojos o el láser. Fig 5
    La tecnología basada en microondas se puede considerar como la más madura, dado que es donde se han conseguido los resultados más claros. La basada en infrarrojos, por el contrario, se encuentra de momento menos desarrollada, las distancias que se cubren son sensiblemente más cortas y existen aún una importante serie de problemas técnicos por resolver. Pese a ello, presenta la ventaja frente a las microondas de que no existe el problema de la saturación del espectro de frecuencias, lo que la hace tremendamente atractiva ya que se basa en un " espacio libre" de actuación
    Se usan en el radar y otros sistemas de comunicación, así como en el análisis de detalles muy finos de la estructura atómica y molecular (fig 6) .Se generan mediante dispositivos electrónicos. Son ondas de radio de alta frecuencia y por consiguiente de longitud de onda muy corta, de ahí su nombre.Tienen la propiedad de excitar la molécula de agua, por consiguiente se utilizan en los hornos de microondas para calentar alimentos que contengan este líquido.
    775970-481330
    Fig 6
    ¿Cómo se producen las microondas?En los hornos, se generan con un dispositivo llamado magnetrón, que es derivado de los radares: un aparato que produce microondas de gran potencia. El magnetrón es una pequeña cavidad metálica con un filamento caliente que emite electrones, un alto voltaje que los acelera y un poderoso imán que los hace girar. Al girar, los electrones generan una onda resonante en la cavidad. Este tipo de resonancia es similar a cómo en una guitarra las cuerdas hacen resonar la caja de madera.La onda es posteriormente guiada hacia la cámara del horno donde llega a la comida y la calienta.
    ¿Por qué las microondas calientan algunas cosas y otras no?Las microondas calientan principalmente el agua líquida en los alimentos. La microonda, como toda onda electromagnética, es un campo eléctrico oscilante que empuja a las cargas eléctricas en la materia, y aunque la molécula de agua es neutra en total, tienen dos polos de carga: un extremo positivo y el otro negativo. Así, la onda empuja los extremos de las moléculas en direcciones opuestas, haciendo que éstas tiendan a girar y golpearse o rozarse entre ellas violentamente, lo que se traduce en calor. Las moléculas de otros materiales que no son polares no se calientan tanto como el agua. Tampoco el hielo se calienta mucho porque, aunque está hecho de agua, las moléculas están en posiciones fijas y no tienen movilidad para rozarse entre ellas. Por eso, al descongelar un trozo de carne, el trozo menos congelado (donde el agua ya es líquida) empieza a calentarse mucho más rápido –y puede hasta cocerse—mientras el resto sigue congelado. Así, para descongelar el trozo, hay que calentarlo muy lentamente para que el calor que llega de la onda a la zona descongelada se propague y descongele el resto.En resumen: el magnetrón produce radiación de microondas de gran potencia que llegan al alimento, agitan a las moléculas de agua y éstas absorben esa energía y se calientan.
    Propósito :
    Es demostrar el tipo de movimiento que existe en los diferentes tipos de ondas y conocer más a fondo sobre sus aplicaciones en este caso hemos hablado de los microondas y las utilidades que tiene el mismo.
    Conclusiones :
    Concluimos que las ondas son importantes en nuestra sociedad ya que a través de ellas podemos obtener diversos beneficios.
    Que el tipo de movimiento de las ondas es diferente esto es más especificado en el movimiento de las ondas sonoras.
    De acuerdo al trabajo realizado podemos decir que para calentar cosas en el microondas las moléculas deben ser polares porque si son no polares no se calientan tanto como por ejemplo el agua.
    La onda electromagnética enviada por el microondas es posteriormente guiada hacia la cámara del horno done llega la comida esto produce que sufra un calentamiento
    Referencias :
    Alonso, Marcelo y Finn, Edward. Campos y Ondas. En “Física”. Vol. II. México: Addison Wesley Iberoamericana, 1986. Texto universitario clásico en el que se trata de forma rigurosa la descripción de las ondas y sus propiedades.
    www.gallawa.com/microtech/magnetron.html
    Pozar, David M. (1993). Microwave Engineering Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 0-201-50418-9.
    Dugauquier C. – Effects of exposure to electromagnetic fields (microwaves) on mammalian pregnancy. Litterature review – Médecine et Armées, 2006; 34 (3): 215-218
    Heynick C. et al. – Radio Frequency Electromagnetic Fields: Cancer,Mutagenesis, and Genotoxicity – Bioelectromagnetics Supplement, 2003; 6:S74-S100 .
    Martín-Gil J., Martín-Gil F.J, José-Yacamán M., Carapia-Morales L. and Falcón-Bárcenas T. Microwave-assisted Synthesis of Hydrated Sodium Uranyl Oxonium Silicate. Polish Journal of Chemistry. 2005. 79, 1399-1403
    French, A. P. Vibraciones y Ondas. Barcelona: Editorial Reverté, 1997. Texto universitario en el que se describen, con un tratamiento matemático riguroso, el movimiento vibratorio y el movimiento ondulatorio