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FENOMENOS ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA
ELECTROSTATICA
La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos resultantes de
la distribución de cargas eléctricas en reposo, esto es, del campo electrostático.
Los fenómenos electrostáticos son conocidos desde la antigüedad. Los griegos del
siglo V a. C. ya sabían que al frotar ciertos objetos estos adquirían la propiedad de
atraer cuerpos livianos. En 1785 el físico francés Charles Coulomb publicó un
tratado donde cuantificaba las fuerzas de atracción y repulsión de cargas
eléctricas estáticas y describía, por primera vez, cómo medirlas usando una
balanza de torsión. Esta ley se conoce en su honor con el nombre de ley de
Coulomb.
Durante el siglo XIX se generalizaron las ideas de Coulomb, se introdujo el
concepto de campo eléctrico y potencial eléctrico, y se formuló la ecuación de
Laplace, que determina el potencial eléctrico en el caso electrostático. Se
produjeron también avances significativos en la electrodinámica, que estudia los
fenómenos eléctricos producidos por cargas en movimiento. En estos fenómenos
aparecen asimismo campos magnéticos, que pueden ser ignorados en el caso de
circuitos con corriente eléctrica estacionaria, pero deben ser tomados en cuenta
en el caso de circuitos de corriente alterna.
Finalmente, en 1864 el físico escocés James Clerk Maxwell unificó las leyes de la
electricidad y del magnetismo en un sistema de cuatro ecuaciones en derivadas
parciales conocidas como ecuaciones de Maxwell. Con ellas se desarrolló el
estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos, mostrando que ambos tipos
son manifestaciones del único fenómeno del electromagnetismo, que incluía
también a las ondas electromagnéticas.
Electrodinámica
La electrodinámica es la rama del electromagnetismo que trata de la
evolución temporal en sistemas donde interactúan campos eléctricos y
magnéticos con cargas en movimiento.
Albert Einstein desarrolló la relatividad especial merced a un análisis de la
electrodinámica. Durante finales del siglo XIX los físicos se percataron de una
contradicción entre las leyes aceptadas de la electrodinámica y la mecánica
clásica. En particular, las ecuaciones de Maxwell predecían resultados no
intuitivos como que la velocidad de la luz es la misma para cualquier
observador y que no obedece a la invariancia de Galileo. Se creía, pues, que
las ecuaciones de Maxwell no eran correctas y que las verdaderas ecuaciones
del electromagnetismo contenían un término que se correspondería con la
influencia del éter lumínico.
Después de que los experimentos no arrojasen ninguna evidencia sobre la
existencia del éter, Einstein propuso la revolucionaria idea de que las
ecuaciones de la electrodinámica eran correctas y que algunos principios de la
mecánica clásica eran inexactos, lo que le llevó a la formulación de la
relatividad especial.
Unos quince años antes del trabajo de Einstein, Wiechert y más tarde Liénard,
buscaron las expresiones de los campos electromagnéticos de cargas en
movimiento. Esas expresiones, que incluían el efecto del retardo de la
propagación de la luz, se conocen ahora como potenciales de Liénard-
Wiechert. Un hecho importante que se desprende del retardo, es que un
conjunto de cargas eléctricas en movimiento ya no puede ser descrito de
manera exacta mediante ecuaciones que sólo dependa de las velocidades y
posiciones de las partículas. En otras palabras, eso implica que el lagrangiano
debe contener dependecias de los "grados de libertad" internos del campo.[]
IMPEDANCIA Y REACTANCIA
IMPEDANCIA
La impedancia (Z) es la oposición al paso de la corriente alterna. A diferencia
de la resistencia, la impedancia incluye los efectos de acumulación y
eliminación de carga (capacitancia) e/o inducción magnética (inductancia).
Este efecto es apreciable al analizar la señal eléctrica implicada en el tiempo.
Definición
Sea un componente eléctrico o electrónico o un circuito alimentado por una
corriente sinusoidal . Si el voltaje a sus extremos es , la
impedancia del circuito o del componente se define como un número
complejo cuyo módulo es el cociente y cuyo argumento es .
o sea .
Es la oposición total (Resistencia, Reactancia inductiva, Reactancia
capacitiva) sobre la corriente
Como el voltaje y las corrientes son sinusoidales, se pueden utilizar los
valores pico (amplitudes), los valores eficaces, los valores pico a pico o los
valores medios. Pero hay que cuidar de tratarlos uniformemente y no mezclar
los tipos. El resultado de los cálculos será del mismo tipo que el utilizado para
los generadores de voltaje o de corriente.
Reactancia
En electrónica y electrotecnia, se denomina reactancia a la oposición ofrecida
al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) y condensadores, se
mide en Ohmios y su símbolo es Ω. Junto a la resistencia eléctrica determinan
la impedancia total de un componente o circuito, de tal forma que la reactancia
(X) es la parte imaginaria de la impedancia (Z) y la resistencia (R) es la parte
real, según la igualdad:
Reactancia capacitiva
La reactancia capacitiva se representa por y su valor viene dado por la
fórmula:
en la que:
=Reactancia capacitiva en ohms
= Capacitancia en farads
= Frecuencia en hertzs
= Frecuencia angular
Reactancia inductiva
La reactancia inductiva se representa por y su valor viene dado por:
en la que:
= Reactancia inductiva en ohms
= Inductancia en henrys
= Frecuencia en hertzs
= Frecuencia angular
MAGNETISMO Y ALMACENAMIENTO DE INFORMACION
La lectura y grabación de la información en un dispositivo de almacenamiento por medio
magnético se da por la manipulación de partículas magnéticas presentes en la superficie
del medio magnético. Para la grabación, el cabezal de lectura y grabación del dispositivo
genera un campo magnético que magnetiza las partículas magnéticas, representando así
dígitos binarios (bits) de acuerdo a la polaridad utilizada. Para la lectura, el cabezal de
lectura y grabación genera un campo magnético, que cuando entra en contacto con las
partículas magnéticas del medio verifica si esta atrae o repele al campo magnético,
sabiendo así si el polo encontrado en la molécula es positivo o negativo.
Como ejemplo de dispositivos de almacenamiento por medio magnético, podemos
citar los Discos Rígidos (también conocidos con HDs, hard disks o discos duros), los
Disquetes (también conocidos como discos flexibles o floppy disks), los Tape Backups,
las cintas DAT, entre otros. Los dispositivos de almacenamiento magnéticos
removibles normalmente no poseen la capacidad y seguridad de los dispositivos fijos.
RELACIÓN ENTRE CORRIENTE Y MAGNETISMO
Hans Christian Oersted (1777-1851), profesor de filosofía natural en la
Universidad de Copenhague, inició en 1807 sus investigaciones sobre los
efectos de la electricidad en la aguja magnética de una brújula. En ese año, y
posteriormente en 1812 publicó varios ensayos en los que argüía, apoyado en
consideraciones filosóficas, que la electricidad y el magnetismo deberían estar
relacionados. Sus argumentos se basaban en la creencia de la unidad de
todas las fuerzas de la naturaleza. Sin embargo, no presentó ningún resultado
experimental que verificara sus conclusiones. Oersted estuvo consciente de
esta falla en su argumentación y trató de verificarla realizando una serie de
experimentos con corrientes eléctricas. Durante muchos años Oersted no
obtuvo ningún resultado positivo, en gran parte debido a que las fuentes de
corriente de que disponía eran pilas voltaicas de muy baja intensidad.
Después de muchos años, en 1820, durante una clase en que estaba
presentando a sus alumnos ciertos experimentos eléctricos, encontró que una
corriente eléctrica sí tiene un efecto sobre un imán. La experiencia de Oersted
fue la siguiente.
Colocó un alambre por el que circulaba corriente eléctrica encima de una
brújula y observó que la aguja se desviaba hacia el oeste.
En seguida colocó este alambre debajo de la brújula y vio que la aguja
también se desviaba, pero ahora, hacia el este.
Oersted entonces concluyó que para que la aguja imantada de la brújula se
pudiera mover tuvo que experimentar una fuerza magnética, y que la corriente
eléctrica del alambre tuvo que generarla. Por lo tanto, una corriente eléctrica
produce un efecto magnético. Ahora bien, este efecto magnético de la
corriente eléctrica no puede quedar confinado dentro del alambre conductor,
sino que tiene que estar esparcido en todo el espacio a su alrededor, para que
llegue, por así decirlo, hasta donde está la aguja. Esta fue la primera vez que
alguien mencionó la idea de que el efecto magnético debe estar disperso en
todo el espacio, y como veremos más adelante constituye la idea básica del
campo magnético.
Oersted publicó estos resultados en un pequeño folleto de seis páginas en
latín, como se acostumbraba en ese entonces, que envió a las diferentes
sociedades científicas europeas. Este trabajo causó inmediatamente
sensación, dio lugar a muchas interrogantes y estimuló una ráfaga de
investigaciones, principalmente en Francia.
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO Y SU CLASIFICACION
1.-Radiofrecuencia
Las ondas de radio suelen ser utilizadas mediante antenas del tamaño apropiado
(según el principio de resonancia), con longitudes de onda en los límites de
cientos de metros a aproximadamente un milímetro. Se usan para la transmisión
de datos, a través de la modulación. La televisión, los teléfonos móviles, las
resonancias magnéticas, o las redes inalámbricas y de radio-aficionados, son
algunos usos populares de las ondas de radio.
Las ondas de radio pueden transportar información variando la combinación de
amplitud, frecuencia y fase de la onda dentro de una banda de frecuencia. El uso
del espectro de radio está regulado por muchos gobiernos mediante la asignación
de frecuencias. Cuando la radiación electromagnética impacta sobre un conductor,
se empareja con él y viaja a lo largo del mismo, induciendo una corriente eléctrica
en la superficie de ese conductor mediante la excitación de los electrones del
material de conducción. Este efecto (el efecto piel) se usado en las antenas. La
radiación electromagnética también puede hacer que ciertas moléculas absorban
energía y se calienten, una característica que se utiliza en en los microondas.
2.-Microondas
La frecuencia super alta (SHF) y la frecuencia extremadamente alta (EHF) de las
microondas son las siguientes en la escala de frecuencia. Las microondas son
ondas los suficientemente cortas como para emplear guías de ondas metálicas
tubulares de diámetro razonable. La energía de microondas se produce con tubos
klistrón y tubos magnetrón, y con diodos de estado sólido como los dispositivos
Gunn e IMPATT. Las microondas son absorbidas por la moléculas que tienen un
momento dipolar en líquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para
calentar la comida. La radiación de microondas de baja intensidad se utiliza en Wi-
Fi.
El horno microondas promedio, cuando está activo, está en un rango cercano y
bastante poderoso como para causar interferencia con campos electromagnéticos
mal protegidos, como los que se encuentran en dispositivos médicos móviles y
aparatos electrónicos baratos.
3.-Rayos T
La radiación de terahertzios (o Rayos T) es una región del espectro situada entre
el infrarrojo lejano y las microondas. Hasta hace poco, este rango estaba muy
poco estudiado, ya que apenas había fuentes para la energía microondas en el
extremo alto de la banda (ondas submilimétrica o también llamadas ondas
terahertzios). Sin embargo, están apareciendo aplicaciones para mostrar
imágenes y comunicaciones. Los científicos también buscan aplicar la tecnología
de rayos T en las fuerzas armadas, donde podrían usarse para dirigirlas a las
tropas enemigas, ya que las ondas de alta frecuencia incapacitan los equipos
electrónicos.
4.-Radiación infrarroja
La parte infrarroja del espectro electromagnético cubre el rango desde
aproximadamente los 300 GHz (1 mm) hasta los 400 THz (750 nm). Puede ser
dividida en tres partes:
* Infrarrojo lejano, desde 300 GHz (1 mm) hasta 30 THz (10 μm). La parte inferior
de este rango también puede llamarse microondas. Esta radiación es absorbida
por los llamados modos rotatorios en las moléculas en fase gaseosa, mediante
movimientos moleculares en los líquidos, y mediante fotones en los sólidos. El
agua en la atmósfera de la Tierra absorbe tan fuertemente esta radiación que
confiere a la atmósfera efectividad opaca. Sin embargo, hay ciertos rangos de
longitudes de onda ("ventanas") dentro del rango opaca¡o que permiten la
transmisión parcial, y pueden ser usados en astronomía. El rango de longitud de
onda de aproximadamente 200 μm hasta unos pocos mm suele llamarse
"radiación submilimétrica" en astronomía, reservando el infrarrojo lejano para
longitudes de onda por debajo de los 200 μm.
* Infrarrojo medio, desde 30 a 120 THz (10 a 2.5 μm). Los objetos calientes
(radiadores de cuerpo negro) pueden irradiar fuertemente en este rango. Se
absorbe por vibraciones moleculares, es decir, cuando los diferentes átomos en
una molécula vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio. Este rango es
llamado, a veces, región de huella digital, ya que el espectro de absorción del
infrarrojo medio de cada compuesto es muy específico.
* Infrarrojo cercano, desde 120 a 400 THz (2500 a 750 nm). Los procesos físicos
que son relevantes para este rango son similares a los de la luz visible.
5.-Radiación visible (luz)
La frecuencia por encima del infrarrojo es la de la luz visible. Este es el rango en el
que el Sol y las estrellas similares a él emiten la mayor parte de su radiación. No
es probablemente una coincidencia que el ojo humano sea sensible a las
longitudes de onda que el sol emite con más fuerza. La luz visible (y la luz cercana
al infrarrojo) son absorbidas y emitidas por electrones en las moléculas y átomos
que se mueven desde un nivel de energía a otro. La luz que vemos con nuestros
ojos es realmente una parte muy pequeña del espectro electromagnético. Un arco
iris muestra la parte óptica (visible) del espectro electromagnético; el infrarrojo (si
pudiera verse) estaría localizado justo a continuación del lado rojo del arco iris,
mientras que el ultravioleta estaría tras el violeta.
La radiación electromagnética con una longitud de onda entre aproximadamente
400 nm y 700 nm es detectado por el ojo humano y percibida como luz visible. A
otras longitudes de onda, sobre todo al infrarrojo cercano (más largo de 700 nm) y
al ultravioleta (más corto que 400 nm) también se les llama luz a veces, sobre todo
cuando la visibilidad para los humanos no es relevante.
Si la radiación que tiene una frecuencia en la región visible del espectro
electromagnético se refleja en un objeto, como por ejemplo un plato hondo de
fruta, y luego impacta en nuestros ojos, obtenemos una percepción visual de la
escena. El sistema visual de nuestro cerebro procesa la multitud de frecuencias
reflejadas en diferentes sombras y matices, y a través de este fenéomeno
psicofísico que todavía no se entiende completamente, es como percibiríamos los
objetos.
En la mayor parte de las longitudes de onda, sin embargo, la información
transportada por la radiación electromagnética no es directamente descubierta por
los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen radiación electromagnética
a través del espectro, y nuestra tecnología también puede manipular un amplio
rango de longitudes de onda. La fibra óptica transmite luz que, aunque no es
adecuada para la visión directa, puede transportar datos que luego son traducidos
en sonido o imagen. La codificación usada en tales datos es similar a lo que se
usa con las ondas de radio.
6.-Luz ultravioleta
La siguiente frecuencia en el espectro es el ultravioleta (o rayos UV), que es la
radiación cuya longitud de onda es más corta que el extremo violeta del espectro
visible.
Al ser muy energética, la radiación ultravioleta puede romper enlaces químicos,
haciendo a las moléculas excepcionalmente reactivas o ionizándolas, lo que
cambia su comportamiento. Las quemaduras solares, por ejemplo, están
causadas por los efectos perjudiciales de la radiación UV en las células de la piel,
y pueden causar incluso cáncer de piel si la radiación daña las moléculas de ADN
complejas en las células (la radiación UV es un mutágeno). El Sol emite una gran
cantidad de radiación UV, lo que podría convertir rápidamente la Tierra en un
desierto estéril si no fuera porque, en su mayor parte, es absorbida por la capa de
ozono de la atmósfera antes de alcanzar la superficie.
7.-Rayos X
Después del ultravioleta vienen los rayos X. Los rayos X duros tienen longitudes
de onda más cortas que los rayos X suaves. Se usan generalmente para ver a
través de algunos objetos, así como para la física de alta energía y la astronomía.
Las estrellas de neutrones y los discos de acreción alrededor de los agujeros
negros emiten rayos X, lo que nos permite estudiarlos.
Los rayos X pasan por la mayor parte de sustancias, y esto los hace útiles en
medicina e industria. También son emitidos por las estrellas, y especialmente por
algunos tipos de nebulosas. Un aparato de radiografía funciona disparando un haz
de electrones sobre un "objetivo". Si los electrones se disparan con suficiente
energía, se producen rayos X.
8.-Rayos gamma
Después de los rayos X duros vienen los rayos gamma. Son los fotones más
energéticos, y no se conoce el límite más bajo de su longitud de onda. Son útiles a
los astrónomos en el estudio de objetos o regiones de alta energía, y son útiles
para los físicos gracias a su capacidad penetrante y su producción de
radioisótopos. La longitud de onda de los rayos gamma puede medirse con gran
exactitud por medio de dispersión Compton.
No hay ningún límite exactamente definido entre las bandas del espectro
electromagnético. Algunos tipos de radiación tienen una mezcla de las
propiedades de radiaciones que se encuentran en las dos regiones del espectro.
Por ejemplo, la luz roja se parece a la radiación infrarroja en que puede resonar
algunos enlaces químicos.
FENÓMENOS PRESENTES EN LA TRANSMISIÓN POR CABLES
Medios de Transmisión
Guiados
Tipos de Cables :
-Cable Trenzado
-Cable Coaxial
-Fibra Óptica
Par Trenzado:
-Es el medio guiado más barato y más usado.
-Son cables embutidos en su recubrimiento
-Es un medio muy susceptible a ruido y a interferencias. Para evitar acoples entre
pares , estos se trenza con pasos diferentes loque tiende a disminuir la
interferencia electromagnética .
-Como inconveniente principal están su poca velocidad detransmisión (2 Mbps y
100 Mbps. ) y su corta distancia de alcance
Par Trenzado
• UTP (Unshielded Twisted Pair )
=> Ventajas:
*Barato
*Flexible y de Fácil instalación
=> Inconveniente:
*Tasa de error elevada en comparación con otros cables
• STP (Shielded Twisted Pair)
=> Ventajas:
*Flexible (aunque menos que el UTP)
*Menor tasa de error que el UTP gracias al recubrimiento apantallante
*Con mayor protección que el UTP
=> Inconvenientes:
*Mayor coste de producción que el UTP
*Son más difíciles de instalar que los anteriores
Cable coaxial
-Es un cable conductor interno separado de otro cable conductor externo por
anillos aislantes o por aislante macizo
-En los coaxiales el grosor del cable central afectará a la distancia que podrá
recorrer una señal sin debilitarse
-Se puede utilizar a más larga distancia
-Permite conectar más estaciones
Cable coaxial
=> Ventajas:
- Posee una mayor inmunidad a interferencias
- Posee velocidades de transmisión muy superiores (desde 80 Mhz y los 500 Mhz)
=> Inconvenientes:
- Menor flexibilidad
- La atenuación
- El ruido térmico
- El ruido de intermodulación .
- Son más pesados que los trenzados
Fibra óptica
• La fibra óptica es una guía de ondas en forma de filamento, generalmente de
vidrio (polisilicio), aunque también puede ser de materiales plásticos
• Puede guiar una potencia óptica, introducida por un láser, o por diodos Led.
• El núcleo central está formado por una o varias fibras muy finas con un alto
índice de refracción rodeado de una capa con un índice de refracción menor
• Su rango de frecuencias es todo el espectro visible y parte del infrarrojo
Fibra óptica
=> Dependiendo de la transmisión diferenciamos :
-Propagación Multimodal. Los rayos que inciden en un cierto rango de ángulos
irán rebotando alo largo del cable hasta llegar a su destino .
-Propagación Monomodal. Reduciendo el radio del núcleo, el rango de ángulos
disminuye hasta que sólo sea posible la transmisión de un rayo , el rayo axial
=> Ventajas:
-Permite mayor ancho de banda (35 MHz-2GHz) .
-Menor tamaño y peso .
-Menor atenuación .
-Aislamiento electromagnético .
-Mayor separación entre repetidores .
=> Inconvenientes:
-Difícil Instalación
-Flexibilidad condicionada ya que los rayos deben
formar una ángulo de incidencia adecuado.
CONCEPTO DE RADIACIÓN INALÁMBRICA
Radiación (del latín radiatĭo) es la acción y efecto de irradiar (despedir
rayos de luz, calor u otra energía). Para la física, se trata de la energía
ondulatoria o de las partículas materiales que se propagan a través del
espacio.
Existen diversos tipos de radiación. La radiación electromagnética es
aquella supone la propagación de energía mediante la combinación de
campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Se conoce como espectro
electromagnético a la distribución energética de las ondas
electromagnéticas, que van desde los rayos gamma (cuya longitud de onda se
mide en picómetros) hasta las ondas de radio (con longitudes de onda que
pueden medirse en kilómetros).
La radiación corpuscular consiste en la propagación de partículas
subatómicas que se desplazan a gran velocidad con carácter ondulatorio.
Dichas partículas pueden estar cargadas o descargadas desde el punto de
vista eléctrico.
La radiación solar es el conjunto de las radiaciones electromagnéticas que
emite el Sol y que determinan la temperatura en la Tierra.
La radiación ionizante, por su parte, propaga la energía suficiente para
ionizar la materia. Esto quiere decir que la radiación ionizante produce iones y
extrae los electrones del estado ligado al átomo.
Fenomenos electrostaticos y electrodinamicos
Impedancia y reactancia
Magnetismo y almacenamiento de informacion
Relacion entre corriente y magnetismo
Espectro electromagnetico y su clasificacion
Fenomenos presentes en la transmision por cables
Conceptos de radiacion inalambrica
