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Sistemas de Transmisión por Ondas Radioeléctricas: Ondas, Líneas de Transmisión y Antenas Una Introducción U.S. Navy Electricity and Electronics Training Series (NEETS) Integrated Publishing, 2001 2ª Edición. Traducción y Adaptación: J. Álvaro Fdez., 2004 Dpto. Electrónica e Ing. Electromecánica Universidad de Extremadura

Navy electricity and electronics training series

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---- Sistemas de Transmisión por Ondas Radioeléctricas: Ondas, Líneas de Transmisión y Antenas. ---- Traducción y Adaptación: J. Álvaro Fdez., 2004 Dpto. Electrónica e Ing. Electromecánica Universidad de Extremadura

Text of Navy electricity and electronics training series

  • Sistemas de Transmisin por Ondas Radioelctricas: Ondas,

    Lneas de Transmisin y Antenas

    Una Introduccin

    U.S. Navy Electricity and Electronics Training Series (NEETS) Integrated Publishing, 2001

    2 Edicin. Traduccin y Adaptacin: J. lvaro Fdez., 2004

    Dpto. Electrnica e Ing. Electromecnica Universidad de Extremadura

  • Sistemas de Transmisin por Ondas Radioelctricas Captulo 1: Propagacin de Ondas

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    CAPTULO 1. PROPAGACIN DE ONDAS

    Ondas transversales Trminos utilizados en movimiento de ondas Caractersticas del movimiento de ondas Refraccin Ondas sonoras Elasticidad, densidad y velocidad de transmisin Ondas lumnicas Velocidad de la luz Campo elctrico Campos elctrico y magntico combinados Respuestas

    Propagacin de Ondas Objetivos de Aprendizaje Los objetivos de aprendizaje se establecen al principio de cada captulo, sirviendo como una introduccin rpida a lo que se espera que aprenda en cada captulo. Las cuestiones cortas que aparecen en cada captulo se basan en estos objetivos. Si responde a las preguntas correctamente, a medida que avanza en el captulo, al final del mismo habr logrado los objetivos y aprendido la informacin fundamental necesaria para sus conocimientos. Estos objetivos se listan a continuacin. Cuando termine el captulo, podr:

    Establecer qu es movimiento de onda, definir los trminos reflexin, refraccin y difraccin, as como describir el efecto Doppler.

    Establecer cmo son las ondas sonoras y definir medio de propagacin. Listar y definir los trminos asociados a ondas sonoras, como ciclo,

    frecuencia, longitud de onda y velocidad. Conocer los tres requisitos para el sonido. Definir velocidad, intensidad, volumen y calidad, y sus aplicaciones a las

    ondas sonoras. Establecer los efectos acsticos que tienen fenmenos como el eco,

    reverberacin, resonancia y ruido, sobre las ondas sonoras. Definir las ondas lumnicas y conocer sus caractersticas. Conocer los distintos colores de la luz y definir los trminos reflexin,

    refraccin, difusin y absorcin, asociados a las ondas lumnicas. Establecer la diferencia entre ondas sonoras y lumnicas. Conocer la teora de ondas electromagntica y conocer los componentes

    de dichas ondas.

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    Introduccin a la Propagacin de Ondas De los muchas asignaturas que un ingeniero o tcnico en electrnica debe conocer, una de las que sean probablemente menos susceptibles de cambiar en el futuro es la teora de la propagacin de ondas. Los principios bsicos que permiten a la propagacin (transmisin) de las ondas a travs del espacio no han cambiado desde hace ms de 70 aos. Podra pensarse, pues, que el aprendizaje de dicha materia es algo sencillo, y de hecho lo es incluso para cualquier persona interesada y no relacionada directamente con la ingeniera. La mayora de los tcnicos, sin embargo, tienden a ver la propagacin de ondas como algo complejo y confuso, y que incluso debera desaparecer de los libros una vez visto este captulo. Esta actitud nace, sin lugar a dudas, del hecho de que la propagacin de ondas es una fuerza invisible que no puede detectarse por los sentidos del tacto o de la vista. El aprendizaje de la propagacin de ondas requiere el uso de la imaginacin para visualizar los conceptos asociados y cmo utilizarlos en aplicaciones prcticas. Este manual se ha desarrollado para ayudarle a visualizar y comprender estos conceptos. A travs de un uso moderado de ilustraciones y una exposicin que transcurre paso a paso desde los aspectos sencillos hasta los ms complicados, le ayudaremos a desarrollar un mejor aprendizaje de la propagacin de ondas. En este captulo, trataremos la teora de la propagacin a nivel introductorio, sin entrar en detalles tcnicos que conciernen a la ingeniera. Sin embargo, deber utilizar su inteligencia e imaginacin para comprender las nuevas ideas y conceptos presentados. Para entender la propagacin de ondas radioelctricas deber aprender primero qu es la propagacin de ondas y algunos de los principios bsicos y propiedades fsicas que afectan a la propagacin. Muchas de esas propiedades ocurren habitualmente y debe estar familiarizado con ellas. Qu es Propagacin? El hombre primitivo reconoci rpidamente la necesidad de comunicarse ms all del rango de la voz humana. Para satisfacer esta necesidad, desarroll mtodos alternativos de comunicacin, como los gestos manuales, el sonido de un tronco hueco y las seales de humo. Aunque estos mtodos fueron efectivos, seguan siendo muy limitados (al rango de los sentidos). Finalmente, las limitaciones de rango se superaron mediante el desarrollo de sistemas de mensajera y correo. Pero entonces lleg el problema de la velocidad. Durante siglos, el tiempo requerido para la entrega de un mensaje dependi de la velocidad de un caballo. Durante la ltima parte del siglo XIX, tanto las limitaciones de tiempo y distancia se superaron de forma considerable. La invencin del telgrafo hizo posible la comunicacin instantnea sobre cables de gran longitud. Poco tiempo despus, el hombre descubri cmo transmitir mensajes en forma de ondas de radio.

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    Como veremos en este captulo, las ondas de radio se propagan. Propagacin significa movimiento a travs de un medio, como ilustra fcilmente el ejemplo de los rayos de luz. Cuando encendemos una luz en un cuarto oscuro, los rayos de luz viajan desde la bombilla a todas partes de la habitacin. Tambin, cuando conectamos una linterna, los rayos de luz viajan o son radiados desde su bombilla, pero en este caso los rayos estn localizados o enfocados en un haz estrecho. Puede usar estos ejemplos para imaginar cmo se propagan las ondas de radio. Como la luz en la habitacin, las ondas de radio se pueden esparcir en todas direcciones, pero tambin pueden enfocarse (concentrarse) como ocurre con la linterna, dependiendo de la necesidad. Las ondas de radio son una forma de energa radiante, similar a la luz y al calor. Aunque no pueden verse ni sentirse, su presencia se puede detectar mediante el uso de dispositivos de medida especiales. La velocidad a la cual ambas formas de onda viajan es la misma: viajan a la velocidad de la luz. Puede que se pregunte por qu podemos ver la luz pero no las ondas de radio, siendo ambas formas de energa. La razn es que slo podemos ver lo que los ojos nos permiten detectar. Los ojos pueden detectar energa radiante slo dentro de un rango limitado de frecuencias. Dado que las frecuencias de las ondas de radio son inferiores a las que el ojo puede detectar, no podemos ver las ondas de radio. La teora de la propagacin de ondas que trataremos en las prximas pginas halla aplicacin en instrumentacin electrnica de comunicaciones, como los radares, equipos de comunicacin y de deteccin. No veremos aqu estos dispositivos o sistemas, sino en captulos posteriores. PREGUNTAS P.1 Qu es propagacin? Principios del Movimiento de Ondas Todos los objetos sobre la Tierra (tierra propiamente dicha y agua) son baados continuamente con ondas de energa. Algunas de estas ondas estimulan nuestros sentidos y pueden verse, sentirse u orse. Por ejemplo, podemos ver luz, or sonidos y sentir calor. Sin embargo, existen ondas que no estimulan nuestros sentidos, por ejemplo, las ondas de radio, aquellas que s reciben aparatos como televisores y receptores de radio porttiles. Estos aparatos son dispositivos especiales que convierten las ondas de radio en luz (imgenes de televisin) y sonido (audio) para que podamos percibirlas. Podemos definir una onda como una perturbacin (sonido, luz, ondas de radio) que se mueve a travs de un medio (aire, agua, vaco, etc.). Para ayudarle a entender el significado de esto, imagine la siguiente situacin.

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    Se encuentra en medio de un campo de trigo. Mientras el viento sopla sobre el trigal hacia usted, puede ver las espigas plegndose arriba y abajo a medida que la fuerza del viento se mueve entre y a travs del trigal. El trigo parece moverse hacia usted, pero evidentemente no lo hace: slo son las espigas que se mueven hacia delante y hacia atrs, desde su punto de vista. Podemos decir que el medio en este ejemplo es el trigo, y la perturbacin es el viento que mueve las espigas de trigo. El movimiento de onda se puede definir como una perturbacin recurrente que avanza a travs del espacio con o sin el uso de un medio fsico. Por tanto, el movimiento de onda es un medio de mover o transferir energa de un punto del espacio a otro. Por ejemplo, cuando las ondas sonoras llegan a un micrfono, la energa sonora se transforma en energa elctrica. Cuando las ondas lumnicas excitan un fototransistor, o cuando ondas de radio llegan a una antena, se convierten igualmente en energa elctrica. Por tanto, el sonido, la luz y las ondas de radio son todos formas de energa que se desplazan mediante el movimiento de onda. Ms adelante trataremos en detalle todos estos tipos de onda. PREGUNTAS P.2 Cmo se define una onda aplicada a la propagacin de onda? P.3 Qu es el movimiento de onda? P.4 Enumere algunos ejemplos de movimiento de onda.

    Figura 1-1. Formacin de ondas en el agua.

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    Figura 1-2. Cmo crea una piedra movimiento de onda en la superficie del agua. Movimiento de Onda en el Agua Un tipo de movimiento de onda familiar a casi todo el mundo es el movimiento de ondas en el agua. Explicaremos ahora estas ondas para que pueda entender el movimiento de onda y los trminos tpicos que lo describen. El movimiento de onda bsico se puede visualizar dejando caer una piedra en un charco de agua (ver figura 1-1). Cuando la piedra entra en el agua, se crea una perturbacin, resultando en una serie expansiva de ondas circulares (ver figura 1-2). La parte A muestra la cada de la piedra un instante antes de que golpee la superficie del agua. La parte B muestra la accin que ocurre en el instante que la piedra llega a la superficie, empujando el agua alrededor de la piedra hacia arriba y hacia fuera. En la parte C de la figura, la piedra se ha hundido ms en el agua, la cual se ha cerrado violentamente sobre aquella, causando un poco de espuma, mientras que la primera onda se ha movido hacia fuera. Un instante despus, la piedra se ha hundido fuera de vista, dejando el agua perturbada como en la parte D de la figura. Aqu, la primera onda ha continuado su movimiento hacia fuera, seguida de una serie de ondas gradualmente menos intensas en amplitud. Mientras, la perturbacin en el punto original de contacto con la piedra ha disminuido gradualmente.

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    Figura 1-3. - Elementos de una onda. En este ejemplo, el agua no se mueve realmente hacia fuera por la accin del movimiento de las ondas, sino arriba y abajo a medida que la onda se mueve hacia fuera. El movimiento de arriba abajo es transversal, o en ngulo recto, en relacin con el movimiento hacia fuera de las ondas. Este tipo de movimiento de onda se llama MOVIMIENTO DE ONDA TRANSVERSAL. PREGUNTAS P.5 Qu tipo de movimiento de onda se representa por el movimiento del agua? ONDAS TRANSVERSALES Para explicar las ondas transversales, usaremos de nuevo el ejemplo de las ondas en el agua. La figura 1-3 es un diagrama en seccin de las ondas vistas desde un lado. Ntese que las ondas son una sucesin de crestas y valles. La longitud de onda (un ciclo de 360 grados) es la distancia de la cresta de una onda a la cresta de la siguiente, o entre dos puntos cualesquiera de dos ondas adyacentes. La amplitud de una onda transversal es la mitad de la distancia medida verticalmente desde la cresta hasta el valle. Las ondas de agua se conocen como ondas transversales porque el movimiento del agua es de arriba abajo, o en ngulo recto con la direccin en la que viajan las ondas. Esto puede comprobarse observando un tapn de corcho dejado sobre un charco de agua en el ejemplo de la piedra. Observndolo atentamente, el corcho slo se desplazar lateralmente un poco a medida que las ondas pasan por debajo del mismo.

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    Figura 1-4. Onda transversal. En la figura 1-4, las flechas pequeas en vertical muestran la direccin del movimiento del corcho a medida que la onda transversal se mueve. La direccin de movimiento de la onda se muestra con la flecha grande en horizontal. Las ondas de radio, de luz y de calor son ejemplos tambin de ondas transversales. Ondas Longitudinales En el apartado anterior se enumeraron las ondas de radio, las ondas de luz y las de calor como ejemplos de ondas transversales, pero no hicimos mencin de las ondas sonoras, por qu? Simplemente porque las ondas sonoras son ondas longitudinales. Al contrario de las transversales, que viajan en ngulo recto a la direccin de propagacin, el sonido viaja hacia delante y hacia atrs en la misma direccin que el movimiento de la onda. Por tanto, las ondas longitudinales son ondas en las que la perturbacin tiene lugar en la direccin de propagacin. A veces se las denomina tambin ondas de compresin. Las ondas que llevan el sonido, tales como aquellas generadas en el aire por la vibracin de un diapasn, son ondas longitudinales. En la figura 1-5, el diapasn, cuando se golpea, genera vibraciones. Cuando el metal se mueve en direccin hacia fuera, el aire junto al metal se comprime (se hace ms denso) de manera que su presin instantnea se eleva por encima de los puntos del medio (aire) adyacentes. Dado que el aire es elstico, la perturbacin se transmite en direccin hacia fuera en forma de onda de compresin. Cuando el metal vuelve y se mueve hacia dentro, el aire se hace menos denso o expandido (se enrarece) de manera que su presin se baja por debajo de los puntos adyacentes del medio. La onda enrarecida se propaga desde el diapasn y sigue a la onda comprimida a travs del medio (el aire). PREGUNTAS P.6 Enumere algunos ejemplos de ondas transversales. P.7 Qu ejemplo de onda longitudinal se ha dado en el texto?

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    Figura 1-5. Propagacin del sonido de un diapasn. El Medio Hemos utilizado el trmino medio al describir el movimiento de las ondas. Dado que el medio es un trmino utilizado frecuentemente en propagacin, es necesario definirlo para poder entender lo que es y su aplicacin a la propagacin de ondas. Un medio es el vehculo a travs del cual la onda viaja desde un punto hasta el siguiente. El vehculo que transporta la onda puede ser casi cualquier cosa. Un ejemplo ya planteado es el aire. El aire, definido por el diccionario, es la mezcla de gases invisibles, inodoros e inspidos que rodean la tierra (atmsfera). El aire est formado por molculas de varios gases (e impurezas). Llamaremos a esas molculas partculas de aire o simplemente partculas.

    Figura 1-6. Los tres elementos del sonido.

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    La figura 1-6 ayuda a entender cmo viajan las ondas a travs del aire. El objeto que produce las ondas se llama fuente (la campana de la figura). El objeto que responde a las ondas se llama detector o receptor (en este caso, el odo humano). El medio es el aire, que es el modo de llevar o transportar las ondas desde la fuente al receptor. La fuente, el detector y el medio son todos elementos necesarios para el movimiento de onda y la propagacin de onda (excepto las ondas electromagnticas que no necesitan medio). Las ondas mostradas en la figura 1-6 son ondas sonoras. Cuando se toca la campana, las partculas de aire alrededor de la campana se comprimen y luego se expanden. Esta compresin y expansin de partculas de aire forman un movimiento de onda en el aire. A medida que se producen las ondas, estas llevan energa de partcula a partcula a travs del medio (aire) hasta el detector (odo). PREGUNTAS P.8 Cules son los tres requisitos necesarios para que una onda se propague? TRMINOS UTILIZADOS EN PROPAGACIN DE ONDAS Hay una serie de trminos especiales concernientes a las ondas que son de inters. Muchos de los trminos, como ciclo, longitud de onda, amplitud y frecuencia ya han sido descritos anteriormente. Ahora nos centraremos en aquellos que pertenecen a la propagacin de ondas. Antes de comenzar, sin embargo, ntese que en la figura inferior, las ondas 1 y 2 tienen la misma frecuencia y longitud de onda, pero distintas amplitudes. La lnea de referencia (tambin conocida como posicin de descanso o punto de desplazamiento cero) es la posicin que tendra una partcula de materia si no fuera perturbada por movimiento de onda. Por ejemplo, en el caso de onda acutica, la lnea de referencia es el nivel del agua cuando no hay perturbacin. Con esto en mente, vayamos a definir los cuatro trminos mostrados en la figura 1-7. Ciclo Refirase a la onda 1 de la figura 1-7. Vea la similitud de la onda a una onda sinusoidal. Todas las ondas transversales parecen ondas sinusoidales vistas desde un lado. En la figura, la onda 1 tiene 4 ciclos completos. Los puntos ABCDE forman un ciclo completo con un valor mximo por encima y por debajo de la lnea de referencia. La parte por encima de la lnea de referencia (entre los puntos A y C) se llama alternancia positiva, y la inferior (entre los puntos C y E), alternancia negativa.

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    Figura 1-7. Comparacin de ondas con distintas amplitudes. La combinacin de una alternancia completa positiva y otra negativa representa un ciclo de la onda. En el punto E, la onda comienza a repetirse con un segundo ciclo completo en el punto I, un tercero en el punto M, etc. El pico de la alternancia positiva (mximo valor sobre la lnea) a veces recibe el nombre de tope o cresta, mientras que el pico negativo (o valor mximo negativo) se denomina fondo o valle, como se muestra en la figura. Por tanto, un ciclo tiene una cresta y un valle. Longitud de Onda Una longitud de onda es la distancia espacial ocupada por un ciclo de una onda de radio en un instante de tiempo dado. Si la onda pudiera congelarse y medirse, la longitud de onda sera la distancia desde el borde extremo de un ciclo hasta el correspondiente punto del siguiente ciclo. Las longitudes de onda varan desde las micras (altas frecuencias) hasta varios kilmetros (bajas frecuencias); pero se suelen medir en metros. Por tanto, en la figura 1-7 (onda 1), la distancia entre A y E, o B y F, etc., es una longitud de onda. Se usa la letra griega lambda (l) para representar la longitud de onda. Por qu lambda y no l o L? Esto es porque L se usa normalmente para representar inductancias, y l se usa para longitud dimensional; por tanto, l se usa para indicar la longitud de las ondas.

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    Amplitud Dos ondas pueden tener la misma longitud de onda, pero la cresta de una puede elevarse ms sobre la lnea de referencia que la cresta de la otra. Compare las ondas 1 y 2 de la figura 1-7. La altura de la cresta de onda sobre la lnea de referencia se denomina amplitud de la onda. La amplitud de una onda da una indicacin relativa de la cantidad de energa que lleva dicha onda. Una serie de ondas continuas, por ejemplo desde A hasta Q, con la misma amplitud y longitud de onda, se denomina tren de ondas. Frecuencia y Tiempo El tiempo es un factor importante en el estudio de las ondas. Cuando un tren de ondas pasa a travs de un medio, un cierto nmero de ondas individuales pasan por un punto en una unidad de tiempo especfica. Por ejemplo, si un corcho sobre el agua se eleva y cae una vez por segundo, la onda hace una vibracin completa (ciclo) arriba y abajo por segundo. El nmero de vibraciones (ciclos) de un tren de ondas en una unidad de tiempo se denomina frecuencia del tren de ondas y se mide en hertzios (Hz). Si 5 ondas pasan por un punto en un segundo, la frecuencia del tren de ondas es de 5 ciclos por segundo. En la figura 1-7, la frecuencia de las dos ondas es de 4 ciclos por segundo (abreviado como cps). En 1967, en honor del fsico alemn Heinrich Hertz, se design el trmino hertzio para utilizarlo en lugar de ciclo por segundo (cps) en referencia a las ondas de radio. Puede parecer confuso utilizar en un caso el trmino ciclo para designar las alternancias positivas y negativas de una onda, cuando en otros casos se usa el trmino hertzio para designar lo que parece ser lo mismo. La clave es el factor tiempo. El trmino ciclo se refiere a cualquier secuencia de sucesos, tales como las alternancias positivas y negativas, que forman un ciclo de corriente elctrica. El trmino hertzio (Hz) se refiere al nmero de sucesos que tienen lugar en un segundo. PREGUNTAS P.9 Qu es un ciclo? P.10 Defina longitud de onda (l) CARACTERSTICAS DEL MOVIMIENTO DE ONDAS Los dos tipos de movimiento de ondas, transversal y longitudinal, tienen muchas caractersticas similares, como la frecuencia, amplitud y longitud de onda. Otra caracterstica importante que comparten estos dos tipos de movimiento de onda es la velocidad.

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    Figura 1-8. Onda longitudinal representada grficamente por una onda transversal. La velocidad de propagacin es la tasa segn la cual la perturbacin viaja a travs de un medio, o la velocidad con la que la cresta de la onda se mueve por dicho medio. La velocidad de la onda depende tanto del tipo de onda (luz, sonido o radio) como del tipo de medio (aire, agua o metal). Mediante una representacin grfica adecuada, cualquier onda longitudinal se puede ver como una onda transversal. Este hecho se ilustra en la figura 1-8. La frecuencia de una onda longitudinal, como la de la onda transversal, es el nmero de ciclos completos que hace la onda durante una cantidad especfica de tiempo. Cuanta ms frecuencia, mayor es el nmero de compresiones y expansiones por unidad de tiempo. En los dos tipos de movimiento de onda descritos en el apartado anterior, merece resear las siguientes cantidades:

    El perodo, que es el tiempo (T) en el cual ocurre un ciclo vibratorio completo de sucesos,

    La frecuencia de vibracin (f), que es el nmero de ciclos que tienen lugar en un segundo, y

    La longitud de onda (l), que es la distancia que viaja la perturbacin durante un perodo de vibracin.

    Ahora considrese el siguiente concepto. Si un objeto vibrante hace un cierto nmero de vibraciones por segundo, entonces 1 segundo dividido por el nmero de vibraciones es igual al perodo de tiempo de 1 vibracin. En otras palabras, el perodo, o tiempo, de 1 vibracin es el inverso de la frecuencia, esto es:

    Tiempo de 1 vibracin (T) = 1 / frecuencia de vibracin (f) Conocida la velocidad de una onda, se puede determinar la longitud de onda dividiendo la velocidad por la frecuencia. Puesto en forma de ecuacin:

    Velocidad de onda (v) = longitud de onda (l)* frecuencia (f)

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    Es importante expresar velocidad y longitud de onda en unidades de longitud apropiadas al usar esta frmula. Por ejemplo, en el sistema Ingls, si la velocidad (expresada en pies por segundo) se divide por la frecuencia (ciclos por segundo, o Hz), la longitud de onda viene dada en pies por ciclo. En el sistema mtrico internacional, la velocidad se expresa en metros por segundo, y la frecuencia en ciclos por segundo (o Hz), y por tanto la longitud de onda vendr dada en metros por ciclo. En la tabla siguiente se ofrece una relacin entre diversas unidades del sistema Ingls y el sistema internacional.

    1 pulgada (inch) 2.54 cm 1 pie (foot) 12 pulgadas 30.48 cm 1 yarda (yard) 3 pies 91.44 cm 1 braza (fathom) 6 pies 182.88 cm 1 milla (mile) 1760 yardas 1609.34 m 1 milla nutica (nmi) 1.1516 millas 1853.32 m

    Parece claro que debemos usar las mismas unidades de longitud al expresar longitud de onda y frecuencia. Los pies por ciclo y los metros por ciclo suelen abreviarse en pies y metros, porque una longitud de onda indica ya un ciclo. Dado que esta ecuacin es vlida para ondas longitudinales y transversales, se utiliza de forma genrica en el estudio de ondas electromagnticas y sonoras. Nota: En problemas de este tipo, asegrese de no confundir velocidad con frecuencia. Frecuencia es el nmero de ciclos por unidad de tiempo (Hz). Velocidad de onda es la velocidad con la que un tren de ondas pasa por un punto fijo. Considrese el siguiente ejemplo: Dos ciclos de una onda pasan por un punto fijo cada segundo, y la velocidad del tren de ondas es de 4 pies por segundo. Cul es la longitud de onda? (Respuesta: 2 pies, 61 cm). Otro problema similar: Si una onda tiene una velocidad de 1100 metros por segundo y una longitud de onda de 30 metros, determinar la frecuencia de la onda. (Respuesta: 36.67 Hz). Otras caractersticas importantes del movimiento de onda son la reflexin, la refraccin, la difraccin y el efecto Doppler. Para un aprendizaje sencillo, explicaremos las dos primeras caractersticas usando ondas de luz, y las otras dos con ondas sonoras. Debe recordar que todas las ondas se comportan de manera similar. En el interior de un medio (aire, slidos o gases) una onda viaja siempre en lnea recta. Cuando la onda abandona el extremo de un medio y entra en otro medio diferente, la onda cambia su direccin de propagacin. Imagine la frontera entre un medio y otro como una lnea imaginaria que los separe.

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    Figura 1-9. Reflexin de una onda. Cuando una onda pasa a travs de un medio y encuentra otro medio de diferentes caractersticas, pueden ocurrir tres situaciones: (1) Parte de la energa puede reflejarse hacia atrs en el medio de procedencia; (2) parte de la energa puede transmitirse hacia el segundo medio donde puede continuar a velocidad diferente; o (3) parte de la energa puede ser absorbida por el medio. En algunos casos, los tres procesos (reflexin, transmisin y absorcin) pueden ocurrir al mismo tiempo. Reflexin Las ondas de reflexin son simplemente ondas que no se transmiten ni absorben, sino que se reflejan desde la superficie del nuevo medio al que llegan. Si se dirige una onda contra una superficie reflectante, como un espejo, la onda se reflejar o saltar desde el espejo. Vase la figura 1-9. La onda dirigida hacia la superficie del espejo se denomina onda incidente. Cuando la onda sale despedida del espejo se convierte en una onda reflejada. Llamamos normal (o perpendicular) a la lnea imaginaria perpendicular al espejo en el punto en el cual la onda incidente choca contra la superficie del espejo. El ngulo entre la onda incidente y la normal se denomina ngulo de incidencia. Igualmente, el ngulo entre la onda reflejada y la normal se denomina ngulo de reflexin.

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    Si la superficie reflectante es suave y pulida, el ngulo de incidencia de un haz de luz y el ngulo del haz reflejado desde el espejo sern idnticos respecto a la normal. Esto cumple la ley de la reflexin, que establece que el ngulo de incidencia es igual al ngulo de reflexin. La cantidad de energa de la onda incidente reflejada desde una superficie depende de la naturaleza de la superficie y del ngulo con el cual la onda incide sobre la misma. Cuanto mayor es el ngulo de incidencia, mayor es la cantidad de energa reflejada, siendo mxima cuando la onda incidente es casi paralela a la superficie reflectante. Cuando la onda incidente es perpendicular a la superficie, se transmite ms energa a travs de la sustancia (espejo) y se refleja menos energa. A cualquier ngulo de incidencia, un espejo refleja casi toda la energa incidente, mientras que una superficie negra y opaca refleja muy poca energa. PREGUNTAS P.11 Qu es la ley de reflexin? P.12 Qu condiciones permiten una mxima transferencia de energa? P.13 Cundo se transfiere un mnimo de energa?

    Figura 1-10. Refraccin de una onda.

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    Refraccin Cuando una onda pasa de un medio a otro que tiene diferente velocidad de propagacin, ocurre un cambio en la direccin de propagacin de la onda. Este fenmeno recibe el nombre de refraccin. Como ocurre en el fenmeno de reflexin, a la onda inicial se la denomina onda incidente, y a la lnea imaginaria perpendicular al lugar de choque con la superficie del segundo medio se la llama normal. As mismo, el ngulo de incidencia tiene el mismo significado en este caso. Cuando la onda pasa a travs de la superficie o frontera entre medios, se curva hacia o lejos de la normal. El ngulo entre la normal y el trayecto de la onda a travs del segundo medio se llama ngulo de refraccin, y a la onda que circula por el segundo medio, onda refractada. En la figura 1-10 se muestra una onda de luz que pasa a travs de un bloque de cristal. La onda se mueve desde el punto A al B a velocidad constante. Esta es la onda incidente. Cuando la onda cruza la superficie del cristal en el punto B, su velocidad se reduce. Esto causa que la onda cambie su direccin, acercndose a la normal. La onda toma entonces el camino desde B hasta C, siendo al mismo tiempo la onda refractada desde el punto B y la onda incidente hasta la superficie inferior del cristal. En la segunda frontera, cuando la onda pasa del cristal al aire, es de nuevo refractada, en esta ocasin hacia fuera de la normal, y toma el camino desde C hasta D. Su velocidad se incrementa hasta ser idntica a la que tena en el punto A. Como muestra la figura 1-10, las ondas refractadas pueden alejarse y acercarse a la normal. Este hecho depende de la velocidad de la onda en cada medio. La lnea discontinua que une los puntos B y E muestran el camino que hubiera recorrido la onda original en ausencia del medio cristalino (o si los dos medios tuvieran la misma densidad). En resumen: si la onda pasa de un medio a otro ms denso, como vemos en la figura, se curvar hacia la normal, y el ngulo de refraccin (r) ser menor que el de incidencia (i). En el caso contrario, de un medio ms denso a uno menos denso, tendremos que r1 > i1, o lo que es lo mismo, la onda se curvar lejos de la normal. Este resultado se puede concretar en forma matemtica mediante la conocida ley de Snell o ley de la refraccin, que responde a la siguiente relacin:

    ( ) ( )ivrv ri sinsin = donde i es el ngulo de incidencia y r el de refraccin, y vi es la velocidad del frente de onda incidente y vr, el de la onda refractada. Se define el ndice de refraccin (n) de un medio como el cociente entre la velocidad de la luz en el vaco (c) entre la velocidad de la luz en el medio (v).

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    Haciendo uso de esta definicin, la ley de Snell tambin puede expresarse como:

    ( ) ( )rnin ri sinsin = PREGUNTAS P.14 Qu determina el ngulo de refraccin? Difraccin Difraccin es la curvatura de la direccin de propagacin de una onda cuando encuentra un obstculo. La cantidad de difraccin depende de la longitud de onda. Las ondas de alta frecuencia rara vez son difractadas en el mundo que nos rodea. Como las ondas de luz son ondas de alta frecuencia, rara vez veremos luz difractada. Pero es fcil observar difraccin en las ondas sonoras cuando escuchamos msica. Supongamos que nos encontramos en un concierto en directo al aire libre. Si nos colocamos detrs de un obstculo slido, como una pared de ladrillos, escucharemos mayormente notas bajas o graves. Esto ocurre porque las notas altas, que tienen longitudes de onda ms cortas, sufren poca o nula difraccin y pasan sobre o a travs de la pared sin rodearla, y por tanto, sin llegar a nuestros odos. Las notas bajas (de baja frecuencia) tienen longitudes ms grandes, y rodean la pared llegando a nuestros odos. Esto lleva a la regla general de que las bajas frecuencias tienden a sufrir ms difraccin que las altas. La banda de AM (radiodifusin) emite ondas de baja frecuencia en relacin con las ondas de FM y TV. Por ello, las ondas de radio AM suelen transmitirse correctamente por encima de regiones montaosas, a causa de la difraccin, mientras que las ondas de radio de alta frecuencia (FM por ejemplo) tienden a desvanecerse en situaciones similares. Efecto Doppler La ltima, pero igualmente importante, caracterstica de las ondas que veremos es el efecto Doppler. El efecto Doppler es el cambio aparente en frecuencia o tono cuando una fuente de sonido se mueve, ya sea acercndose o alejndose del receptor. Este principio, descubierto por el fsico austriaco Christian Doppler, se aplica a toda la teora del movimiento de ondas. El cambio aparente en la frecuencia entre la fuente de una onda y el receptor tiene causa en el movimiento relativo entre estas dos entidades. Para entenderlo, asumamos primero que la frecuencia de un sonido desde una fuente se mantiene constante. La longitud de onda tambin permanecer

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    constante. Si tanto la fuente como el receptor estn en estado estacionario, el receptor oir lo mismo (el mismo sonido y la misma frecuencia) que emite la fuente. Esto ocurre porque el receptor recibe el mismo nmero de ondas por segundo que las que produce la fuente. Ahora, si la fuente o el receptor se mueven uno hacia el otro, el receptor percibir un sonido de una frecuencia ms alta, debido a que el receptor recibe los frentes de onda con mayor velocidad, ya que va en contra de (o hacia) ellas e interpreta el sonido a esa frecuencia superior. Por el contrario, si la fuente y el receptor se alejan, el receptor recibir un tono de menor frecuencia aparente, ya que recibir menos ondas de sonido por segundo. En ambos casos, la frecuencia del sonido producido por la fuente ser el mismo. Un ejemplo claro es el de la frecuencia del silbato de un tren a gran velocidad, cuyo sonido agudo se incrementa a medida que se acerca al receptor. Aunque el silbato genera ondas sonoras de frecuencia constante, y aunque esas ondas viajan a la misma velocidad en todas direcciones, la distancia entre el tren y el oyente se reduce. Como resultado, cada onda tiene menos distancia que recorrer hasta llegar al observador que la precedente (emitida un ciclo antes). Por tanto, las ondas llegan con intervalos de tiempo decrecientes entre ellas, haciendo que la frecuencia (el tono) del sonido se haga ms agudo. Estos cambios de frecuencia aparente afectan la operacin de equipos de deteccin y medida de energa de onda. En relacin con la propagacin de la onda electromagntica, el principio de Doppler se utiliza en equipos como radares de trfico, deteccin de objetivos mviles, navegacin y sonar. Es muy sencillo obtener la siguiente relacin para cuantificar el efecto Doppler:

    EE

    RR fvv

    vvf

    --

    =

    donde v es la velocidad de propagacin, vE, la de la onda emitida y vR, la de la onda recibida, y fE y fR son las frecuencias de la onda emitida y recibida, respectivamente. Todas las velocidades (mdulo) se consideran en la misma direccin y sentido. Por ejemplo, sea un silbato que emite un sonido de frecuencia 500 Hz y que viaja a una velocidad de 90 Km/h. Un observador se mueve en la misma direccin y sentido contrario, a 144 Km/h, cul es la frecuencia aparente? Considerar v = 340 m/s. (Respuesta: 603 Hz). PREGUNTAS P.15 El cambio aparente en frecuencia o tono a causa del movimiento se explica por un efecto de la teora de ondas. Cul?

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    ONDAS SONORAS El estudio del sonido es importante porque juega un rol importante en diversos equipos electrnicos prcticos de importantes aplicaciones, como la tele medida de gran profundidad (fathometer, o ecosonda, cuya unidad de medida es la braza (fathom)) y la deteccin subacutica (sonar). Como sabemos, el sonido viaja a travs de un medio mediante el movimiento de onda. Aunque las ondas sonoras y las electromagnticas utilizadas en propagacin de radio y radar difieren, ambos tipos de ondas tienen muchas caractersticas comunes. Estudiando los principios del movimiento de la onda sonora, podemos entender mejor el comportamiento de estas ondas y otras ms complejas como son las ondas de radio y radar (electromagnticas). Las diferencias principales entre las ondas sonoras y las calorficas y lumnicas son (1) sus frecuencias y (2) sus tipos, los medios por los que se propagan y las velocidades de propagacin. Qu es el Sonido? La palabra sonido se usa comnmente para representar una gran variedad de significados. Una definicin de sonido es la sensacin de or. Otra definicin se refiere al estmulo que es capaz de reproducir esa sensacin de or. Una tercera definicin limita el sonido a aquello que efectivamente somos capaces de escuchar. En Fsica, el sonido se define como el rango de frecuencias de ondas de compresin a las que el odo humano es sensible. Para el propsito de este captulo, sin embargo, necesitamos relajar esa definicin para abarcar ondas de compresin que no siempre son audibles. Para distinguir las frecuencias en el rango audible de aquellas fuera de rango se usan los trminos snico, ultrasnico e infrasnico. Los sonidos audibles (o dentro del rango perceptible por el odo humano) se denominan snicos. El rango snico comn comprende desde los 20 a los 20,000 hertzios. Sin embargo, para establecer un rango estndar, normalmente se limita este rango desde los 15 a los 10,000 Hz. Aunque cualquier persona puede escuchar sonidos por encima de 10 KHz, es prctica habitual referirse a esos sonidos como ultrasnicos. Por otra parte, los sonidos por debajo de 15 hertzios se denominan infrasnicos (antiguamente subsnicos). PREGUNTAS P.16 Qu trmino describe a los sonidos capaces de ser percibidos por el odo humano? P.17 Son todos los sonidos audibles por el hombre? Por qu?

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    Figura 1-11. Sin aire no hay sonido. Requisitos para el Sonido Recordemos que las ondas sonoras son ondas de compresin. La existencia de este tipo de ondas depende de la transferencia de energa. Para producir vibraciones que se transformen en sonido es necesario un dispositivo mecnico (la fuente) que reciba primero una entrada de energa. Adems, el dispositivo debe estar en contacto con un medio que recibir la energa sonora y la llevar hasta el receptor. Si el dispositivo no est en contacto con un medio, no ser posible transferir la energa y no habr sonido. Por tanto, tres son los elementos bsicos necesarios para la transmisin y recepcin de sonido, y que deben estar presentes antes de que pueda producirse sonido. Estos son (1) la fuente (o transmisor), (2) un medio para transportarlo (aire, agua, metal, etc.), y (3) e l detector (o receptor). Un experimento sencillo prueba convincentemente que debe haber un medio para transmitir sonido. En la figura 1-11, se suspende una campana elctrica mediante bandas elsticas dentro de un recipiente en el que se puede hacer el vaco. Se conecta un interruptor externo desde una fuente de alimentacin hasta la campana, de manera que pueda sonar intermitentemente. A medida que el aire se expulsa de la campana, el sonido que proviene de la campana se va haciendo menos audible (menos intenso). Si se pudiera lograr un perfecto vaco dentro del recipiente, y no se condujera sonido alguno desde el recipiente

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    a travs de las bandas de goma, el sonido de la campana sera totalmente inaudible. En otras palabras, el sonido no puede transmitirse a travs del vaco. Cuando se permite la entrada de aire de nuevo en el recipiente, el sonido se har ms y ms fuerte hasta llegar a las condiciones iniciales. Este experimento muestra que cuando el aire est en contacto con la campana, lleva la energa desde ella hasta las paredes del recipiente, las cuales comienzan tambin a vibrar. Despus, la energa pasa al aire fuera del recipiente hasta llegar al odo (receptor). El resultado del experimento es que no puede existir sonido alguno en el espacio o en un lugar sin aire o medio. Cualquier objeto que se mueva rpidamente hacia delante y hacia atrs, o que vibre, y por tanto perturbe el medio alrededor de l se puede considerar fuente de sonido. Campanas, altavoces e instrumentos de cuerda son fuentes tpicas. El material a travs del cual se propagan las ondas sonoras se llama medio. La densidad del medio determina la facilidad, la distancia y la velocidad de transmisin del sonido. Cuanta mayor densidad tenga el medio, ms lentamente se propagar el sonido a su travs. El detector acta como receptor de la onda sonora. Ya que no rodea a la fuente, el detector solamente absorber parte de la energa de la onda y algunas veces requerir una posterior amplificacin para adecuar una seal dbil. Como ilustracin de lo que ocurre si uno de los tres elementos no est presente, volvamos al ejemplo de la campana en el recipiente sin aire. Observamos que la campana vibra, pero no podemos orla porque no existe ningn medio entre ella y las paredes del recipiente. Ahora veamos qu ocurre cuando el detector no existe. Observamos una fuente (por ejemplo una explosin) que aparentemente produce un sonido, y sabemos que hay un medio presente (el aire), pero nos encontramos demasiado lejos como para or el sonido. Por tanto, a efectos prcticos, no existe detector y por tanto, tampoco hay sonido. Debemos asumir entonces que el sonido podr existir solamente cuando una fuente transmita sonido a travs de un medio que lo transmita a un receptor. En ausencia de cualquiera de ellos, no habr sonido. PREGUNTAS P.18 Las ondas sonoras transmitidas desde una fuente son muchas veces muy dbiles cuando llegan al receptor. Qu aparato se utiliza para elevar la potencia de esa seal?

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    Trminos utilizados en Ondas Sonoras Las ondas sonoras varan en longitud de acuerdo con la frecuencia. Un sonido de longitud de onda larga se escucha como un tono grave (baja frecuencia), as como uno de una longitud de onda corta se percibe como un tono agudo (alta frecuencia). Una longitud de onda completa se denomina ciclo. La distancia entre un punto de una onda y el punto correspondiente de la siguiente onda se llama longitud de onda. El nmero de ciclos por segundo (hertzios, Hz) es la frecuencia del sonido. La frecuencia de una onda sonora es tambin el nmero de vibraciones por segundo producidas por la fuente de sonido. PREGUNTAS P.19 Cules son los elementos necesarios para que exista sonido? CARACTERSTICAS DEL SONIDO Las ondas sonoras viajan grandes distancias en muy poco tiempo, pero a medida que la distancia aumenta, las ondas tienden a esparcirse. Al esparcirse, tambin su energa se dispersa simultneamente a travs de un rea cada vez mayor. Por tanto, la energa de onda se hace ms dbil con la distancia a la fuente. Los sonidos pueden clasificarse en dos grupos generales. Un grupo es el ruido, que incluye sonidos tales como el portazo de una puerta o el golpe de un martillo. El otro grupo es el de los sonidos musicales, o tonos. La distincin entre ruido y tono se basa en la regularidad de las vibraciones y la capacidad del odo humano de reconocer componentes que tengan una secuencia musical. Podemos aclarar esta clasificacin observando la forma de onda de una nota musical y la forma de onda de un ruido (partes A y B de la figura 1-12). Es fcil de visualizar que el ruido forma una curva muy irregular y fortuita, mientras que la nota musical conforma una curva regular y uniforme. El sonido tiene tres caractersticas bsicas: tono, intensidad y calidad. Cada una de estas caractersticas est asociada con una de las propiedades de la fuente o con el tipo de ondas que produce. El tono depende de la frecuencia de las ondas, la intensidad depende de la amplitud, y la calidad depende de la forma de las ondas. Con una combinacin adecuada de estas tres caractersticas, puede hacerse que el sonido (su tono) sea agradable de escuchar. Con una combinacin equivocada, el sonido (su calidad) puede convertirse en ruido.

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    Figura 1-12. Comparativa entre sonidos musicales y ruidosos. El Tono del Sonido La palabra tono se usa para describir la frecuencia de un sonido. Un objeto que vibra muchas veces por segundo produce un sonido agudo, como un silbato de un rbitro. Las vibraciones lentas de las cuerdas ms graves de un violn causan un sonido de bajo tono. Por tanto, la frecuencia predominante de la onda determina el tono. Cuando dicha frecuencia es baja, las ondas sonoras son largas; cuando es alta, las ondas son cortas. Un sonido puede tener una frecuencia tan alta que las ondas recibidas sean inaudibles. De la misma manera, algunas frecuencias son tan bajas que el martillo del odo no es capaz de transformarlos en sonido. El rango de frecuencias que el odo humano puede detectar vara con cada individuo. La Intensidad del Sonido La intensidad del sonido, a una distancia dada, depende de la amplitud de las ondas. Por tanto, un diapasn proporciona ms energa en forma de sonido cuando se le golpea fuertemente que cuando se lo roza.

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    Figura 1-13. Las ondas sonoras se esparcen en todas direcciones. Debemos recordar que cuando se golpea un diapasn, el sonido es omnidireccional (se escucha en todas direcciones), porque las ondas sonoras se esparcen en todas direcciones, como ilustra la figura 1-13. Puede observarse que, a medida que la distancia (R) entre las ondas y la fuente aumenta, la energa se esparce por un rea cada vez mayor, y por tanto, la intensidad (energa por unidad de rea) del sonido disminuye. [El rea a contabilizar es la de una esfera de radio R, que equivale a 4*pi*R2]. Un tubo de metal o plstico evita la dispersin de la energa en todas direcciones, concentrndola o enfocndola en una nica direccin (unidireccional) y produciendo una mayor intensidad. Por tanto, el sonido puede percibirse casi a su intensidad original en el extremo opuesto del tubo. El megfono unidireccional y el altavoz direccional tambin estn diseados para no esparcir el sonido en todas direcciones. La intensidad del sonido y el volumen se interpretan frecuentemente de forma errnea al considerarlos sinnimos. Aunque estn relacionados, no denotan el mismo significado. La intensidad sonora es una medida de la energa sonora de una onda. Por el contrario, el volumen es la sensacin de intensidad (y a veces frecuencia) que la onda sonora produce en el odo. Un aumento de intensidad produce un aumento del volumen pero no en proporcin directa. Por ejemplo, aumentar el volumen de un sonido al doble requiere alrededor diez veces ms intensidad del mismo. La magnitud utilizada para medir caracterizar la intensidad sonora es I y sus unidades son las de energa por unidad de rea (W/m2). Sin embargo, se suele

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    establecer una relacin logartmica con respecto a la intensidad umbral de audicin humana, es decir, la intensidad sonora mnima que el odo puede percibir, y que se corresponde con I0 = 10-12 W/m2. El denominado Nivel de Intensidad sonora (NI) se define como

    =

    0

    log10II

    NI

    y se cuantifica en decibelios (dB = 10 belios (B)) en honor a A. G. Bell. Los niveles de intensidad sonora se escalan, por tanto, entre la intensidad umbral de audicin y el llamado umbral de dolor, mxima intensidad sonora que el odo puede percibir sin daarse, y que se estima en 1 W/m2. Su NI es, por tanto, de 120 dB. El nivel de intensidad sonora de una conversacin normal se estima en 60 dB. A partir de la definicin, se puede comprobar fcilmente que al duplicar la intensidad, el nivel aumenta en 3 dB, y que al duplicar la distancia a la fuente, el nivel desciende 6 dB. Calidad del Sonido La mayora de los sonidos, incluyendo las notas musicales, no son tonos puros, sino ms bien una mezcla de distintas frecuencias (o tonos). Un diapasn, cuando se golpea, produce un tono puro de una frecuencia especfica. Este tono puro se produce por vibraciones regulares de la fuente (los extremos del diapasn). Sin embargo, al rascar las uas en una pizarra slo se genera ruido, porque las vibraciones son irregulares. Cada tubo de un rgano produce tambin una frecuencia especfica.

    Figura 1-14. Combinacin de tonos.

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    Pero si actuamos sobre dos o ms tubos al mismo tiempo, producimos una forma de onda compleja. Un tono muy parecido a cualquier vocal puede producirse utilizando los tubos adecuados al mismo tiempo. La figura 1-14 ilustra la combinacin de dos tonos puros que se combinan en una onda compleja. La calidad de un sonido depende de la complejidad de la onda sonora, como en el ejemplo C de la figura 1-14. Casi todos los sonidos (incluyendo los vocales y musicales) poseen formas de ondas complejas. El tono A es una onda sencilla de una frecuencia especfica que puede producirse mediante un diapasn, un piano o cualquier otro instrumento musical. El tono B es tambin un tono puro pero de distinta frecuencia. Cuando se hacen sonar a la vez, se produce (por adicin) el tono C. Puede verse que el tono C tiene la misma frecuencia que el A pero con mayor amplitud. El odo humano puede distinguir fcilmente entre el tono A y el C a causa de la calidad. Por tanto, podemos decir que la calidad distingue sonidos de similar tono y volumen cuando se generan en distintos tipos de instrumentos musicales. Tambin distingue las voces de personas diferentes. PREGUNTAS P.20 Cules son los dos grupos generales de los sonidos? P.21 Cules son las tres caractersticas bsicas de un sonido? P.22 Cul es el rango audible del odo humano? P.23 Qu es la intensidad de un sonido? P.24 Qu caracterstica del sonido permite a una persona diferenciar un instrumento de otro al tocar a la vez la misma nota musical? ELASTICIDAD, DENSIDAD Y VELOCIDAD DE TRANSMISIN Las ondas sonoras se transmiten a travs de un medio cualquiera a una velocidad que est controlada por ese medio. Una variacin en la frecuencia e intensidad de la onda sonora no afectar a su velocidad de propagacin. La elasticidad y densidad de un medio son las dos propiedades fsicas bsicas que gobiernan la velocidad del sonido a travs de un medio. Elasticidad es la capacidad de un cuerpo torcido de recuperar su forma tras una deformacin, como una vibracin o compresin. La medida de la elasticidad de un cuerpo es la fuerza que ejerce para retornar a su forma inicial. La densidad de un medio o sustancia es la masa por unidad de volumen del medio o sustancia. Elevar la temperatura del medio (que hace decrecer su densidad) tiene el efecto de aumentar la velocidad del sonido a travs del mismo.

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    La velocidad v del sonido en un medio elstico se expresa por la frmula:

    dEv =

    donde E es el mdulo de elasticidad del medio o mdulo de Young (N/m2) y d es la densidad del medio (Kg/m3). Aunque slidos como el acero y el cristal son mucho ms densos que el aire, sus elasticidades son tan grandes que el sonido se propaga a su travs 15 veces ms rpido que en el aire. Utilizando la elasticidad como una indicacin aproximada de la velocidad del sonido en un medio dado, podemos decir como regla general que el sonido viaja ms rpido en materiales duros (como el acero), ms lento en lquidos, y ms lento an en gases. Por ejemplo, el sonido se propaga a unos 17700 Km/h en el acero, frente a los 5311 Km/h en el agua o los 1235 Km/h (343 m/s) del aire a 20C de temperatura. Por otro lado, cabe destacar la influencia de la temperatura en la velocidad a la que el sonido puede propagarse: cuanto ms alta sea esta temperatura, con mayor rapidez vibran las molculas del medio con lo que podemos transmitir la perturbacin ms rpidamente. En el aire por ejemplo, a 20 C la velocidad es de 1235 Km/h pero a 0C es de 1192 Km/h (331 m/s). Tambin influir en la velocidad de propagacin de la onda sonora la masa de las molculas del medio ya que las molculas con menos masa se mueven ms rpidamente a igual fuerza aplicada, lo cual lleva a que recuperarn tambin ms rpidamente su posicin de equilibrio. As, el sonido se propagar con mayor velocidad en gases ms ligeros que el aire, a igual condiciones de temperatura: en hidrgeno a 0C el sonido se propaga a 4667 Km/h frente a los 1192 Km/h en el aire a 0C. En la tabla 1-1 se ofrecen las velocidades tpicas de propagacin del sonido a travs de diversos medios. PREGUNTAS P.25 Cmo afectan la densidad y la temperatura la velocidad del sonido? ACSTICA La ciencia del sonido se denomina acstica. Este tema podra llenar varios volmenes de libros tcnicos, pero slo entraremos superficialmente en este captulo. Presentaremos solamente aquellos puntos de inters necesarios para comprender mejor las ondas sonoras. La acstica, como el sonido, se refiere a la sensacin de or. Tambin trata sobre la produccin, control, transmisin, recepcin y efectos del sonido. Por ahora, slo nos interesar este ltimo apartado: los efectos del sonido.

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    MEDIO VELOCIDAD (m/s)

    GOMA 46

    AIRE (0C) 331

    AIRE (20C) 343

    CORCHO 500

    HIDRGENO (0C) 1296

    AGUA DULCE (20C) 1475

    PLOMO 2640

    ESTAO 2730

    HIELO 3280

    LATN 3490

    COBRE 3710

    CINC 3810

    ACERO 4916

    ACERO AL CARBONO 5050

    ALUMINIO 5080

    HIERRO 5170

    VIDRIO DE CUARZO 5370

    Tabla 1-1. Velocidad del sonido en varios medios.

    Eco Un eco es la reflexin de una onda sonora original producida al rebotar desde una superficie distante. Igual que cuando una pelota de goma rebota cuando se la lanza contra una superficie dura, las ondas sonoras tambin rebotan en la mayora de superficies. Por la ley de la conservacin de la energa, una bola de goma nunca rebota con la misma energa que la que llevaba antes de rebotar. Si no fuera as, la pelota rebotara indefinidamente. De forma similar, una onda sonora reflejada no es tan fuerte (o intensa) como la onda original. En ambos casos, parte de la energa se absorbe por la superficie reflectante, y parte se refleja. Adems, slo una parte de la onda reflejada llega al observador. Por ello, un eco nunca es tan fuerte como el sonido original. Las reflexiones sonoras o ecos tienen diversas aplicaciones en diferentes materias. Por ejemplo, en aplicaciones navales, una de las ms importantes es la tele medida de profundidad en agua (ecosondas) y el sonar. La ecosonda enva pulsos de onda sonora desde el fondo de un barco y recibe ecos del fondo ocenico para indicar la profundidad o calado del ocano bajo el barco. El sonar transmite un pulso de energa sonora y recibe el eco para indicar el rango y comportamiento de objetos u objetivos en las profundidades ocenicas.

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    Figura 1-15. Refraccin del sonido. Refraccin Cuando ondas sonoras que viajan a distintas velocidades pasan oblicuamente (con un ngulo) de un medio a otro, las ondas se refractan, esto es, su direccin de propagacin se curva. La refraccin ocurre gradualmente cuando una parte del sonido viaja ms rpido que otras partes. Por ejemplo, el viento unos metros por encima de la superficie terrestre tiene mayor velocidad que el viento a ras de superficie, porque la friccin retarda las capas inferiores (vase la figura 1-15). La velocidad del viento se aade a la velocidad del sonido a travs del aire. El resultado es que la parte superior de la onda sonora se mueve ms rpido que la parte inferior y causa un cambio gradual en la direccin de propagacin de la onda. La refraccin causa que el sonido se propague ms lejos con viento a favor que con viento en contra. Reverberacin En habitaciones vacas y otros espacios cerrados, el sonido puede reflejarse muchas veces a causa del efecto conocido como reverberacin. La reverberacin es la reflexin mltiple de las ondas sonoras. El efecto de las reverberaciones es prolongar el tiempo durante el cual se escucha un sonido. En la naturaleza, por ejemplo, la descarga elctrica de un rayo causa un sonido agudo y rpido. Cuando ese sonido ha llegado al odo de un observador distante, normalmente ese sonido se ha convertido en un rugido prolongado por las reverberaciones, al que llamamos trueno. Este caso tambin se produce debajo del agua con equipos de sonar. Las reverberaciones de puntos cercanos pueden prolongarse durante tiempo suficiente para interferir con los ecos de retorno de objetivos distantes. Interferencia Cualquier perturbacin, ya sea natural o producida por el hombre, que cause una respuesta no deseada o degradacin de una onda se denomina interferencia.

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    Dos ondas sonoras que se mueven simultneamente a travs del mismo medio avanzarn independientemente, cada una produciendo una perturbacin como si la otra no estuviera presente. Si las dos ondas tienen la misma frecuencia y estn en fase y se mueven en la misma direccin, se consideran aditivas y se dice que forman interferencia constructiva. Si las dos ondas tienen la misma frecuencia y direccin, pero estn desfasadas entre s, se consideran no aditivas y se dice que forman interferencia destructiva. Si estas ondas no aditivas tienen igual amplitud, se cancelarn mutuamente. Esta suma o resta de ondas se llama comnmente interferencia. Resonancia Probablemente habr observado alguna vez a alguien introduciendo la cabeza en un barril hueco u otra cavidad y producir ruidos con tono variante. Cuando la voz de esa persona llega a un cierto tono, ese tono parece mucho ms alto que los otros. La razn de este fenmeno es que a una cierta frecuencia (tono) las vibraciones de la voz igualan la frecuencia resonante (o natural) de la cavidad. La frecuencia resonante de una cavidad es la frecuencia a la cual el cuerpo de la cavidad comienza a vibrar y, por tanto, generar ondas sonoras. Cuando se alcanza esa frecuencia de resonancia, el sonido de la voz del ejemplo se refuerza por las ondas sonoras creadas por la cavidad, resultando un tono ms fuerte. Este fenmeno ocurre siempre y cuando la frecuencia de las vibraciones sea la misma que la frecuencia natural de una cavidad, y se llama resonancia. Ruido La onda sonora ms compleja que puede producirse es el ruido. El ruido no tiene calidad tonal: distrae y distorsiona la calidad sonora que se tena intencin de escuchar. El ruido consiste generalmente en una perturbacin no deseada causada por ondas espurias originadas por el hombre o fuentes naturales, como el sonido de una turbina al romper la barrera del sonido o un trueno. PREGUNTAS P.26 Cul es el trmino utilizado para describir la ciencia del sonido? P.27 Cmo se llama a una onda sonora reflejada hacia la fuente? P.28 Cmo se llama a las reflexiones mltiples de ondas sonoras? P.29 Una oquedad que vibra a su frecuencia natural produce un sonido ms alto que a otras frecuencias. Cmo se denomina este fenmeno? P.30 Qu perturbacin distorsiona la calidad de un sonido?

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    ONDAS LUMNICAS A menudo se utilizan en electrnica equipos que operan en frecuencias que abarcan todo el espectro electromagntico, desde ondas de radio de baja frecuencia hasta rayos X y csmicos. La luz visible es una pequea parte, pero muy importante, de este espectro. La mayor parte de los trminos que se usan para describir el comportamiento de ondas, como reflexin, refraccin, difraccin, etc. ya han sido descritos en este captulo. Ahora veremos cmo se usan esos trminos en relacin con la luz y las ondas lumnicas. Las relaciones entre la luz y las ondas lumnicas (rayos) son las mismas que las existentes entre el sonido y las ondas sonoras. La luz es una forma de energa que puede producirse mediante varios mtodos (mecnicos, elctricos, qumicos, etc.). Podemos ver objetos porque los rayos de luz que despiden o reflejan alcanzan nuestros ojos. Si el objeto es la fuente de energa lumnica, se denomina luminoso. Si no es una fuente, sino que refleja la luz, se denomina cuerpo iluminado. Propagacin de la Luz La naturaleza exacta de la luz no se comprende an en su totalidad, aunque los cientficos han estudiado el tema durante varios siglos. Algunos experimentos parecen mostrar que la luz se compone de pequeas partculas, y otros sugieren que la luz est formada por ondas. Durante siglos, una teora ha suplantado o mejorado a otra anterior. Hoy en da, algunos fenmenos cientficos se pueden explicar solamente por la teora de ondas, y otros solamente por la teora de partculas. Los fsicos buscan constantemente un nuevo descubrimiento que pueda unir estas dos teoras, y gradualmente se ha llegado a aceptar una teora que combine o englobe a las otras dos. De acuerdo a uno de los puntos de vista, la luz es una forma de radiacin electromagntica; es decir, la luz y formas similares de radiacin estn compuestas de campos magnticos y elctricos en movimiento. Estos dos tipos de campo se tratarn ms adelante en este captulo. Teora Electromagntica de la Luz James Clark Maxwell, un brillante cientfico escocs de mediados del siglo XIX, demostr, construyendo un circuito elctrico oscilante, que las ondas electromagnticas podan propagarse a travs del vaco. Posteriormente se demostr que la luz era tambin una onda electromagntica. La teora actual de la luz dice que esta est compuesta de pequeos paquetes de energa electromagntica llamados fotones (la unidad ms pequea de

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    energa radiante). Estos fotones se mueven a velocidad constante en el medio por el que se desplazan. Los fotones se mueven ms rpido a travs del vaco que en la atmsfera, y ms lentamente en el agua que en el aire. La energa electromagntica de la luz es una forma de radiacin electromagntica. La luz y formas similares de radiacin estn compuestas de fuerzas elctricas y magnticas y se desplazan como ondas. Las ondas electromagnticas se mueven de manera similar a como lo hacen las ondas del agua al lanzar una piedra en un estanque. Las ondas transversales de luz que parten de una fuente luminosa se esparcen en forma radial, como las ondas del agua. Sin embargo, las ondas del agua son muy lentas en comparacin con la luz, que viaja aproximadamente a 300.000 Km por segundo. La luz radia desde su fuente en todas direcciones hasta que es absorbida o desviada por alguna sustancia (vase la figura 1-16). Las lneas dibujadas desde la fuente de luz (una bombilla en este caso) hasta cualquier punto sobre una de estas ondas indican la direccin de propagacin de las ondas. Estas lneas o radios de las esferas delimitadas por los frentes de onda, se forman por las ondas y se llaman rayos de luz. Aunque los rayos de luz no existen, son muy utilizados como medio para mostrar la direccin en la que la luz viaja en cualquier punto. Un volumen grande de luz se denomina haz y una porcin muy pequea de un haz es un rayo. Se representa un rayo de luz mediante una lnea, y la lnea dibujada desde la fuente de luz representa un nmero infinito de rayos que radian en todas direcciones desde la fuente.

    Figura 1-16. Ondas y lneas de propagacin desde una fuente de luz cercana.

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    PREGUNTAS P.31 Qu tres medios existen para producir luz? P.32 Cmo se llama a la unidad mnima de energa radiante? Frecuencias y Longitudes de Onda Comparadas con las ondas sonoras, la frecuencia de las ondas de luz es mucho ms alta y su longitud de onda mucho menor. Para medir estas longitudes se utiliza una unidad de medida ms apropiada llamada ngstrom (). Otra unidad tpica es la milimicra (mm). Un ngstrom equivale a 10-10 m. PREGUNTAS P.33 Qu unidad se usa para medir la longitud de onda de la luz? Frecuencias y Color La longitud de onda de una luz determina el color de la misma. La figura 1-17 indica que la luz de 700 milimicras es roja, y que la luz de 500 milimicras es azul verdoso. Esta ilustracin muestra aproximadamente las longitudes de onda de los distintos colores del espectro visible. En realidad, el color de la luz depende de su frecuencia, no de su longitud de onda. Sin embargo, la luz se mide en longitudes de onda.

    Figura 1-17. Uso de un prisma para dividir la luz blanca en la gama de colores visibles.

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    Cuando la longitud de onda de 700 milimicras se mide en un medio como el aire, produce el color rojo, pero la misma onda medida en otro medio tendr otra longitud de onda. Cuando la luz roja pasa de aire al interior de un cristal, pierde velocidad. Su longitud de onda se hace ms corta o comprimida, pero contina siendo roja. Esto ilustra que el color de la luz depende de la frecuencia y no de la longitud de onda. La escala de color de la figura 1-17 se basa en las longitudes de onda en el aire. Cuando un haz de luz blanca (por ejemplo la luz solar) se pasa a travs de un prisma, este se refracta y dispersa (este fenmeno se denomina dispersin) en componentes de longitud de onda. Cada longitud de onda causa una reaccin distinta en el ojo, que ve los distintos colores que forman o componen el espectro visible. El espectro visible se graba en la retina como una mezcla de rojo, naranja, amarillo, verde, azul, ail y violeta. La luz blanca se forma cuando se agregan los colores primarios (rojo, verde y azul) en haces de luz solapados. (Nota: estos no son los colores primarios utilizados en pintura). Adems, los colores complementarios o secundarios (violeta, amarillo y cian) pueden conseguirse con igual facilidad mezclando dos de los colores primarios en haces de luz solapados. Por tanto, mezclando rojo y verde con idnticas intensidades generamos luz amarilla; con verde y azul tenemos cian (azul verdoso) y con rojo y azul correctamente mezclados obtenemos luz violeta (o rojo prpura). Luz y Color Todos los objetos absorben parte de la luz que cae sobre ellos, iluminndolos. Un objeto parece ser de un cierto color a causa de que absorbe todas las ondas luminosas excepto aquellas cuya frecuencia se corresponde a su color. Esas ondas se reflejan desde su superficie, generando en nuestra retina el color que poseen. Por tanto, el color de un objeto depende de la frecuencia de la onda electromagntica reflejada. Cuerpos Luminosos Ciertos cuerpos, como el sol, una llama de gas y un filamento de luz elctrica, son visibles porque son fuentes de luz. Se denominan cuerpos autoluminosos. El resto de objetos se hacen visibles slo cuando estn en presencia de luz de cuerpos luminosos. La mayora de los cuerpos no luminosos son visibles porque difunden o reflejan la luz que cae sobre ellos. Un buen ejemplo de cuerpo no luminoso que difunde la luz es la luna, que slo brilla al difundirse la luz que le llega del sol. Los objetos negros no difunden ni reflejan luz. Son visibles solamente cuando su perfil se contrapone a un fondo o cuerpo luminoso o a un cuerpo iluminado que difunde o refleja la luz.

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    Figura 1-18. Ondas luminosas reflejadas, absorbidas y transmitidas. Propiedades de la Luz Cuando las ondas lumnicas, que viajan en lnea recta, hallan una sustancia en su camino, se transmiten, refractan, reflejan o absorben por esa sustancia (vase la figura 1-18). Cuando la luz golpea una sustancia, siempre tiene lugar un fenmeno de absorcin y otro de reflexin). Ninguna sustancia transmite totalmente, o refleja o absorbe todos los rayos de luz que llegan a su superficie. Las sustancias que transmiten casi todas las ondas de luz que caen sobre ellas se denominan transparentes. Una sustancia transparente es aquella a travs de la cual podemos ver con claridad. El cristal es transparente porque transmite los rayos de luz sin difundirlos (ver parte A de la figura 1-19). No se conoce ninguna sustancia perfectamente transparente, pero muchas sustancias son muy transparentes. A las sustancias a travs de las cuales pueden pasar algunos rayos pero difunden el resto (esto es, no permiten ver objetos a su travs de forma ntida) se llaman traslcidos (parte B de la figura 1-19). El cristal esmerilado de una bombilla y el papel de cebolla son buenos ejemplos de materiales traslcidos. Por ltimo, aquellas sustancias que no transmiten ningn rayo de luz se denominan opacas (parte C de la figura 1-19). Las sustancias opacas pueden reflejar todos los rayos o absorberlos, pero no transmitirlos a su travs.

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    PREGUNTAS P.34 Cules son los tres colores primarios de la luz? P.35 Cules son los tres colores secundarios de la luz? P.36 Si iluminamos con luz blanca un objeto mate, spero marrn oscuro, qu ocurre mayormente con la luz blanca, se refleja, difunde o absorbe? P.37 Qu color emite un objeto negro mate cuando se ilumina con luz blanca? P.38 Cmo se llama a la sustancia que transmite luz pero no deja ver claramente objetos a su travs?

    Figura 1-19. Sustancias transparentes, traslcidas y opacas. VELOCIDAD DE LA LUZ Aunque todos hemos odo alguna vez las expresiones como un rayo o tan rpido como la luz, es difcil hacerse una idea de cun rpido viaja realmente la luz. No ha sido hasta hace pocos aos que los cientficos han conseguido medir con precisin la velocidad de la luz. Antes de mediados del siglo XVII, los cientficos pensaban que la luz no requera tiempo para pasar de la fuente al observador. En 1675, Ole Roemer, un astrnomo dans, descubri que la luz viajaba aproximadamente a 300.000 kilmetros por segundo en el espacio libre. A esta velocidad, un haz de luz puede dar 7 vueltas y media al globo terrqueo en un segundo. La velocidad de la luz en el vaco es exactamente 299.792.458 m/s. Esta cantidad es la utilizada actualmente (desde 1983) por el Sistema Internacional (S.I.) de medida para la definicin exacta del metro: El metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vaco durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 segundos. Esta medida suele aproximarse por 300.000 Km/s (o 186.000 mi/s). Sin embargo, la velocidad real de la luz depende del medio por el que se propague. As, la luz se mueve ms lentamente en el agua (225.300 Km/s), y mucho ms lentamente, por ejemplo, en el vidrio (199.560 Km/s).

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    En otras palabras, la velocidad de la luz decrece a medida que aumenta la densidad del medio por el que transcurre. En el aire, sin embargo, se considera la velocidad de la luz igual a la del vaco. Esta es, adems, la velocidad de cualquier onda electromagntica de otra frecuencia distinta a la de la luz. La cantidad por la que disminuye la velocidad de la luz de un medio a otro se denomina ndice de refraccin del medio. Reflexin de la Luz Las ondas luminosas obedecen la ley de reflexin, al igual que otros tipos de ondas. Considrese el camino recto de un rayo de luz que pasa por una ranura estrecha en una habitacin oscura. El camino recto del haz se hace visible al iluminar partculas de polvo suspendidas en el aire. Si el haz de luz se hace llegar a la superficie de un espejo u otra superficie reflectante, sin embargo, la direccin del haz cambia bruscamente. La luz puede reflejarse en casi cualquier direccin, dependiendo del ngulo con el que se dirija al espejo. Como ya vimos en la figura 1-9, si un haz de luz choca contra un espejo, el ngulo de reflexin depende del ngulo de incidencia del haz. El haz que llega al espejo se llama incidente y el que sale de su superficie, haz reflejado. La expresin luz reflejada simplemente se refiere a las ondas de luz que no se transmiten ni se absorben, sino que rebotan en la superficie del medio que encuentran. Veremos que esta propiedad puede aplicarse tambin a las ondas de radio (captulo 2) y antenas (captulo 4). PREGUNTAS P.39 Cul es la velocidad de la luz en el vaco? Refraccin de la Luz El cambio de direccin que se produce cuando un rayo de luz pasa de una sustancia transparente a otra de distinta densidad se llama refraccin. La refraccin se debe al hecho de que la luz viaja a distinta velocidad en sustancias transparentes diferentes. Por ejemplo, una piscina nunca parece tan profunda como realmente es y los objetos bajo el agua parecen ms cercanos a la superficie de lo que realmente estn. Estas impresiones se deben a que la luz se curva al entrar (o salir) en el agua. Otro ejemplo conocido de refraccin es la curvatura aparente de una cuchara al sumergirla en un vaso de agua. La cuchara parece doblarse en la superficie del agua, o ms exactamente en el punto donde hay un cambio de densidad.

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    Figura 1-20. Difusin de la Luz. Obviamente, la cuchara no se dobla por la presin del agua. La luz que forma la imagen de la cuchara se curva cuando pasa del agua al aire (medio menos denso que el agua). Sin la refraccin, las ondas de luz pasaran en lnea recta a travs de sustancias transparentes sin ningn cambio de direccin. Volvamos a la figura 1-10, que muestra la refraccin de una onda. Como podemos ver, todos los rayos que golpean el cristal en cualquier ngulo excepto el perpendicular son refractados. El rayo perpendicular o normal a la superficie contina en lnea recta a travs del cristal y luego a travs del aire sin cambiar su direccin (por tanto, no se refracta). Difusin de la Luz Cuando la luz se refleja en un espejo, el ngulo de reflexin de cada rayo equivale al ngulo de incidencia. Cuando la luz se refleja en una hoja plana de papel blanco, sin embargo, el haz reflejado se esparce o difunde, como se muestra en la figura 1-20. A causa de que la superficie del papel no es suave, la luz reflejada se rompe en muchos haces de luz reflejados en todas direcciones. Absorcin de Luz Acabamos de ver que un haz de luz se refle ja y difunde cuando llega a una hoja de papel blanco. Si el papel fuera negro, absorbera la mayora de los haces de luz y muy pocos se reflejaran desde el papel. Si la superficie sobre la que choca el haz es perfectamente negra, no habr reflexin, o lo que es lo mismo, la luz ser totalmente absorbida.

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    ONDAS SONORAS ONDAS LUMNICAS

    Velocidad (Aire) Aprox. 340 m/s Aprox. 300.000 Km/s

    Forma Movimiento de onda Movimiento de onda

    Composicin Longitudinal Transversal

    Medio de transmisin Todas las sustancias Vaco y todas las sustancias excepto las opacas

    Velocidad / Medio A mayor densidad, mayor velocidad

    A mayor densidad, menor velocidad

    Sentido Odo Vista

    Variaciones en la sensacin

    Bajas frecuencias producen tonos graves; altas frecuencias, tonos agudos

    Bajas frecuencias producen luz roja; altas frecuencias, luz violeta

    Tabla1-2. Comparacin entre Ondas Sonoras y Luminosas.

    PREGUNTAS P.40 Un haz de luz choca perpendicularmente a la superficie de una hoja de cristal. La mayor parte de la luz es reflejada, refractada, transmitida o absorbida? P.41 Cuando la luz choca contra una hoja de papel blanco, la luz se dispersa en todas direcciones. Cmo se denomina este fenmeno? Comparacin de Ondas Sonoras y Lumnicas Hay dos diferencias principales entre ondas luminosas y sonoras. La primera es la velocidad. Las ondas sonoras viajan en el aire aproximadamente a 340 m/s por segundo; la luz viaja a 300.000 Km/s por segundo en el mismo medio. La segunda diferencia es que el sonido se compone de ondas longitudinales (compresiones y expansiones alternadas de materia) y la luz se compone de ondas transversales de campo electromagntico. Aunque ambas son formas de movimiento de onda, el sonido requiere un medio slido, lquido o gaseoso para transmitirse, mientras que la luz no (puede propagarse por el vaco). Cuanto ms denso sea el medio, ms velocidad adquiere el sonido. Lo contrario ocurre con la luz, cuanto menor sea la densidad del medio, ms rpido viaja la luz. La luz viaja aproximadamente a un tercio de su velocidad area en el agua. El sonido traspasa todas las sustancias, mientras que la luz no puede transmitirse a travs de materiales opacos. La frecuencia afecta tanto al sonido como a la luz. Un cierto rango de frecuencias sonoras (snicas) produce sensaciones que podemos or. Una vibracin lenta en sonido produce la sensacin de un tono grave. Una vibracin de mayor frecuencia produce un tono ms agudo.

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    Igualmente, un cierto rango de frecuencias produce sensaciones que podemos ver. La luz violeta se produce en el tope mximo de frecuencia del espectro visible, mientras que la luz roja se produce en el extremo inferior de frecuencias visibles. Un cambio en la frecuencia de las ondas sonoras provoca una sensacin audible (una diferencia de tono), mientras que un cambio en la frecuencia de la luz produce una sensacin visual (una diferencia de color). En la tabla 1-2 se establece una comparacin de ambos tipos de onda. PREGUNTAS P.42 Qu tres ejemplos de energa electromagntica se mencionan en el texto? P.43 Cul es la diferencia fundamental entre el espectro electromagntico total y el espectro visual? El Espectro Electromagntico La luz es una clase de energa electromagntica. Hay otros muchos tipos, incluyendo la energa calorfica y la radiacin. La nica diferencia ente los diversos tipos de energa electromagntica es la frecuencia de sus ondas (la velocidad de vibracin). El trmino espectro se utiliza para designar el rango completo de ondas electromagnticas ordenadas por su frecuencia. El espectro visible contiene slo aquellas ondas que estimulan el sentido de la vista. Como ingeniero o tcnico, es probable que alguna vez deber manejar o disear equipos que utilicen ondas electromagnticas dentro, por encima o por debajo del espectro visible. En el espectro electromagntico no existen divisiones ni espacios intermedios. La figura 1-21 muestra cmo, de hecho, hay varios trozos del espectro que se superponen. Vea que slo una pequea parte del espectro contiene ondas visibles (o luz) por el ojo humano. Ondas Electromagnticas En general, se aplican los mismos principios y propiedades de las ondas lumnicas a las ondas electromagnticas de comunicaciones que veremos ms adelante. El campo electromagntico se usa para transferir energa (comunicacin) de punto a punto. Presentamos la antena bsica como la fuente de propagacin de estas ondas electromagnticas.

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    Figura 1-21. Espectro electromagntico. La Antena Bsica El estudio de antenas y la propagacin de ondas electromagnticas es fundamental para completar el aprendizaje de la comunicacin por radio, radar, loran y otros sistemas electrnicos. La figura 1-22 muestra un sencillo sistema de comunicacin, donde el transmisor es un dispositivo electrnico que genera energa de radiofrecuencia. La energa viaja a travs de una lnea de transmisin (que veremos en el captulo 3) hasta una antena. La antena transforma la energa en ondas de radio que se radian en el espacio desde al antena a la velocidad de la luz. Las ondas de radio viajan a travs de la atmsfera o el espacio hasta que son reflejadas o absorbidas por objetos. Si se coloca otra antena en el trayecto de las ondas de radio, absorber parte de las ondas y las convertir de nuevo a energa. Esta energa viajar a travs de otra lnea de transmisin y alimentar a un receptor. De este ejemplo, podemos ver los requisitos necesarios para un sistema de comunicacin sencillo, que son (1) equipo de transmisin, (2) lnea de transmisin, (3) antena transmisora, (4) medio, (5) antena receptora, y (6) equipo receptor.

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    Figura 1-22. Sistema de radiocomunicacin sencillo. Una antena es un conductor o un conjunto de conductores que se usan ya sea para radiar energa electromagntica al espacio o para recoger esa energa desde el espacio. La figura 1-23 muestra una antena: la parte A es un dibujo de una antena real, y la parte B es una seccin de la misma. La parte C de la figura es un diagrama simplificado de la antena. Componentes de la Onda Electromagntica Una onda electromagntica se compone de dos componentes principales; un campo elctrico y un campo magntico. El campo elctrico resulta de la fuerza del voltaje, y el magntico resulta del flujo de corriente. Aunque los campos electromagnticos radiados se consideran comnmente como ondas, bajo ciertas circunstancias su comportamiento les hace parecer poseer algunas de las propiedades de las partculas. En general, sin embargo, es ms fcil visualizar la radiacin electromagntica en el espacio como lneas de fuerza horizontales y verticales orientadas en ngulo recto entre ellas. Estas lneas de fuerza estn formadas de un campo elctrico (E) y de un campo magntico (H), que juntos forman el campo electromagntico en el espacio. Los campos elctrico y magntico radiados desde una antena forman el campo electromagntico, el cual es el responsable de la transmisin y recepcin de energa electromagntica a travs del espacio libre.

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    Figura 1-23. Ejemplo de antena: esquema real y simplificado. Sin embargo, la antena es parte tambin del circuito elctrico de un transmisor o receptor y equivale a un circuito que contiene inductancia, capacidad y resistencia. Por tanto, debe esperarse que una antena defina relaciones tensin corriente con respecto a una entrada dada. Una corriente que circule por una antena produce un campo magntico, y una carga en la antena produce un campo elctrico. Estos dos campos se combinan para formar el denominado campo de induccin. Para ayudar a entender mejor la teora de antenas, debemos revisar antes algunos conceptos bsicos de la teora elctrica. Veremos primero el voltaje y el campo elctrico, la corriente y el campo magntico y sus relaciones con la propagacin de energa elctrica. PREGUNTAS P.44 Cules son las componentes que forman la onda electromagntica? P.45 Cmo se llama al conductor o conductores que radian energa electromagntica al espacio?

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    Figura 1-24. Campo elctrico entre los conectores de un condensador. Campo Elctrico Alrededor de cualquier objeto cargado elctricamente existe un campo de fuerza que puede detectarse y medirse. Este campo de fuerza puede causar que las cargas elctricas se muevan dentro del campo. Cuando se carga un objeto elctricamente, hay una concentracin alta o baja de electrones (en comparacin con el estado normal). Por tanto, existe una diferencia de potencial entre un objeto cargado respecto a uno no cargado elctricamente. Se asocia, por tanto, un campo elctrico con esa diferencia de potencial, tambin llamada voltaje o tensin elctrica, y que se mide en voltios (V). Este campo o fuerza invisible se representa normalmente mediante lneas que muestran el camino o caminos a lo largo de los cuales acta la fuerza. Las lneas que representan el campo elctrico se dibujan en la direccin en la que se movera una carga positiva bajo la influencia de ese campo. Un campo es ms fuerte cuanto mayor nmero (concentracin) de lneas de campo haya en un punto, mientras que un campo dbil se indica mediante un menor nmero de lneas en ese punto. Cuando se conecta un condensador a una fuente de tensin (como una pila) este se carga con una cantidad, dependiendo del voltaje y del valor de su capacidad (ver figura 1-24). A causa de la f.e.m. (fuerza electromotriz) de la fuente, las cargas negativas fluyen al conector inferior, dejando el conector superior cargado positivamente. Junto al aumento de carga, tambin se aumenta el campo elctrico. Las lneas de flujo se dirigen desde las cargas

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    positivas a las negativas, en ngulo recto con los conectores del condensador. Cuando este se carga completamente, la tensin del condensador es la misma que la de la fuente y de polarizad opuesta. El condensador cargado almacena energa en forma de campo elctrico Puede decirse, por tanto, que un campo elctrico indica tensin elctrica. Si los dos extremos (conectores) del condensador se alejan uno del otro, el campo elctrico debe curvarse para llegar a los conectores en ngulo recto (ver figura 1-25). Las lneas rectas de la parte A de la figura se vuelven arcos (parte B) y aproximadamente semicrculos en la parte C, donde los conectores estn ahora en lnea recta. En lugar de dos conectores planos de metal como en el caso del condensador, estos dos elementos pueden ser tambin barras de metal o cables, que forman la antena bsica. En la figura 1-26, se han reemplazado los conectores por dos barras, y la fuente se ha reemplazado por una fuente de alterna que genera una seal de 60 Hz. En la alternancia positiva del generador, el campo elctrico se extiende desde la barra cargada positivamente a la cargada negativamente, como se muestra. En la alternancia negativa, la carga se invierte. La explicacin previa de los electrones movindose desde un conector hasta el otro en el condensador de la figura 1-24 se pueden aplicar tambin aqu.

    Figuras 1-25 y 1-26. (1-25 Izquierda) Campo elctrico entre conectores en distintos ngulos.

    (1-26 Derecha) Campo elctrico entre elementos.

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    La polaridad de las cargas y la direccin del campo elctrico se invertirn peridicamente a la frecuencia de la fuente de tensin alterna. El campo elctrico aumentar de cero a un mximo en una direccin y luego volver a cero. Luego el campo se har mximo en la direccin opuesta y volver a cero. Este ciclo completo viene dado exactamente por el ciclo de la fuente. La antena dipolo de media onda (dos barras separadas en lnea como en la figura 1-26) es el elemento fundamental utilizado normalmente como punto de referencia en cualquier tema que trate de radiacin de energa electromagntica en el espacio. Si la energa RF del generador AC (o transmisor) se proporciona al elemento de una antena (dipolo) el voltaje en la antena est desfasado 90 de la corriente, porque la antena acta como si fuera un condensador. Campo Magntico Cuando la corriente fluye a travs de un conductor, se genera un campo magntico en el rea alrededor del conductor. De hecho, cualquier carga elctrica en movimiento generar un campo magntico. El campo magntico es una regin del espacio donde se puede detectar y medir una fuerza magntica. Hay otros dos campos implicados: el campo de induccin, que existe cercano al conductor que lleva la corriente, y el campo de radiacin, que se separa de la barra que lleva la corriente y viaja a travs del espacio.

    Figura 1-27. Campos magnticos alrededor de elementos.

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    Para representar el campo magntico, se usan de nuevo lneas de fuerza para ilustrar la energa. Las lneas magnticas no se dibujan entre las barras, ni entre los puntos de alto y bajo potencial elctrico, como las lneas del campo E. Las lneas magnticas se crean por el flujo de corriente y no por la fuerza del voltaje. Por