Trabajo de Fisica
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Trabajo de Fisica
con mayor longitud como las ondas de radio, hasta los que tienen menor longitud
como los rayos Gamma, pasando por las ondas de radio, las microondas, los
infrarrojos, la luz visible, la luz ultravioleta y los rayos X
Es importante anotar que las ondas con mayor longitud de onda tienen menor
frecuencia y viceversa.
Las caractersticas propias de cada tipo de onda no solo son su longitud de onda,
sino tambin su frecuencia y energa.
El espectro electromagntico se divide en: (empezando de con la que tiene
mayor longitud de onda)
ONDAS DE RADIO
Las ondas de radio son un tipo de radiacin electromagntica . Una onda de radio
tiene una longitud de onda mayor que la luz visible . Las ondas de radio se usan
extensamente en las comunicaciones.
Las ondas de radio tienen longitudes que van de tan slo unos cuantos milmetros
(dcimas de pulgadas), y pueden llegar a ser tan extensas que alcanzan cientos de
kilmetros (cientos de millas). En comparacin, la luz visible tiene longitudes de
onda en el rango de 400 a 700 nanmetros, aproximadamente 5 000 menos que la
longitud de onda de las ondas de radio. Las ondas de radio oscilan en frecuencias
entre unos cuantos kilohertz (kHz o miles de hertz) y unos cuantos terahertz (THz
or 1012 hertz). La radiacin "infrarroja lejana" , sigue las ondas de radio en el
espectro electromagntico, los IR lejanos tienen un poco ms de energa y menor
longitud de onda que las de radio.
Las microondas, que usamos para cocinar y en las comunicaciones, son longitudes
de onda de radio cortas, desde unos cuantos milmetros a cientos de milmetros
(dcimas a decenas de pulgadas).
Varias frecuencias de ondas de radio se usan para la televisin y emisiones de
radio FM y AM, comunicaciones militares, telfonos celulares, radioaficionados,
redes inalmbricas de computadoras, y otras numerosas aplicaciones de
comunicaciones.
La mayora de las ondas de radio pasan libremente a travs de la atmsfera de la
Tierra. Sin embargo, algunas frecuencias pueden ser reflejadas o absorbidas por
las partculas cargadas de la ionosfera.
ONDAS DE RADIO AM
Seales de AM y de FM?
Hay dos formas de modular la onda portadora de las seales elctricas: la
modulacin de amplitud (AM) o la modulacin de frecuencia (FM). La primera
modifica el grado de ondulacin de la onda portadora, y las seales de frecuencia
modulada alteran el nmero de veces por segundo que ondula la onda portadora.
Las seales de AM estn ms expuestas a interferencias elctricas, las que
producen el ruido llamado esttica. Las seales de FM no permiten la esttica, pero
slo se propagan en lnea recta.
Las bandas de onda de AM y FM?
La modulacin de amplitud sirve para la radiodifusin de largo alcance, en
longitudes de onda de entre 1 000 y 2 000 m. Estas ondas llegan a viajar miles de
kilmetros desde su punto de origen, ya que se reflejan en la ionosfera, una capa
electrificada de la atmsfera, situada entre 130 y 160 km por encima del planeta.
Estas ondas se difunden a grandes distancias debido a la reflexin mltiple entre el
suelo y la atmsfera. Las seales de AM se difunden en tres bandas de onda: larga
(1 0002 000 m), media (187577 m) y corta (10100 m).
Las bandas de onda de FM incluyen la frecuencia muy alta (VHF), de entre 87 y
108 MHz (vea pg. siguiente). La VHF se emplea en radios de la polica, de los taxis
y los de banda civil. La frecuencia ultraalta (UHF), de entre 450 y 855 MHz, se
emplea en la televisin. Las microondas mantienen longitudes de menos de 30 cm.
Los radares y los satlites de comunicaciones funcionan con microondas de
frecuencias superaltas de 3 a 30 gigahertz (GHz).
Generacin
Las microondas pueden ser generadas de varias maneras, generalmente divididas
en dos categoras: dispositivos de estado slido y dispositivos basados en tubos de
vaco. Los dispositivos de estado slido para microondas estn basados en
semiconductores de silicio o arsenuro de galio, e incluyen transistores de efecto
campo (FET), transistores de unin bipolar (BJT), diodos Gunn y diodos IMPATT. Se
han desarrollado versiones especializadas de transistores estndar para altas
velocidades que se usan comnmente en aplicaciones de microondas.
Los dispositivos basados en tubos de vaco operan teniendo en cuenta el
movimiento balstico de un electrn en el vaco bajo la influencia de campos
elctricos o magnticos, entre los que se incluyen el magnetrn, el Klistrn, el TWT
y el girotrn.
Usos
Una de las aplicaciones ms conocidas de las microondas es el horno de
microondas, que usa un magnetrn para producir ondas a una frecuencia de
aproximadamente 2,45 GHz. Estas ondas hacen vibrar o rotar las molculas de
agua, lo cual genera calor. Debido a que la mayor parte de los alimentos contienen
un importante porcentaje de agua, pueden ser fcilmente cocinados de esta
manera.
En telecomunicaciones, las microondas son usadas en radiodifusin, ya que estas
pasan fcilmente a travs de la atmsfera con menos interferencia que otras
longitudes de onda mayores. Tambin hay ms ancho de banda en el espectro de
microondas que en el resto del espectro de radio. Usualmente, las microondas son
usadas en programas informativos de televisin para transmitir una seal desde
una localizacin remota a una estacin de televisin mediante una camioneta
especialmente equipada. Protocolos inalmbricos LAN, tales como Bluetooth y las
especificaciones de Wi-Fi IEEE 802.11g y b tambin usan microondas en la banda
ISM, aunque la especificacin 802.11a usa una banda ISM en el rango de los 5
GHz. La televisin por cable y el acceso a Internet va cable coaxial usan algunas
de las ms bajas frecuencias de microondas. Algunas redes de telefona celular
tambin usan bajas frecuencias de microondas.
En la industria armamentstica, se han desarrollado prototipos de armas que
utilicen la tecnologa de microondas para la incapacitacin momentnea o
permanente de diferentes enemigos en un radio limitado.[2]
Tecnologias MMIC
Pero existen algunos casos en los que no son posibles los dispositivos monolticos:
RFIC
RAYOS INFRARROJOS
Luz Infrarroja y Termografa
Aplicacin de luz infrarroja o termografa es el uso de una cmara de imgenes
infrarrojas y medicin para ver o medir la energa trmica que emite un
objeto. La energa trmica o infrarroja es luz no visible, ya que su longitud de onda
es muy larga para que la detecte el ojo humano. Dicho de otra manera, es la parte
del espectro electromagntico que percibimos como calor. A diferencia de la luz
visible, en el mundo infrarrojo todo aquello con una temperatura sobre cero
absoluto emite calor; incluso, los objetos muy fros, tales como cubos de hielo,
emiten luz infrarroja.
esposa que colocase la mano sobre la placa durante quince minutos. Al revelar la
placa de cristal, apareci una imagen histrica en la ciencia. Los huesos de la
mano de Berta, con el anillo flotando sobre estos: la primera imagen radiogrfica
del cuerpo humano. As nace una de las ramas ms poderosas y excitantes de la
Medicina: la Radiologa.
El descubridor de estos tipos de rayos tuvo tambin la idea del nombre. Los llam
"rayos incgnita", o lo que es lo mismo: "rayos X" porque no saba que eran, ni
cmo eran provocados. Rayos desconocidos, un nombre que les da un sentido
histrico. De ah que muchos aos despus, pese a los descubrimientos sobre la
naturaleza del fenmeno, se decidi que conservaran ese nombre.
La noticia del descubrimiento de los rayos "X" se divulg con mucha rapidez en el
mundo. Roentgen fue objeto de mltiples reconocimientos, el emperador Guillermo
II de Alemania le concedi la Orden de la Corona, fue honrado con la medalla
Rumford de la Real Sociedad de Londres en 1896, con la medalla Barnard de la
Universidad de Columbia y con el premio Nobel de Fsica en 1901.
El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigacin,
experimentacin y no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Roentgen,
hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles ms mnimos,
examinaba las consecuencias de un acto quizs casual, y por eso tuvo xito donde
los dems fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento cuando
Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la
humanidad.
Produccin de rayos X
Los rayos X son producto de la desaceleracin rpida de electrones muy
energticos (del orden 1000eV) al chocar con un blanco metlico. Segn la
mecnica clsica, una carga acelerada emite radiacin electromagntica, de este
modo, el choque produce un espectro continuo de rayos X (a partir de cierta
longitud de onda mnima). Sin embargo experimentalmente, adems de este
espectro continuo, se encuentran lneas caractersticas para cada material. Estos
espectros continuo y caracterstico se estudiarn ms en detalle a
continuacin.
Aplicaciones
Mdicas
Los rayos X son especialmente tiles en la deteccin de enfermedades del
esqueleto, aunque tambin se utilizan para diagnosticar enfermedades de los
tejidos blandos, como la neumona, cncer de pulmn, edema pulmonar, abscesos.
En otros casos, el uso de rayos X tiene ms limitaciones, como por ejemplo en la
observacin del cerebro o los msculos. Las alternativas en estos casos incluyen la
tomografa axial computarizada, la resonancia magntica o los ultrasonidos.
RADAR
Es un sistema que usa ondas electromagnticas para medir distancias, altitudes,
direcciones y velocidades de objetos estticos o mviles como aeronaves, barcos,
vehculos motorizados, formaciones meteorolgicas y el propio terreno. Su
funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo
y se recibe tpicamente en la misma posicin del emisor. A partir de este "eco" se
puede extraer gran cantidad de informacin. El uso de ondas electromagnticas
permite detectar objetos ms all del rango de otro tipo de emisiones (luz visible,
sonido, etc.)
Entre sus mbitos de aplicacin se incluyen la meteorologa, el control del trfico
areo y terrestre y gran variedad de usos militares.
Principios
Reflexin
La reflexin de las ondas del radar vara en funcin de su longitud de onda y de la
forma del blanco:
Cuando las dos escalas son similares pueden darse efectos de resonancia.
Los primeros radares utilizaban longitudes de onda muy elevadas, mayores que los
objetivos; las seales que reciban eran tenues. Los radares actuales emplean
El factor que da la medida de cunto refleja un objeto las ondas de radio se llama
"seccin radar cruzada" ().
Ecuacin radar
La potencia Pr reflejada a la antena de recepcin est dada por la ecuacin radar:
donde
Pt = potencia transmitida
Polarizacin
El campo elctrico de la seal que emite un radar es perpendicular a la direccin
de propagacin. La direccin de dicho campo determina la polarizacin de la onda.
En funcin de la aplicacin, los radares usan:
Polarizacin horizontal.
Polarizacin vertical.
Polarizacin lineal.
Polarizacin circular.
Polarizacin aleatoria.
Interferencias
Los sistemas radar deben hacer frente a la presencia de diferentes tipos de
seales indeseadas y conseguir centrarse en el blanco que realmente interesa.
Fuentes posibles de interferencias:
Internas
Externas
De naturaleza pasiva
externo. Una excepcin es el caso en el que el radar est dirigido al cielo abierto;
en este caso apenas se produce ruido de Johnson-Nyquist, tambin conocido como
ruido trmico.
Clutter
El trmino clutter hace referencia a todos aquellos ecos (seales de RF) recibidos
por el radar que son, por definicin, no deseados.
Causas
Pueden estar causados por objetos del entorno, tales como: el mar,
precipitaciones (lluvia, nieve o granizo), tormentas de arena, animales
(especialmente pjaros), turbulencias atmosfricas y otros efectos
atmosfricos como reflexiones ionosfricas y estelas de meteoritos.
Puede haber clutter debido a objetos fabricados por el hombre, sin intencin
de engaar al radar (edificios) o con ella ("chaffs").
Puede estar causado por una longitud excesiva de la gua de onda que
conecta el transceptor del radar y la antena.
En un radar de tipo PPI (representacin de distancia en funcin del azimut)
con antena giratoria, este clutter se ver como un destello en el centro de la
pantalla. En este caso el receptor estara interpretando ecos de partculas de
polvo y seales de RF indeseadas que vagan por la guiaonda. Este tipo de
clutter se reduce reajustando el lapso entre el envo del pulso por parte del
transmisor y el instante en que se activa la etapa de recepcin. La
explicacin para esto es que la mayor parte de estos brillos estn causados
por el propio pulso transmitido antes de abandonar la antena.
directamente eliminarlo por considerar que est causado por jitter o que su
ubicacin es fsicamente imposible. Una buena opcin para minimizar el
impacto de este efecto es incorporar al radar un mapa topogrfico de los
alrededores que ayude a eliminar aquellos ecos que se detecten a alturas
imposibles (por debajo del nivel del suelo o por encima de una determinada
altura).
Se puede dar la circunstancia de que una determinada fuente de clutter sea
indeseable para una aplicacin radar (ej: nubarrones en un radar de defensa
area) pero positiva para otra (meteorolgica). El clutter es considerado una
fuente pasiva de interferencias, ya que slo aparece como respuesta a los pulsos
enviados por el radar.
Mtodos para detectar y neutralizar el clutter
El mtodo CFAR es otra tcnica basada en el hecho de que los ecos debidos
al clutter son mucho ms numerosos que los ecos producidos por objetivos
de inters. Este mtodo permite mantener un valor constante de la
probabilidad de falsa alarma haciendo un promediado adaptativo del nivel
real de ruido y ajustando automticamente la ganancia del receptor. Si bien
esto no ayuda cuando el blanco est rodeado por clutter muy fuerte, puede
permitir identificar objetivos ms o menos claros. En radares actuales este
proceso est controlado por software. Es beneficioso en sistemas en los que
sea crtico mantener una determinada probabilidad de falsa alarma.
Jamming
Se conoce como jamming a aquellas seales externas al sistema radar emitidas en
las frecuencias de funcionamiento del mismo y que por tanto enmascaran los
distancia ser la mitad del tiempo de trnsito multiplicado por la velocidad del
pulso (300.000 km/s):
r = distancia estimada
c = velocidad de la luz
t = tiempo de trnsito
c = velocidad de la luz
c = Velocidad de la luz
Hay un compromiso entre estos dos factores, siendo difcil combinar deteccin a
corta y a larga distancia: para detectar a corta distancia hay que hacer los pulsos
ms cortos, lo que implica menor potencia, lo que implica ecos ms dbiles y por
tanto menor alcance. Se puede aumentar la probabilidad de deteccin mandando
pulsos con mayor frecuencia, pero nuevamente, esto acorta la distancia mxima
sin ambigedad. La combinacin de T y que se elija se llama "patrn de pulsos"
del radar. En la actualidad los radares pueden muchas veces cambiar su patrn de
pulsos de forma electrnica, ajustando dinmicamente su rango de
funcionamiento. Los ms modernos funcionan disparando en el mismo ciclo dos
pulsos diferentes, uno para deteccin a larga distancia y otro para distancias
cortas.
La resolucin en distancia y las caractersticas de la seal recibida en comparacin
con el ruido dependen tambin de la forma del pulso. A menudo este se modula
para mejorar su rendimiento gracias a una tcnica conocida como "compresin de
pulsos".
Medida de velocidades
La velocidad es el cambio de distancia de un objeto respecto al tiempo. Por tanto,
para que un sistema radar pueda medir velocidades no hace falta ms que
aadirle memoria para guardar constancia de dnde estuvo el objetivo por ltima
vez. En los primeros radares, el operador haca marcas con un lpiz de cera en la
pantalla del radar, y meda la velocidad con una regla de clculo. Hoy da, este
proceso se hace de forma ms rpida y precisa usando ordenadores.
Sin embargo, si la salida del transmisor es coherente (sincronizada en fase), hay
otro efecto que puede usarse para medir velocidades de forma casi instantnea sin
necesidad de dotar al sistema de memoria: el efecto Doppler. Estos radares
aprovechan que la seal de retorno de un blanco en movimiento est desplazada
en frecuencia. Con ello, son capaces de medir la velocidad relativa del objeto con
respecto al radar. Las componentes de la velocidad perpendiculares a la lnea de
visin del radar no pueden ser estimadas slo con el efecto Doppler y para
calcularlas s hara falta memoria, haciendo un seguimiento de la evolucin de la
posicin en azimut del objetivo.
Tambin es posible utilizar radares no pulsados (CW) que funcionen a una
frecuencia muy pura para medicin de velocidades, como hacen los de trfico. Son
adecuados para determinar la componente radial de la velocidad de un objetivo,
pero no pueden determinar distancias.
Interfaz de usuario.
Modulador
El modulador o pulsador es el elemento encargado de proporcionar pequeos
pulsos de potencia al magnetrn. Esta tecnologa recibe el nombre de "potencia
pulsada". Gracias al modulador, los pulsos de RF que emite el oscilador estn
limitados a una duracin fija. Estos dispositivos estn formados por una fuente de
alimentacin de alto voltaje, una red de formacin de pulsos (PFN) y un
conmutador de alto voltaje (como un tiratrn).
Si en lugar de magnetrn se usa un tubo klistrn, este puede actuar como
amplificador, as que la salida del modulador puede ser de baja potencia.
Diseo de la antena
Las seales de radio difundidas (broadcast) por una sola antena se propagan en
todas las direcciones y, del mismo modo, una antena recibir seales desde
cualquier direccin. Esto hace que el radar se encuentre con el problema de saber
dnde se ubica el blanco.
Los primeros sistemas solan utilizar antenas omnidireccionales, con antenas
receptoras directivas apuntando en distintas direcciones. Por ejemplo, el primer
sistema que se instal (Chain Home) utilizaba dos antenas receptoras cuyas
direcciones de observacin formaban un ngulo recto, cada una asociada a una
pantalla diferente. El mayor nivel de eco se obtena cuando la direccin de
observacin de la antena y la lnea radar-blanco formaban ngulo recto y, por el
contrario, era mnimo cuando la antena apuntaba directamente hacia el objetivo.
El operador poda determinar la direccin de un blanco rotando la antena de modo
que una pantalla mostrase un mximo y otra un mnimo.
Una importante limitacin de este tipo de solucin era que el pulso se transmita
en todas las direcciones, de modo que la cantidad de energa en la direccin que
se examinaba era solo una pequea parte de la transmitida. Para que llegue una
potencia razonable al blanco se requieren antenas direccionales.
Reflector parablico
Los sistemas ms modernos usan reflectores parablicos dirigibles para estrechar
el haz en el que se emite en broadcast el pulso. Generalmente el mismo reflector
se utiliza tambin como receptor. En estos sistemas, a menudo se usan dos
frecuencias radar en la misma antena para permitir control automtico ("radar
lock").
Guiaonda ranurada
La gua de onda ranurada se mueve mecnicamente para hacer el barrido y es
adecuada para sistemas de bsqueda (no de seguimiento). Las guiaondas
ranuradas son muy direccionales en el plano de la antena pero, al contrario que las
parablicas, no son capaces de distinguir en el plano vertical. Suelen usarse en
detrimento de las parablicas en cubiertas de barcos y exteriores de aeropuertos y
puertos, por motivos de coste y resistencia al viento.
hased arrays
Otro tipo de antenas que se suele usar para radares son los phased arrays. Un
phased array consiste en una matriz (array) de elementos radiantes. La fase de la
seal que alimenta cada uno de estos est controlada de tal manera que la
radiacin del conjunto sea muy directiva. Es decir, se juega con las fases de las
seales para que se cancelen en las direcciones no deseadas y se interfieran
constructivamente en las direcciones de inters.
El diagrama de radiacin del array se obtiene como la interferencia de los campos
radiados por cada una de las antenas. En recepcin la seal recibida es una
combinacin lineal de las seales que capta cada antena. El diagrama de radiacin
total viene dado por el diagrama de radiacin conjunto y el diagrama de radiacin
del elemento aislado.
En el diseo de arrays intervienen muchos parmetros : nmero de elementos,
disposicin fsica de los elementos, amplitud de la corriente de alimentacin, fase
relativa de la alimentcin y tipo de antena elemental utilizada. Configurando estos
parmetros se pueden mejorar las caractersticas de radiacin del diagrama de
radiacin individual : mejorar la directividad, mejorar la relacin de lbulo principal
a secundario, conformar el diagrama para cubrir la zona de inters y tener la
posibilidad de controlar electrnicamente el apuntamiento del haz principal.
El uso de los phased arrays se remonta a la Segunda Guerra Mundial, pero las
limitaciones de la electrnica hacan que fueran poco precisos. Su aplicacin
original era la defensa anti-misiles. En la actualidad son parte imprescindible del
sistema AEGIS y el sistema balstico MIM-104 Patriot. Su uso se va extendiendo
debido a la fiabilidad derivada del hecho de que no tienen partes mviles. Casi
todos los radares militares modernos se basan en phased arrays, relegando los
sistemas basados en antenas rotatorias a aplicaciones donde el costo es un factor
determinante (trfico areo, meteorologa,...) Su uso est tambin extendido en
aeronaves militares debido a su capacidad de seguir mltiples objetivos. El primer
avin en usar uno fue el B-1B Lancer. El primer caza, el MiG-31 ruso. El sistema
radar de dicho avin est considerado como el ms potente de entre todos los
cazas [1].
En radioastronoma tambin se emplean los phased arrays para, por medio de
tcnicas de apertura sinttica, obtener haces de radiacin muy estrechos. La
apertura sinttica se usa tambin en radares de aviones.
Aplicaciones
Meteorolgicas:
etctera).
deteccin
de
precipitaciones
(lluvia,
nieve,
granizo,
Segn el blanco
Segn su finalidad
Otras tecnologas