Física Unidad 2. Dispositivos eléctricos

Evidencia de aprendizaje. Uso de las leyes de Maxwell y dispositivos electrónicos.

Docente en línea: José Vicente mejía Orduña

Luis Alberto Velázquez Vázquez

Curso: Física BI-BFIS-1502S-B1-003

Fecha de entrega: 02/septiembre/15

Acapulco, Guerrero

Con los cohetes, satélites, naves espaciales, etc. Que estamos creando ahora, estamos polinizando el universo.

-Neil Young.

Física Unidad 2. Dispositivos eléctricos

INDICE GENERAL.

Portada 01

Índice 02

Introducción 03

- Tecnologías asociadas a la infraestructura.

Modelo Teórico 04

- Tecnologías asociadas al segmento terreno.- Sistema de Antenas.

Desarrollo 06

Datos esenciales.

- Dispositivo para el envío de señales electromagnéticas- Las Ondas Digitales- Componentes internos de un satélite- Descripción del tipo de antena que servirá para - recibir y transmitir señales electromagnéticas.- Dispositivo para recopilar información sobre el tipo de - partículas que llegan al satélite- Características de un sistema satelital.- Adquisición y análisis de los datos.- Dispositivo para almacenar energía eléctrica.- Satélite geoestacionario de 1 kg.

Conclusiones. 20

Referencias bibliográficas. 21

Mapa mental sobre la implementación del proyecto

En lo que se refiere a las leyes de Maxwell. 22

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Evidencia de aprendizaje. Uso de las leyes de Maxwell y dispositivos electrónicos.

“La puesta en órbita de un satélite geoestacionario de un kilogramo de peso”

Introducción:

Tecnologías adjuntas a la infraestructura.

Los sistemas satelitales de telecomunicaciones son en esencia, un conjunto de dispositivos que se suman para hacer posible una comunicación a través de microondas entre un conjunto de estaciones terrenas empleando un repetidor hospedado en el espacio. Desde este punto de vista, no es arriesgado pensar que un sistema de comunicaciones por satélite es conceptualmente equivalente a un mecanismo de transmisión como lo sería una fibra óptica, un cable coaxial o un par de cobre, considerando debidamente las proporciones y características de cada uno. Aun cuando se hable de procesamiento a bordo de los satélites, este debe entenderse como procesos realizados sobre la portadora o la señal de banda base orientados a garantizar la integridad de la información durante el proceso de transporte y no a cambiar el contenido o significado que esta representa para el usuario, dado que el objetivo es hacer que el sistema satelital sea transparente para la información que se cursa a través del mismo.

Siguiendo la dinámica de esta definición, todos los elementos que componen un sistema de telecomunicaciones por satélite se pueden asociar a uno de tres segmentos en los cuales el sistema está dividido.

- Segmento terreno, el cual está constituido por todas las estaciones terrenas de una misma red habilitadas para capturar señales electromagnéticas u ópticas provenientes de un satélite específico y extraer de ella la información en el formato compatible con el equipo o red terrestre de cada usuario; de igual forma, estas estaciones pueden o no estar dotadas con equipos para adaptar la información al formato compatible con el enlace satelital y transmitirla sea a través del espectro de radio u óptico hacia el repetidor en el espacio.

- Segmento espacial, referido al conjunto de satélites a través de los cuales se cursa el tráfico generado por el segmento terreno y como resultado, hacen posible la conexión de todos los puntos de la red en tierra. Los satélites son fundamentalmente elementos que capturan la señal electromagnética u óptica proveniente del primer usuario y la retransmiten con el nivel suficiente para recuperar la información en el extremo del segundo usuario con la posibilidad de realizar procesamiento a bordo de la señal, dependiendo de las capacidades con que haya sido dotado el satélite.

- Segmento de control, está constituido por todos los sistemas en tierra y espacio que hacen posible la permanencia y control de la infraestructura en órbita. Son entonces, las estaciones de seguimiento, telemetría y telecomando dispuestas

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en tierra y todo el equipo a bordo cuyo objetivo sea el monitoreo y control remoto de las condiciones donde cada uno de los subsistemas del satélite, la determinación de su posición y orientación en el espacio.

Modelo teórico:

Tecnologías asociadas al segmento terreno.

De acuerdo a la función, existen tres categorías de estaciones terrenas; la primera comprende estaciones de interfaz o pasarelas que interconectan una red terrestre con el segmento espacial, de ahí que cursen alto tráfico y requieran enlaces de gran ancho de banda y elevada disponibilidad. Entre tanto, las estaciones de usuarios, clasifican los terminales pequeños como dispositivos móviles o Antenas de Apertura muy Pequeña (VSAT, Very Small Aperture Terminal) donde la señal electromagnética capturada del satélite es directamente convertida en información para el usuario final. Por último, las estaciones de servicio consisten en instalaciones que actúan como concentradoras de la información proveniente de los usuarios y/o como fuentes de información que debe ser enviada hacia estos, de manera que a través de ellas se cursa todo el tráfico de la red. La estructura común de una estación terrena, independiente de su función, se expone en un diagrama de bloques en la Figura 1 para posterior discusión de cada uno.

Sistema de Antenas.

En vista del inconveniente derivado de las obstrucciones que se generan por la infraestructura que sostiene el alimentador además del volumen y peso de los reflectores parabólicos, se ha desarrollado dos tipos de antenas. En el primer caso, se consideran los Terminales de Apertura muy Pequeña denominados VSAT por la abreviación en inglés, en el segundo, están las antenas con reflectores planos.

Las antenas VSAT también conocidos como Terminales Personales, son aquellas antenas cuyo diámetro está comprendido entre 0.8m y 3.8m con un peso nominal entre 9,4Kg y 41Kg respectivamente. La reducción en el diámetro de las estaciones terrenas radica en la necesidad de ofertar servicios satelitales cada vez más directamente al usuario final o consumidor del servicio a un menor costo y con facilidades competitivas con las tecnologías terrestres. Esta tendencia condujo a reducir la Potencia Isotrópica Radiada Efectiva (PIRE) de las estaciones de usuario y con ello el tamaño de la antena.

La compensación de esta reducción se realiza a través de la inclusión de una nueva estación a la red, como se verá en la sección siguiente.

Las antenas con reflectores planos, se logran a partir de un conjunto de reflectores grabados o impresos sobre una superficie plana, efecto que reduce considerablemente la exigencia del volumen y se adapta fácilmente a una superficie ya existente. Por otra parte, la posición del alimentador la cual se define previamente, determina la posición exacta de cada reflector del arreglo en la superficie plana, con lo

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cual se evita totalmente el efecto de las obstrucciones. No obstante, la construcción de este tipo de antenas exige extrema precisión en la forma y ubicación tanto de cada reflector como del alimentador, pues es precisamente este par de variables las que definen las condiciones de fase con que el arreglo de reflectores retransmitirá la señal para generar el patrón de radiación. Por otra parte, las características del arreglo de reflectores cambian drásticamente de acuerdo a la frecuencia debido a que las dimensiones de cada uno están relacionadas muy estrechamente con este parámetro y en consecuencia estos reflectores deberán diseñarse especialmente para la frecuencia exacta de operación, sin embargo la factibilidad de reflectores planos y livianos, la posibilidad de que estos sean plegados, el bajo costo respecto de una antena parabólica equivalente y la facilidad de implementación, son las razones que impulsan al uso de este tipo de antenas tanto en el segmento terreno como en el segmento espacial.

Las antenas parabólicas e incluso los arreglos planos de reflectores, son en sentido estricto antenas con patrón de radiación fijo, aun cuando los paraboloides gocen de dos o más alimentadores desplazados del foco, cada uno generando un lóbulo orientado en dirección diferente (Esquema n° 1) como en el caso de las antenas multihaz que permiten capturar o transmitir señales a satélites diferentes con la misma antena, estos son fijos y su desplazamiento implica necesariamente un movimiento mecánico de toda la infraestructura de la antena mediante el uso de motores .

De los arreglos reflectivos para cambiar el patrón de radiación se requiere cambiar las dimensiones de cada uno de los reflectores lo cual se puede lograr cargando cada reflector con un varactor que involucre una capacitancia que modifique la longitud eléctrica equivalente de cada uno y con ello, producir un cambio del lóbulo de radiación como resultado del voltaje aplicado a cada varactor. Otra posibilidad puede ser la incorporación de pequeños motores que roten cada uno de los reflectores, pero se debe considerar que esta solución incrementa el costo, el peso y la complejidad de la construcción del arreglo de reflectores.

- Patrón de radiación

Esquema n° 1: Ejemplo de la representación gráfica de un patrón de radiación.

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Un parámetro muy importante de toda antena es el patrón de radiación, el cual indica las variaciones de la ganancia con respecto a la dirección en la que se está radiando, por lo que se suele representar gráficamente tanto en coordenadas polares (grados) como en coordenadas cartesianas.

Divisores de Señal.

Cuando las estaciones terrenas deben procesar más de una señal recibida del satélite, después del Amplificador de Bajo Ruido (LNA, Low Noise Amplifier) se debe adicionar una etapa orientada a separar cada portadora para que cada una tenga una conversión y tratamiento particular a Frecuencia Intermedia (IF, Intermediate Frequency). Este proceso se adelanta a través de dispositivos pasivos como acopladores híbridos o arreglos de filtros pasa banda, no obstante estos incorporan altas pérdidas por inserción, por lo cual es mejor considerar opciones con circuitos integrados de microondas o incluso delegar esta función a sistemas de Procesamiento Digital de Señal (DSP, Digital Signal Processing), una vez se ha realizado la debida adaptación a frecuencia intermedia y conversión analógica a digital.

Frecuencia de operación

Otra propiedad de las antenas es que entre más alta sea la frecuencia de operación, la capacidad para concentrar la energía será mayor, esto debido a la disminución de la longitud de onda, lo que permite utilizar antenas de menores dimensiones con mayor ganancia. Esta es una propiedad en general de las antenas de apertura, cuya capacidad de concentrar la potencia en un haz invisible de radiación o iluminación muy angosto es función directa de sus dimensiones eléctricas y no sólo de las físicas.

Dimensión eléctrica

Para ciertos cálculos se considera a la dimensión eléctrica, la cual se conoce como la dimensión física de la antena dividida entre la longitud de onda de la frecuencia de operación, esto significa, obtener el número de veces que cabe una onda electromagnética alineada a lo largo de la mayor dimensión de la antena ya sea en su apertura o en su boca. En el caso de las antenas parabólicas, sería cuantas longitudes de onda caben en el diámetro del plato parabólico.

Desarrollo

• Dispositivo para el envío de señales electromagnéticas.

La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La forma de transporta esta energía es mediante ondas (ondas electromagnéticas).

Una onda electromagnética es la forma de propagación (transmisión) de la radiación electromagnética a través del espacio. (Figura n° 1)

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De una forma simple podemos decir que podemos crear una onda eléctrica moviendo una partícula eléctrica con una fuerza hacia arriba y hacia abajo. Si la partícula es magnética crearemos una onda magnética, y se movemos las dos obtenemos una onda electromagnética. (Figura n° 2)

Ya tenemos creada las ondas.

Cuanto mayor sea la fuerza que hagamos mayor será la altura de la onda. Cuanto más rápido hagamos el movimiento más rápidas serán las ondas.

Por ejemplo, una onda electromagnética como esta

Ejerce fuerzas más débiles que una onda como esta,

Cuando queremos transmitir una onda esta se crea en el punto emisor y se transmite por el aire hasta el punto receptor (repitiéndose la onda desde el punto inicial hasta el final.

Los aspectos importantes a tener en cuenta en una onda son:

La longitud de onda: es la distancia entre dos crestas consecutivas de una onda. Nos dice lo larga que es una onda. (Figura n° 5)

Frecuencia: es el número de veces que se repite la onda en cada segundo. Rapidez de la onda. (Figura n° 5)

Se mide en hertzios (Hz.) 1 Hz quiere decir que se repite la onda 1 vez cada segundo.

Figura n°. 1

Figura n°. 2

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El conjunto de frecuencias forma el espectro electromagnético en el que se transmiten las ondas.

Por ejemplo ondas a 9KHz se utilizan para transmitir información en radionavegación hasta los 116GHz que se utilizan para transmitir en radioastronomía. Todos los sistemas de transmisión electromagnéticas son iguales, lo único que los diferencia es la frecuencia a la que trabajan (transmiten).

Las ondas electromagnéticas que el oído del ser humano puede escuchar son de 20Hz a 20.000Hz las que utilizarán lógicamente las emisoras de radio o la intercomunicación en los coches de fórmula 1. En este último caso cada equipo emite en una frecuencia diferente. La radio depende del tipo que sea FM o AM y dentro de cada tipo cada emisora tiene su propia frecuencia, por eso solo escucharas una emisora en una frecuencia determinada (punto del dial). Para cualquier otro tipo de transmisión no es necesario que las ondas estén entre este rango de frecuencias. Por ejemplo las redes wifi trabajan a 2,4GHz y las bluetooth entre 2,4GHz y 2,48GHz.

Los satélites reciben y emiten un tipo especial de ondas electromagnéticas llamadas microondas, siguen siendo ondas electromagnéticas pero están dentro de un rango de frecuencias determinadas y tienen unas longitudes de ondas concretas. En la siguiente tabla mostramos algunos del espectro electromagnético. (Tabla N° 1)

Tipo de ondas Longitud de onda (m)

Frecuencia (Hz)

Energía (J)

Microondas < 30 cm > 1 GHz > 2·10-24 J

Onda Corta Radio < 180 m > 1,7 MHz > 1,13·10-27

J

Onda Media Radio < 650 m > 650 kHz > 43,1·10-27

J

Onda Larga Radio < 10 km > 30 kHz > 200·10-27 J

Figura n°. 5

Tabla n°. 1

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Las ondas digitales

Las ondas analógicas son ondas que pueden tomar diferentes valores en cada momento (las vistas hasta ahora). Las ondas digitales binarias son ondas que solo pueden tomar dos valores el 0 o el 1 (binarias).

Estas ondas transmiten mejor la información al tener solo dos valores que transmitir. Normalmente se crea la onda en forma analógica y antes de trasmitirla se convierte a digital (digitalización). En este proceso se suelen eliminar los sonidos que no puede percibir el ser humano y al llegar al receptor la señal tiene mejor calidad. Finalmente esta onda digital se puede convertir en digital binaria. (Figura N° 6 y N° 7)

¿Cómo pasar de una onda electromagnética analógica a una señal digital?

Esto lo realizan los conversores ADC (Analog-to-Digital Converter - Conversor Analógico Digital). Lo que estos aparatos hacen (simplificando para entender mejor el proceso) es:

- Primero se toman puntos de la señal analógica (de la onda), cuantos más puntos tomemos como muestra mejor. (Figura N° 8)

Figura N° 6

Figura N° 7

Figura N° 8

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- Segundo: se crea una nueva señal tomando como referencia cada uno de los puntos del muestreo. Esta onda estará formada por los valores de cada uno de los puntos del muestreo. En este paso lo que se hace es pasar los valores continuos de la onda analógica a valores numéricos concretos. (Figura N° 9)

- Tercero: Pasamos los valores decimales de los puntos anteriores a binarios (ceros y unos). A cada punto le asignamos su valor pero en numeración binaria. Por ejemplo si el punto tiene un valor de 3 al pasar el 3 a código binario, ese punto tendrá un valor de 11 (o lo que es lo mismo 011).(Figura N° 10)

- Cuarto: ya tenemos toda la información de la nueva onda en código binario y la onda en digital. Esta información la podemos enviar o bien en paquetes de bits (como se envía la información en informática, es decir con ceros y unos), o bien enviar la onda codificada, pero en una nueva onda digital binaria creada a partir de los valores (ceros y unos) de la onda digitalizada.

- Por último al llegar la señal al receptor se debe de pasar la onda digital a analógica con el mismo proceso pero a la inversa, para ser entendida por el aparato receptor (radio, televisión, etc.).

- Si la onda es una onda sonora lo que se suele hacer antes de digitalizar la onda es eliminar de la onda electromagnética todos los sonidos que no son percibidos por el ser humano (compresión de la onda), de esta forma la onda queda más sencilla y con menos puntos antes de digitalizarla.

Figura N° 9

Figura N° 10

Figura N° 11

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Componentes internos del satélite

La fuente puede ser interna (baterías, células de combustible o generador radio isotópico) y externa (paneles solares). En los sistemas eléctricos, los generadores termoeléctricos radio isotópicos son la solución cuando, por lejanía, oscuridad u otra razón como la mayor potencia, no es posible utilizar paneles solares. Sistemas de protección ambiental. Aunque pueden no ser necesarios en determinados casos, o ser suplidos por técnicas más que por medios expresamente incluidos, cabe citar los subsistemas de control térmico y contra las radiaciones y micro meteoritos.

En el caso de las partes mecánicas, los satélites pueden llevar sistemas como los de las máquinas terrestres y en su caso disponen de lubricantes. Naturalmente, los materiales, motores eléctricos, hidráulicos, rodamientos, son de aleaciones específicas o llevan la adecuada protección contra el vacío, el frío y el calor extremos, y en ocasiones contra la radiación.

Un motor eléctrico, sin aire que lo refrigere, aquí se calentará más de lo debido. Los lubricantes son especiales para evitar los efectos del vacío y también del frío y del calor. Bajo tales condiciones, el desecamiento y dispersión de los lubricantes es más fácil, y es por ello que no sirven los habituales utilizados en la Tierra.

Los sistemas electrónicos utilizados en los componentes destinados al espacio, en especial muchos de los informáticos y principalmente los circuitos fundamentales, los chips, los microprocesadores, difícilmente son los más avanzados del mercado. Curiosamente cuando en cualquier ordenador personal al tiempo que lo habitual es una generación, por ejemplo 586 (Pentium), en el espacio se estaba usando aun el microprocesador 386.

El problema, la razón de que así sea, es que la miniaturización también lleva a aumentar las posibilidades de que la fuerte radiación incida más globalmente en tales miniaturizaciones. Por ello, antes de dar salida a un nuevo modelo, el componente, debidamente blindado en los casos importantes, ha de ser probado primero largamente en el espacio.

La radiación es una de las causas de reinicio de los sistemas informáticos de control de los ingenios espaciales, provoca errores en los mismos, en aparatos y sistemas, e incluso averías importantes. Se emplean material es especiales para tratar de atajar el problema.

También se ha estudiado el uso de aleaciones de silicio y germanio para utilizar en esta electrónica miniaturizada como medio para soportar la fuerte radiación; en 2010 una aleación de silicio-germanio resistía además temperaturas extremas de -180ºC y 120ºC.

Pero el principal sistema para superar el problema es el uso del denominado Redundancia Modular Triple, que consiste en circuitos triples sincronizados cuyo flujo de señales es comparado, de modo que la corrupción puntual en uno, tras ser comparados los datos con los otros dos, se suple por la concordancia de los demás. En cualquier caso, como es natural, todo supone un mayor peso y coste de la electrónica espacial.

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• Descripción del tipo de antena que servirá para recibir y transmitir señales electromagnéticas.

Se conectara una varilla metálica a una fuente de corriente alterna. Los electrones que circulan por la varilla llegarán a su extremo y se regresarán; por consiguiente, su velocidad cambia y hace que se aceleren, y en consecuencia emiten ondas electromagnéticas. Esta onda así emitida tendrá la misma frecuencia de los electrones que oscilan en la varilla.

El elemento que produce las ondas se llama antena emisora. En el caso anterior la antena es la varilla.

Además de varillas las antenas pueden tener otras configuraciones. Las características que tengan las ondas emitidas dependerán de la forma geométrica y de la longitud de la antena. Así, en el caso de una varilla, las ondas emitidas tienen la misma frecuencia que la corriente que las induce. A esta frecuencia f le corresponde un longitud de onda dada por (v / f), siendo v la velocidad de la luz (ecuación antes mencionada). Por otro lado, la potencia de la onda emitida depende tanto de la longitud de onda l como de la longitud L de la varilla. La potencia que emite adquiere un valor máximo cuando la longitud de la varilla es igual a la mitad de la longitud de onda. En consecuencia, conviene construir la antena con esta longitud. Este hecho es una manifestación del fenómeno de resonancia.

La antena no emite la misma potencia en todas las direcciones; a lo largo de la antena (Figura 12) no hay emisión. En una dirección perpendicular a la varilla se alcanza la potencia máxima; de hecho, alrededor de la dirección perpendicular se forma un cono dentro del cual la emisión es apreciable; en direcciones fuera del cono prácticamente no hay radiación. A este tipo de antenas se les llama direccionales.

Figura 12. Una antena de varilla emite ondas electromagnéticas direccionalmente; la máxima potencia se envía en dirección

perpendicular a la varilla .

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Cuando a una varilla le llega una onda electromagnética, ésta induce en la varilla una corriente eléctrica que tiene la misma frecuencia que la de la onda incidente. Cualquier dispositivo, como la varilla, que transforma una onda electromagnética en una corriente eléctrica se llama antena receptora.

Las antenas, ya sean receptoras o emisoras, funcionan con las mismas características. Así, las propiedades direccionales de la recepción en una antena receptora son las mismas que si funcionara como emisora. Además, una antena receptora absorbe la máxima potencia cuando su longitud es igual a la mitad de la longitud de onda que tiene la onda incidente.

El tipo de antena que se use, ya sea para emisión o recepción, depende de la aplicación que se quiera hacer. Por ejemplo, en el caso de una estación de radio o de televisión se requiere que pueda llegar a receptores situados en todas las direcciones con respecto a la antena; además, la señal emitida debe llegar lo más lejos posible. En consecuencia, una antena emisora de una estación debe poder manejar potencias altas y radiarlas en todas direcciones. En contraste, la antena receptora maneja potencias muy pequeñas, ya que está relativamente lejos de la emisión. Además, la antena receptora debe ser muy direccional, pues debe captar la señal de la emisión que viene de una dirección determinada. Por esto, las antenas emisoras tienen formas geométricas diferentes de las antenas receptoras.

Los satélites de comunicación son capaces de trasmitir y recibir señales que transportan información en forma analógica o digital de alta calidad. La mayoría de los satélites de comunicación son estacionarios (giran en una órbita a la misma velocidad de rotación quela tierra, es decir siempre están en el mismo punto con respecto a la tierra) y a una altura de 36.000Km. Al ser geoestacionarios las antenas de la tierra siempre apuntan directamente hacia el satélite correspondiente. La emisión de las señales se hacen desde una antena en la tierra, la recibe el satélite y envía las señales a otra antena situada en otro punto de la tierra (receptor final).Los satélites llevan unos paneles solares para recibir energía solar que la almacena en baterías. Esta energía luego la utiliza para mandar las señales, y en caso de que el satélite se desvíe de su órbita, para impulsar unos motores que le devuelven a la órbita inicial. Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenas parabólicas, los más extendidos son los siguientes:

- La antena parabólica de foco centrado o primario.

Que se caracteriza por tener el reflector parabólico centrado respecto al foco. La antena parabólica de foco desplazado u offset, que se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto al foco. Son más eficientes que las parabólicas de foco centrado, porque el alimentador no hace sombra sobre la superficie reflectora.

- La antena parabólica Cassegrain.

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Que se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras.

- "Antenas de conducción radiofónicas de amplitud electromagnética"

Conocida por sus siglas (CRAMEL) una antena de ese tipo es capaz de irradiar una magnitud de onda de500khz a través de un satélite guiado y su transmisor parabólico consta de tres reflectores, esta antena apenas fue diseñada en el 2005 por el científico electrónico danés Hamlent.

Las antenas de un satélite son, generalmente las siguientes:

- Antena Este Ku

Es una antena de forma elipsoidal (Gregoriana) de 3 x 2,2 m con un mecanismo de despliegue, la cual está montada en el lado este del satélite.

- Antena Oeste Ku

Es una antena de forma elipsoidal (Gregoriana) de 2,8 x 2 m con un mecanismo de despliegue, la cual está montada en el lado oeste del satélite. La forma del reflector principal es parabólica.

- Antenas C

Es una antena de rejilla doble excéntrica de 1,6 m de diámetro, la cual está montada en la cubierta del satélite, orientada a la Tierra.

• Dispositivo para recopilar información sobre el tipo de partículas que llegan al satélite

La tele observación de la Tierra permite obtener información de un objeto, área o fenómeno a través del análisis de los datos adquiridos en forma remota, sin necesidad de estar en contacto con el objeto de estudio. Los sensores con los que van equipados los satélites de observación pueden detectar variaciones de la radiación emitida o reflejada por la superficie terrestre. En este proceso intervienen la luz solar, la atmósfera (dispersando o absorbiendo radiación), la superficie terrestre, el sensor y su plataforma y el sistema de procesamiento.

Por “tele observación” se entiende la observación de la superficie terrestre desde el espacio, utilizando las propiedades de las ondas electromagnéticas emitidas, reflejadas o difractadas por los objetos observados, para fines de mejoramiento de la ordenación de los recursos naturales, de utilización de tierras y de protección del medio ambiente.

Figura N° 13; Radiación captada por un satélite para la formación de imágenes.

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Radiación electromagnética y sus efectos La luz visible es sólo una porción de la energía capaz de captar un sensor. Existe una variedad muy grande de radiación distribuida en el espectro electromagnético. Este espectro caracteriza a la energía a través de una de sus propiedades más importantes: la longitud de onda, que es la distancia entre dos máximos de onda (la radiación se propaga en forma ondulatoria a la velocidad de la luz). Cuando se colecta una información a través de un sensor remoto, la mayoría de las veces la señal colectada corresponde a la radiación proveniente del sol, que interactúa con la atmósfera hasta alcanzar la superficie y retorna al sensor interactuando nuevamente con la atmósfera. (Figura N° 13)

Aunque la señal medida sea la radiación emitida por la Tierra, siempre interactúa con la atmósfera hasta alcanzar el sensor. Existen regiones del espectro electromagnético en las cuales la atmósfera es opaca, o sea, no permite el paso de la radiación electromagnética. Estas regiones definen las "bandas de absorción de la atmósfera".

Las regiones del espectro electromagnético en las que la atmósfera es transparente a la radiación electromagnética, proveniente del sol, son conocidas como "ventanas atmosféricas". (Figura N° 14)

La atmósfera atenúa la radiación de dos formas: por absorción o por dispersión.

En la absorción, la energía de un haz de radiación electromagnética es transformada en otras formas de energía. Es una atenuación selectiva observada en varios constituyentes, tales como vapor de agua, ozono y monóxido de carbono.

En muchos casos, la absorción puede ser despreciada por ser muy pequeña. En cambio, debe tenerse muy en cuenta la dispersión, que se genera cuando el haz de radiaciones sufre los efectos por cambios de dirección al chocar con las moléculas atmosféricas. Cuando el tamaño de estas últimas es menor que la longitud de onda del haz, el efecto producido se llama dispersión Rayleigh (el color celeste del cielo diurno es su consecuencia más evidente); cuando el tamaño molecular es mayor se denomina dispersión MIE (los atardeceres rojos son un ejemplo) (Figura N° 15)

Fig. 14 Espectro electromagnético. Detalle del espectro visible

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Los sensores

Son los dispositivos que reciben la energía, la convierten en valores mensurables y presentan en forma adecuada para obtener información del sector observado. En función de la fuente de energía que reciben, pueden clasificarse en pasivos¸ que se limitan a recibir la radiación emitida o reflejada por fuentes naturales, y los activos, que poseen su propia fuente de energía y generan la radiación que luego captan, como por ejemplo los radares.

Además, un sensor puede o no producir una imagen del objeto que estudia; los altímetros o magnetómetros instalados en los satélites no produce imágenes. Los satélites generadores de imágenes pueden clasificarse en dos tipos principales: fotográficos y electrónicos.

Características de un sistema satelital

Para obtener una imagen satelital, debemos colocar al sensor en una plataforma orbital. Estos sistemas satelitales se caracterizan por cuatro tipos de resolución: espacial, espectral, radiométrica y temporal.

- La resolución espacial es la medida del objeto más pequeño que puede distinguir el sensor.

- La resolución espectral es el rango de longitudes de onda que puede registrar el sensor.

- La resolución radiométrica es la capacidad del sensor para diferenciar los distintos niveles de energía recibidos.

- resolución temporal indica la frecuencia con la que el satélite obtiene imágenes de un sector en particular.

Adquisición y análisis de los datos.

Fig. N° 15 Dispersión MIE (atardecer rojo).

Fig. N° 16 Sistemas de captación activos y pasivos.

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Los sistemas satelitales dotados de sensores que generan imágenes poseen por lo general dispositivos de carga acoplada (CCD) los cuales generan señales eléctricas que responden a las variaciones de energía recibida. (FIG.17) Esta información electrónica se representa mediante una imagen, en la cual la intensidad de cada pixel corresponde al brillo promedio o radiancia recibida por el sensor. El rango espectral en el cual recibe el sensor se agrupa en bandas, en las que se destaca la BANDA 1 (visible), BANDA 2 (cercano infrarrojo) y BANDA 3 (infrarrojo térmico). Las bandas varían su rango de acuerdo al sistema satelital: mientras que la banda 1 corresponde al rango 0,58-0,68micrones para el LANDSAT, el satélite SPOT tiene un rango de 0,58-0,8 micrones para su cámara pancromática. Mediante la utilización de filtros adecuados puede generarse una imagen de falso color, la cual tiene la ventaja de presentar un alto contraste y permite identificar objetos más fácilmente.

Por otra parte, el tamaño del pixel es diferente según el uso del satélite: mientras que los datos obtenidos para la observación de la Tierra tienen un tamaño de pixel menor a 100 metros, los de observación meteorológica tienen pixeles de 1 km. de lado. Si bien cada pixel representa una porción de terreno, no siempre existe una relación biunívoca entre la imagen y el terreno real. Para ajustar la imagen se realizan correcciones geométricas, radiométricas y geográficas con un adecuado trabajo de campo.

Dispositivo para almacenar energía eléctrica.

Los satélites requieren de un suministro de potencia eléctrica sin interrupción y sin variaciones significativas en los niveles de voltaje y corriente. La cantidad de potencia requerida por cada uno en particular depende del modelo y de sus características de operación.

Este subsistema consiste de tres elementos:

- Una fuente primaria - Una fuente secundaria - Un acondicionador de potencia

La fuente primaria de energía está constituida por un arreglo de celdas solares, las cuales funcionan bajo el principio del efecto fotovoltaico; cuanto mayor sea la densidad de flujo de radiación solar sobre ellas, mayor electricidad generan, aun a pesar de su pobre factor de eficiencia que ronda el 8%. Cada celda

Fig. 17 Dispositivos de carga acoplada (CCD)

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solar tiene un área de unos 5 a 8 cm ² , y uniendo muchas de ellas en serie y en paralelo se forma un arreglo solar.

La fuente secundaria está conformada por las baterías electroquímicas. Esta fuente tiene una función muy importante para los satélites, en especial aquellos destinados a las comunicaciones. Las baterías comienzan a funcionar cuando la fuente primaria, las celdas solares, deja de funcionar, esto es, cuando no tiene línea de vista con el Sol, lo que impide que los rayos solares sean captados por las celdas. Un ejemplo de esto son los eclipses, los cuales tienen una larga duración siendo hasta de 90 días por año. Para el caso de los satélites geoestacionarios, que generalmente son utilizados para comunicaciones, el no tener energía representaría no poder realizar sus funciones, lo cual impediría la comunicación por largos periodos de tiempo, y esto obviamente representaría un grave problema si no se contara con las baterías. Estos dispositivos de almacenamiento de energía están conectados a un cargador que recibe energía cuando las celdas solares están trabajando, esta energía es suministrada a las baterías las cuales se cargan mientras las celdas solares estén funcionando.

En el momento en que las celdas solares dejan de funcionar, el satélite tiene la función de conmutar la fuente de energía, pasando de la primaria a la secundaria.

Por último, tenemos al acondicionador de potencia, el cual está integrado por dispositivos como reguladores, convertidores y circuitos de protección, que permiten regular y distribuir

Capacitor de placas paralelas

Cada una de las placas tendrá potenciales de carga diferentes, por lo tanto el capacitor quedará caracterizado por la diferencia de potencial de sus placas (V). La diferencia de potencial V es el trabajo por unidad de carga que se necesita para llevar una pequeña carga desde una placa hasta la otra. De acuerdo a su definición, V es proporcional a la carga. En particular la diferencia de potencial entre los dos conductores de un capacitor es proporcional a las cargas Q que tienen, donde Q es la carga total de cada placa. Se propone entonces:

Q = C. V

Donde la constante de proporcionalidad C recibe el nombre de capacitancia y se mide en coulomb/volt. Esta unidad recibe el nombre de faradio (F).

La capacitancia de un capacitor depende de las formas y las posiciones relativas de los conductores, y además del medio en el cual se encuentren inmersos los mismos.

Puede considerarse que en un capacitor hay energía eléctrica almacenada en el campo eléctrico generado entre sus placas. Como los capacitores pueden concentrar campos

Fig. 20 Paquete de células de Litio-ión.

Física Unidad 2. Dispositivos eléctricos

eléctricos intensos en pequeños volúmenes, pueden servir como dispositivos útiles para el almacenamiento de energía.

Las placas del condensador cuando se conectan a una fuente de energía eléctrica comienzan a cargarse con cargas iguales y opuestas, hasta que la diferencia de potencial entre las placas alcanza la diferencia de tensión de la fuente, este proceso se conoce como carga del condensador.

Si una vez terminado este proceso se retira la fuente y se cierra un circuito conectando con un cable conductor ambos extremos del capacitor cargado, se da inicio al proceso de descarga.

Las cargas acumuladas en el capacitor se redistribuirán por el cable generándose una corriente eléctrica que disminuirá con el tiempo hasta llegar a un equilibrio.

Satélite geoestacionario

Se dice que un satélite es geoestacionario, o bien que recorre una órbita geoestacionaria cuando permanece inmóvil sobre un determinado punto de nuestro planeta.La órbita del satélite se encuentra sobre el plano del ecuador terrestre, y el periodo orbital sea sincrónico con el de la Tierra.

Para calcular la altura de la órbita geoestacionaria, se utiliza la segunda ley de newton y la ley de la gravitación universal.

F=G msMT/(r/RT) 2

Figura N° 21 satélites Geoestacionarios.

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An=ω2 (r/RT)La fuerza que ejerce la Tierra sobre el satélite es la fuerza gravitatoriaMT=5,973610 1024 kg masa de la Tierra Ms=1 kg masa del satéliteR=35.780106m radio del satéliteRT=6,378 106 m radio de la Tierra G=6,67 10-11 N m2 kg-2constante de la gravitación universalω=7,29 10-5 rad s-1

Como la velocidad angular es constante, la única aceleración que tiene el satélite es aceleración normal, paralela a la fuerza gravitatoria

Aplicando la segunda ley de newtonF=ms anG=msMT/(r+RT)2 = msω2(r+RT)Despejando r

R=3√❑GMTω2

−RT

Conclusiones:

Los satélites de comunicación caracterizan la época en que vivimos. Gracias a ellos atravesamos por una era de explosión de información impensable unos cuantos años atrás. Desde mediados de los años sesenta, con la introducción de los satélites geoestacionarios, podemos apreciar por televisión eventos que ocurren al otro lado del mundo casi simultáneamente. En unos dos o tres años la red de telefonía celular dirigida por satélite permitirá a cualquier usuario realizar llamadas desde y hacia cualquier parte del mundo con tarifas al alcance de todos.

Así mismo, los satélites geoestacionarios permiten la rápida transmisión de datos que incluye la red Internet la cual permite, para quien esté conectado, en cualquier parte del mundo, tener acceso a una cantidad astronómica de información sobre cualquier tópico imaginable, enviar mensajes o sostener comunicaciones prácticamente simultáneas con personas situadas aún en otros continentes. Los descubrimientos científicos realizados por satélites los ha convertido en una herramienta poderosa para seguir penetrando y desenterrar los secretos del universo y de nuestro planeta.

Tambien podemos decir que la Tierra es observada por una constelación de satélites. Son nuestros ojos en el espacio.

Construidos y puestos en órbita por Agencias espaciales y organismos internacionales, cada uno de estos satélites aporta información muy valiosa para ayudarnos a conocer mejor nuestro planeta y estudiar los efectos de la acción humana sobre el medio ambiente. Con estos datos podremos mejorar las condiciones de vida sobre la Tierra.

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Los satélites de comunicaciones captando ondas electromagnéticas en diversas longitudes de onda. Desafortunadamente el problema de acumulación de basura espacial seguirá creciendo pues hoy por hoy no existe una manera práctica de recogerla o destruirla y todo hace pensar que el ritmo de lanzamiento de satélites aumentará.

Por ahora existen soluciones parciales para el caso de los satélites geoestacionarios en donde al final de su vida operativa son trasladados a una órbita superior o inferior donde no se corre el riesgo de que puedan chocar con otros satélites operativos. Los países avanzados deben ser conscientes de que ya es hora que la ecología se traslade de los parajes terrestres al espacio sideral.

Referencias bibliográficas:

UNAM. (2012). Capitulo N° 2 estructura de los satélites. (pág.1 a 42) Ptolomeo.comhttp://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/162/A5.pdf?

sequence=5Rodríguez, Ramón. (2009). Maniobras orbitales. Puesta en Puesta en órbita. GR.

http://www.gr.ssr.upm.es/docencia/grado/csat/material/CSAT09-2-ManiobrasLanzamientos.pdfComunicaciones por satélites.

http://ocw.upm.es/teoria-de-la-senal-y-comunicaciones-1/radiocomunicacion/contenidos/presentaciones/satelites-07.pdf

González (2012). Los satélites artificiales y la teleobservación. Grupo Astronómico Omega Centauro

http://www.astroeduc.com.ar/LOS%20SATELITES%20ARTIFICIALES%20Y%20LA%20TELEOBSERVACION%20-%20Pablo%20M.%20Gonzalez.pdf

xvii. Emisión de ondas electromagnéticas. Antenashttp://webcache.googleusercontent.com/search?

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Las Ondas electromagnéticas del espacio.http://www.upv.es/satelite/trabajos/Grupo2_99.00/campos.html

Bernardo. (14-03-15). Satélites Geoestacionarios KSP : Colocando red satelital planetaria. YouTube.

https://www.youtube.com/watch?v=Ehy0jGfnT3IIeslaaldea. (2010). Tecnología de la comunicación. DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA

http://www.ieslaaldea.com/documentos/tecnologia/tecnocomunic01.pdf

Electroestática

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Mapa mental.

Fuerza gravitacional 3ra. Ley de Newton

Fuerza ejercida

Basada en fuerzas

Leyes de maxwell

Tierra y peso

La gravedad es una de las cuatro interacciones fundamentales. Origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico. También se denomina interacción gravitatoria o gravitación.

Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria

Parte de la física que estudia las interacciones entre las cargas eléctricas en reposo.

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Dirección y aceleración

A mayor masa y mayor a

aceleración de gravedad

Magneto estática

Principios del campo

Campos estacionarios

campo que rota a una

velocidad uniforme (idealmente) y es generado a partir de

corriente eléctrica